動力觸探試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗鉆具配套的分析

1、圓錐動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗鉆具配套的分析 張西坤 河北建設(shè)勘察研究院有限公司鉆探機械廠，河北 石家莊050031概述：介紹了工程地質(zhì)勘察施工的基本情況，詳細(xì)分析了動力觸探試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的工作原理、設(shè)備組成、使用要求和注意事項，對SH30-2A鉆機和DPP-100鉆機工程鉆具配套進行了配套分析。關(guān)鍵詞：工程勘察，動力觸探，標(biāo)準(zhǔn)貫入，鉆具0 引言工程地質(zhì)勘察施工的目的是查明工程場地的工程地質(zhì)條件，分析存在的工程地質(zhì)問題，對工程場地做出定性和定量的工程地質(zhì)評價。工程地質(zhì)試驗包括原位測試和室內(nèi)試驗兩個方面，原位測試是巖土體保持或基本保持其所處位置與天然結(jié)構(gòu)、濕度和應(yīng)力狀態(tài)情況下進行的各種測試。原位

2、測試可以完成或?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)無法測定的內(nèi)容，取得可靠的巖土體物理、力學(xué)、水理性質(zhì)指標(biāo)，為基坑開挖、地基處理、基礎(chǔ)工程提供可靠的數(shù)據(jù)。原位測試方法主要有靜力觸探試驗、靜載荷試驗（CPT）、圓錐動力觸探試驗（DPT）、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（SPT）、旁壓試驗（PMT）、十字板剪切試驗、巖體變形試驗、巖體抗剪試驗、聲波測試、扁鏟側(cè)脹試驗、現(xiàn)場大型直剪試驗、塊體基礎(chǔ)振動試驗、點荷載強度試驗、回彈試驗、壓水試驗、抽水試驗、注水試驗、連通性試驗等。其中圓錐動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是兩種常用的原位測試技術(shù)方法。對這兩種方法的工作原理、設(shè)備組成、使用要求和注意事項進行深入分析，并在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計改進優(yōu)化，是鉆具配套研究的重

3、點內(nèi)容。1 試驗準(zhǔn)備在進行工程地質(zhì)測試之前要先進行鉆探施工，鉆探是采用一定的設(shè)備和工具對深部的工程地質(zhì)條件進行揭露的工作方法，可分為輕便鉆探和鉆機鉆探兩種。輕便觸探是利用洛陽鏟、錐探和小螺旋鉆等進行鉆探的方法；鉆機鉆探是常用的鉆探方法，為了保證試驗的鉆孔質(zhì)量，一般采用回轉(zhuǎn)鉆進，必要時可采用泥漿或套管護壁。常見的工程地質(zhì)勘察施工設(shè)備有SH30-2A、XY-1、DPP100鉆機等。鉆探過程一般有三個基本程序：1、破碎巖石：采用人力和機械的方法，使小部分巖土脫離整體而成為粉末、巖石塊或巖心，破碎一般是借助沖擊力、剪切力、研磨和壓力來實現(xiàn)的。2、采取巖土：用沖洗液(或壓縮空氣)將孔底破碎的碎屑沖到孔外

4、，或者用鉆具（抽筒、勺型鉆頭、螺旋鉆頭、取土器、巖心管等）靠人力或機械將孔底的碎屑或巖心取出地面。3、保護孔壁：一般采用套管或泥漿來護壁。鉆探是工程地質(zhì)測試的準(zhǔn)備過程，動力觸探試驗才是其實質(zhì)內(nèi)容。動力觸探試驗是利用一定的落錘能量(用規(guī)定重量的重錘，從恒定高度上自由落下)，將與觸探桿相連接的探頭打入土中。根據(jù)打入的難易程度（表示為貫入度或貫入阻力）來判斷土的工程性質(zhì)的一種原位測試方法。其目的有：（1）定性評價：評定場地土層的均勻性；查明土洞滑動面和軟硬土層的界面；確定軟弱土層或堅硬土層的分布；檢驗評估地基土加固與改良的效果。（2）定量評價：確定砂土的孔隙比、相對密實度、粉土和粘性土的狀態(tài)、土的強

5、度和變形參數(shù)，評定天然地基土承載力和單樁承載力。動力觸探分為圓錐動力觸探試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。2 圓錐動力觸探試驗（DPT-Dynamic Penetration Test）圓錐動力觸探適用于強風(fēng)化、全風(fēng)化的硬質(zhì)巖石、各種軟質(zhì)巖石及各類土，圓錐動力觸探試驗根據(jù)錘擊能量分為輕型、中型、重型和超重型四種。輕型、中型圓錐動力觸探適用于一般粘質(zhì)土及素填土；重型圓錐動力觸探適用于中粗礫砂和碎石土；超重型圓錐動力觸探適用于卵石礫石類土。觸探指標(biāo)定義為每貫入一定深度所需的錘擊數(shù)。輕型動力觸探以每貫入300mm的錘擊數(shù)，以N10表示；中型、重型和超重型動力觸探以每貫入100mm所需的錘擊數(shù)，分別以N28、N63

6、.5和N120表示。其設(shè)備組成及規(guī)格參數(shù)如表1所列，為了說明動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入的區(qū)別和關(guān)系，表中將標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的設(shè)備和規(guī)格參數(shù)也列入進去。表1 動力觸探設(shè)備組成及規(guī)格參數(shù)動力觸探類型圓錐輕型動力觸探圓錐中型動力觸探重型動力觸探型圓錐超重型動力觸探標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗圓錐動力觸探落錘錘質(zhì)量(kg)10±0.228±0.263.5±0.563.5±0.5120±1自由落距(mm)500±20800±20760±20760±201000±20探頭規(guī)格探頭名稱輕型探頭中型探頭重探頭重探頭重探頭直徑（mm）406

7、2標(biāo)準(zhǔn)貫入器51X35長度L=7007474截面積(cm2)12.6304343錐角(°)60606060探桿直徑(mm)2533.542，5042，5050，60，63每米重量（kg）8812能量指數(shù)(J/ cm2)39.774.7112.2112.2112.2觸探指標(biāo)貫入300mm100mm100mm300mm100mm錘擊數(shù)N10N28N63.5N63.5N120最大貫入深度(m)4612161520152020備注能量指數(shù)Nd=MHg/A，式中：M為錘的質(zhì)量(kg)；H為錘的自由落距(cm)；A為探頭截面面積(cm2)輕型和中型動力觸探可用手動，起拔觸探桿時可用探桿起拔器（如

8、圖5）。重型和超重型動力觸探設(shè)備須有自動落錘裝置，如：抓勾式、偏心輪式、鋼球式、滑銷式和滑槽式等，錘的脫落方式有碰撞式和縮徑式兩種，碰撞式動作可靠，但如操作不當(dāng)易反向撞擊，影響實驗結(jié)果；縮徑式無反向撞擊，但導(dǎo)向桿易被磨損。圖5 輕型動力觸探用起拔器表2 動力觸探適用的土類范圍動力觸探類型粘性土粘土砂類土碎石類土（無膠結(jié)）粘土粉質(zhì)粘土粉砂細(xì)砂中砂粗砂礫砂圓礫角礫卵石碎石漂石塊石輕型適用較適用不適用不適用不適用重型較適用較適用適用適用不適用超重型不適用較適用較適用適用較適用注：適用的范圍用于確定地基承載力（o）和變形模量（Eo）較適用的范圍用于劃分土的力學(xué)分層、評價土層的均勻程度 圖1 輕型動力觸

9、探簡圖 圖2 重型超重型動力觸探簡圖 圖3 輕型動力觸探頭 圖4 重型超重型動力觸探頭 圓錐動力觸探的優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作方便、工效較高、適應(yīng)性廣，并具有連續(xù)貫入的特性。對難以取樣的砂土、粉土、碎石類土等，對靜力觸探難以貫入的土層，動力觸探是十分有效的勘探測試手段。圓錐動力觸探的缺點是不能采樣對土進行直接鑒別描述，實驗誤差較大，直觀性差。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗可在一定程度上彌補這一不足。3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（SPT-Standard Penetration Test）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是動力觸探的一種，重型動力觸探裝置（標(biāo)準(zhǔn)貫入儀）配套標(biāo)準(zhǔn)貫入器（重探頭）就構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗裝置。為了減少對試驗土層的擾動，當(dāng)鉆進

10、至試驗標(biāo)高以上150mm時，應(yīng)停止鉆進。試驗時，用63.5kg穿心錘以760mm的落距自由落下，先將貫入器垂直打入土層中150mm，再記錄每打入300mm的錘擊數(shù)，即為實測的錘擊數(shù)N實測。此試驗設(shè)備簡單，操作方便，土層的適用范圍廣。除砂土外，一般的硬粘土、軟質(zhì)巖石也適用。而且貫入器能帶上撓動土樣，可直接對土樣進行鑒別描述。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的目的一方面是采取擾動樣，鑒別和描述土類，按顆粒分析結(jié)果定名，一方面是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N，利用地區(qū)試驗，為砂土的密實度和粘土粘性土的狀態(tài)、土的強度參數(shù)，變形模量、地基承載力等做出評價，從而判定飽和砂、砂質(zhì)粘土的地震液化的可能性及液化等級。標(biāo)準(zhǔn)貫入器采用GB1274

11、1-91標(biāo)準(zhǔn)，由刃口形的貫入器靴（標(biāo)貫刃口）、對開圓筒式貫入器身（兩半筒）和貫入器頭（標(biāo)貫接頭）三部分組成。 圖6 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備簡圖 圖7標(biāo)準(zhǔn)貫入器簡圖表3 標(biāo)準(zhǔn)貫入器規(guī)格參數(shù)及精度要求部位名稱規(guī)格內(nèi)容參數(shù)精度標(biāo)貫刃口（貫入器靴）長度（mm）5076刃口角度（°）1820靴壁厚(mm)2.5兩半筒（貫入器身）長度(mm)>500粗糙度3.2µm橢圓度0.08mm同軸度0.05mm外徑(mm)51±1內(nèi)徑(mm)35±1標(biāo)貫接頭（貫入器頭）長度(mm)175標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗設(shè)備的貫入器、落錘系統(tǒng)、鉆桿等應(yīng)符合以下要求：1、 鉆桿應(yīng)平直，當(dāng)出現(xiàn)彎曲超過

12、1時應(yīng)予以調(diào)直后再使用；2、 對開式貫入器（兩半筒）的對縫應(yīng)平直、嚴(yán)密，出現(xiàn)扭曲、膨脹、錯縫等變形時應(yīng)停止使用；3、 貫入器靴的刃口（標(biāo)貫刃口）應(yīng)保持完整，當(dāng)出現(xiàn)缺口或卷刃等損壞，其單個長度大于5mm，或總長度大于12mm時，應(yīng)停止使用；4、 當(dāng)落錘質(zhì)量和導(dǎo)向桿的落距的誤差超過允許范圍時，應(yīng)停止使用；5、 自動落錘裝置應(yīng)保持正常的落錘和提起性能，不得對導(dǎo)向桿產(chǎn)生提拔作用工程勘察的內(nèi)容有鉆探、原位測試（動探和標(biāo)貫等）、取土樣、室內(nèi)測試、資料整理、提交報告等，為了更好地指導(dǎo)做好工程勘察鉆具的研制工作，可圍繞以下幾種常用工程勘察鉆機鉆具配套內(nèi)容進行系統(tǒng)研究。表4 常用工程勘察鉆機鉆具配套表鉆機型號鉆

13、具名稱規(guī)格型號單位數(shù)量備注SH30-2A工程勘察鉆機沖擊錘 根 1分灌鉛錘和實芯錘花管108、114、121根1粘土鉆頭150、130件各1哈夫鉆頭130套1筒狀劈石鉆頭130、110件1十字劈石鉆頭150、130、110件1重型動力觸探63.5kg套1打桿、落錘器、重錘標(biāo)準(zhǔn)貫入器51X35X700套1重重型動力觸探頭74X60°件1重鉆桿42X3000根5鉆桿42X2000根1鉆桿42X1500根1鉆桿42X1000根1鎖接頭57付8提引器57套1墊叉搬叉57件各1套管鉗108/127把1鉆桿鉗42把1叉式取土器110X150套1取土室110X150件2土樣盒110X150套50一

14、筒兩蓋DPP100汽車鉆機除以上沖擊鉆進工藝配套外還要增加回轉(zhuǎn)鉆進工藝鉆具：活塞取土器、麻花鉆頭、合金鉆頭、肋骨鉆頭、鋼粒鉆頭、巖心管、套管、沉淀管、套管鉗、套管夾板等，鉆桿一般選擇50或60。4 結(jié)語4.1 確定地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值采用的原位測試方法比較多。每種試驗方法各自有其自身的局限性。比如：靜載荷試驗雖然能夠較準(zhǔn)確地反映實際地層情況，但是，此試驗操作復(fù)雜、費時長、試驗成本高，一般的工程不適用，僅僅對大型或高層建筑才使用此試驗；靜力觸探試驗在操作過程中遇到堅硬地層時容易損壞探頭，成本較高。因此，對比現(xiàn)場的原位測試方法，重型動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗有著明顯的優(yōu)越性，適用于土層范圍廣，標(biāo)準(zhǔn)貫入器還

15、可以提取撓動土樣，直接進行巖性描述，成本低，試驗效果良好。在地基勘察中，在條件允許的情況下應(yīng)盡量采用動力觸探試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。4。2 動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入設(shè)備在一定程度上可以說都是儀器，使這些儀器既要有很好的精度，又要保證良好的耐用性，是需要工程勘察鉆具設(shè)計者深入研究的，細(xì)節(jié)問題很多，應(yīng)該深刻認(rèn)識標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)實用、精確和經(jīng)濟耐用的目的。參考文獻1 杜士斌. 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗標(biāo)準(zhǔn)化的研究概況J. 人民黃河， 1986，(03) 2 徐建成. 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗在工程勘察設(shè)計中的若干問題J. 黑龍江交通科技， 2006，(08) 3 賀瑞霞， 毛奇. 巖土工程測試中的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法J. 平頂山工學(xué)院學(xué)報， 2003，(01) 4 王婷灝. 動力觸探試驗有關(guān)問題商榷J. 西部探礦工程， 2007，(01)5 盧照輝. 動力觸探測試及應(yīng)用J. . 焦作工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2003，(03) .6 吳禮榮. 輕型圓錐動力觸探試驗在工程實踐中的應(yīng)用J. . 廣州建筑， 2002，(0