重探試驗(yàn)錘擊數(shù)的桿徑換算研究

范建好

(海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京102202)

0 引言

圓錐動力觸探試驗(yàn)(dynamic penetration test，英文縮寫DPT)，是用一定質(zhì)量的重錘，以一定高度的自由落距，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓錐形探頭貫入土中，根據(jù)打入土中一定距離所需的錘擊數(shù)，判定土的力學(xué)特性，具有原位測試和勘探雙重功能。圓錐動力觸探設(shè)備主要由觸探頭、觸探桿和穿心錘3部分組成，按其錘擊能量可劃分為輕型、重型和超重型3種類型，其規(guī)格和主要適用巖土層如表1所示［1］。其中，重型圓錐動力觸探試驗(yàn)(heavy cone dynamic penetration test，英文縮寫DPH，簡稱:重探試驗(yàn))是應(yīng)用最廣的一種［2－3］，其規(guī)格與國際通用標(biāo)準(zhǔn)一致。

表1 圓錐動力觸探試驗(yàn)類型比較

1 重探試驗(yàn)要點(diǎn)

重探試驗(yàn)一般包括放桿、錘擊和拔桿3個(gè)步驟，其試驗(yàn)要點(diǎn)如下。

(1)采用自動落錘裝置，落距為76 cm。

(2)保持觸探孔和探桿垂直，觸探桿最大垂直度偏差≯2%，錘擊貫入應(yīng)連續(xù)進(jìn)行;同時(shí)防止錘擊偏心、觸探桿傾斜和側(cè)向晃動;錘擊速率宜為每分鐘15～30擊。

(3)及時(shí)記錄每貫入0.10 m的錘擊數(shù)，每貫入1 m，宜將觸探桿轉(zhuǎn)動一圈半;當(dāng)貫入深度＞10 m，每貫入0.20 m宜轉(zhuǎn)動探桿一次，以減少側(cè)壁摩阻力。

(4)當(dāng)連續(xù)3次N63.5＞50時(shí)，可停止試驗(yàn)。

(5)重探試驗(yàn)也可配合鉆探，間斷貫入，以減少側(cè)壁摩擦的影響(本次研究采用鉆探與重探試驗(yàn)交替進(jìn)行的方法)。

(6)對于一般砂、圓礫和卵石，觸探深度不宜超過12～16 m。

重探試驗(yàn)擊數(shù)的大小，直接反映土的密實(shí)程度和力學(xué)性質(zhì)，可用于評定土的狀態(tài)、地基承載力、場地均勻性等。

2 重探試驗(yàn)的影響因素

眾所周知，重探試驗(yàn)是巖土工程勘察中一種重要的現(xiàn)場測試方法，重探試驗(yàn)從錘擊發(fā)生碰撞至觸探頭貫入結(jié)束這一過程中，其影響因素甚多、機(jī)理很復(fù)雜。重探擊數(shù)往往具有較大的離散性，影響重探試驗(yàn)的因素很多，主要有土層因素、設(shè)備因素、人為因素和重探環(huán)境等方面［6］。

2．1 土層因素

土質(zhì)本身(包括土的密實(shí)度、含水量、狀態(tài)、顆粒組成、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性、埋深等)對重探擊數(shù)的影響，如含有礫石的砂土，觸探頭遇到礫石時(shí)，重探擊數(shù)會偏大。地層強(qiáng)度愈高，對觸探頭的側(cè)摩阻力愈大，實(shí)測重探擊數(shù)偏差也愈大。

重探位置的影響，平面位置的差異、土層深度的變化決定鉆桿長度，從而會影響重探擊數(shù)。

2．2 設(shè)備因素

設(shè)備因素主要有:觸探頭的規(guī)格、穿心錘的形狀、導(dǎo)向錘座的構(gòu)造及尺寸、導(dǎo)向桿和自動脫鉤裝置、鉆桿的直徑及長度、鉆桿的垂直度、鉆桿接頭的松緊等。

各個(gè)廠家生產(chǎn)觸探頭允許有細(xì)部規(guī)格誤差，不同規(guī)格的觸探頭對重探擊數(shù)具有一定的影響。

由于保養(yǎng)不善，導(dǎo)向桿彎曲或?qū)驐U上沒刷潤滑油、自動脫鉤裝置不靈，會使穿心錘下落的阻力加大，部分錘擊能量消耗，造成重探擊數(shù)偏大。

試驗(yàn)設(shè)備各部件絲扣之間連接不緊密，接頭部位松動，將影響打擊能量傳遞，導(dǎo)致重探擊數(shù)偏大。

鉆桿垂直度差，即鉆桿傾斜與孔壁產(chǎn)生摩擦，會減小傳至觸探頭的打擊能量，導(dǎo)致重探擊數(shù)偏大。所以，在試驗(yàn)時(shí)需要導(dǎo)正鉆桿，避免出現(xiàn)鉆桿傾斜。鉆桿搖晃也會影響沖擊能的傳遞，造成重探擊數(shù)偏大。

2．3 人為因素

2．3．1 鉆進(jìn)工藝技術(shù)

包括鉆進(jìn)的成孔工藝、鉆進(jìn)方法、鉆孔的垂直度和孔底沉渣厚度等。不同的鉆孔工藝會對重探試驗(yàn)產(chǎn)生影響?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)比沖擊鉆進(jìn)對孔底土體的擾動相對輕微，對重探試驗(yàn)擊數(shù)的影響也要小的多。采用泥漿鉆進(jìn)，重探深度≯12 m時(shí)，進(jìn)行重探試驗(yàn)時(shí)，側(cè)壁摩擦的影響可忽略不計(jì)。鉆孔傾斜易造成落錘與鉆桿之間產(chǎn)生摩擦力，減少了沖擊能，重探擊數(shù)偏大。護(hù)壁清孔差，孔底沉渣過多，實(shí)際貫入深度就要加大，造成試驗(yàn)器械的摩擦力和阻力加大，會造成重探擊數(shù)偏大。

2．3．2 試驗(yàn)鉆桿長度

鉆桿在重探試驗(yàn)中起傳遞落錘錘擊能量的作用，就能量傳遞而言，長度是一個(gè)重要因素。鉆桿長度不同，其質(zhì)量就不同，傳遞到鉆桿底端觸探頭上的沖擊能也不同。一般認(rèn)為，桿長的增加，錘與探桿的質(zhì)量比變小，桿的自重加大，慣量變大，桿的撓曲、晃動及側(cè)摩阻力等也增大，經(jīng)鉆桿傳到觸探頭的有效錘擊能相應(yīng)也降低，每錘貫入深度變小，會使實(shí)測動探擊數(shù)偏大。所以，每次重探試驗(yàn)配備鉆桿，其孔口上余長度應(yīng)盡量保持一致，一般控制錘墊距鉆探平臺的高度為1.5 m左右。

2．3．3 操作水平

重探試驗(yàn)人員的操作技術(shù)，包括落錘速度、重探深度位置判斷。落錘速度控制在2～4 s/擊，對試驗(yàn)結(jié)果影響不大。孔深與重探位置深度的計(jì)算誤差，亦易造成重探擊數(shù)的偏差。

2．4 重探環(huán)境

在水上鉆探時(shí)，受風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素影響，鉆探平臺易起伏，重探試驗(yàn)設(shè)備易晃動，錘擊能量會損失，導(dǎo)致重探擊數(shù)偏大。而且，測試讀數(shù)基準(zhǔn)面不易掌握，會產(chǎn)生計(jì)數(shù)偏差。

3 桿徑換算系數(shù)的推導(dǎo)

表2 鉆桿基本參數(shù)對比

重探擊數(shù)桿長校正是依據(jù)牛頓碰撞理論，對同一土層，由于重探位置在地層中所處深度不同，引起重探擊數(shù)有規(guī)律變化，將這種變化與固定埋藏深度(一般為1.5～2.0 m)時(shí)的實(shí)測擊數(shù)相比較，而采取的一種修正(事實(shí)上就是深度修正問題)。桿長校正的實(shí)質(zhì)是考慮到傳輸給鉆桿的錘擊能量隨桿長的變化而變化，值得借鑒［8］。左永振等認(rèn)為，重探試驗(yàn)桿長修正系數(shù)的整體趨勢規(guī)律符合牛頓彈性碰撞理論，都隨著桿長的增加，修正系數(shù)逐漸減?。?］。

以《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2001)》附錄B表B.0.1為依據(jù)，用多項(xiàng)式擬合求得不同桿長的校正系數(shù)［10］?；跅U長校正問題來考慮桿徑換算問題，計(jì)算推導(dǎo)出桿長為2～15 m的桿徑換算系數(shù)，匯總歸納如表3所示。

由表3可知，桿徑換算系數(shù) α為0.77～0.99，平均值為0.89，折減比較小。重探試驗(yàn)是一種粗略的測試方法，且重探試驗(yàn)的影響因素很多，重探試驗(yàn)也不可能達(dá)到很高的精度。因此，我們可簡化考慮，即:采用50 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)的N值乘以0.89即可換算為采用42 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)的N值。這需要大量工程實(shí)踐的驗(yàn)證，才可廣泛推廣使用。

4 工程實(shí)例驗(yàn)證

海南省某島礁水運(yùn)工程，位于內(nèi)礁坪地貌。采用泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔工藝，共完成鉆孔24個(gè)。為了重點(diǎn)研究由于鉆桿直徑造成重探擊數(shù)的差異，42 mm鉆桿重探孔與50 mm鉆桿重探孔間隔進(jìn)行布孔，選用同一鉆機(jī)設(shè)備和同一施工隊(duì)伍，在相同的深度、鉆桿長度及巖性進(jìn)行重探試驗(yàn)，且要求每個(gè)孔間隔0.5 m深度進(jìn)行一次重探試驗(yàn)(基于重探試驗(yàn)臨界深度一般為0.5～1.0 m［11］)，以確保兩種桿徑重探個(gè)數(shù)一致。珊瑚碎屑層進(jìn)行重探試驗(yàn)共計(jì)480次，其中采用42 mm鉆桿重探、采用50 mm鉆桿重探各240次。

勘探最大深度35 m范圍內(nèi)，自上而下主要地層為珊瑚碎屑、珊瑚礫砂、珊瑚中砂、珊瑚碎屑及珊瑚礁灰?guī)r。地層層位比較穩(wěn)定，其中，上部珊瑚碎屑埋深0～12 m左右。本文著重選取珊瑚碎屑層埋深2～12 m的重探擊數(shù)作為研究對象。

表3 重探試驗(yàn)桿徑換算系數(shù)α

表3 重探試驗(yàn)桿徑換算系數(shù)α

鉆桿長度L/m N 0 0.89 0.89 0.92 3 4.0 0.97 0.98 0.98 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99 0.98 4 5.4 0.97 0.97 0.96 0.96 0.95 0.95 0.93 0.93 0.93 0.93 0.92 0.95 5 6.7 0.95 0.95 0.94 0.93 0.93 0.94 0.94 0.94 0.92 0.89 0.92 0.93 6 8.1 0.95 0.93 0.93 0.93 0.92 0.93 0.92 0.92 0.92 0.91 0.91 0.93 7 9.4 0.93 0.93 0.93 0.92 0.92 0.91 0.89 0.89 0.88 0.89 0.92 0.91 8 10.8 0.93 0.93 0.93 0.93 0.92 0.91 0.90 0.88 0.87 0.86 0.88 0.90 9 12.1 0.92 0.91 0.91 0.90 0.89 0.88 0.87 0.88 0.87 0.88 0.89 0.89 10 13.4 0.91 0.91 0.89 0.89 0.87 0.87 0.87 0.86 0.86 0.86 0.86 0.88 11 14.8 0.90 0.89 0.88 0.88 0.86 0.84 0.82 0.82 0.83 0.82 0.85 0.85 12 16.1 0.89 0.89 0.89 0.87 0.85 0.86 0.84 0.84 0.82 0.83 0.83 0.86 13 17.5 0.88 0.88 0.87 0.87 0.85 0.84 0.84 0.82 0.81 0.79 0.81 0.84 14 18.8 0.88 0.86 0.86 0.85 0.83 0.82 0.80 0.80 0.79 0.78 0.79 0.82 15 20.2 0.88 0.86 0.84 0.82 0.80 0.79 0.78 0.79 0.78 0.77 0.78 0.81平均值 0.92 0.92 0.91 0.90 0.89 0.89 0.88 0.88 0.87 0.8平均值2 2.7 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.9鉆桿等代長度Le/m 63.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 6 0.87 0.89

表4 珊瑚碎屑的重探擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)桿徑換算，即:N乘上0.89的桿徑換算系數(shù)，采用50 mm鉆桿的重探擊數(shù)平均值可換算成19.9，與采用42 mm鉆桿的重探擊數(shù)平均值19.6相差0.3擊(僅相差1.5%)，據(jù)此可判定珊瑚碎屑層為中密土層。因此，勘察報(bào)告中對珊瑚碎屑的密實(shí)度確定為中密，局部為密實(shí)。

5 結(jié)論

(1)重探試驗(yàn)擊數(shù)受鉆桿直徑的影響，工程勘察中，應(yīng)盡量采用42 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)。若采用50 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)，其重探擊數(shù)應(yīng)進(jìn)行桿徑換算，轉(zhuǎn)化為采用42 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)的擊數(shù)，方可在勘察報(bào)告中使用。

(2)本文研究的埋深12 m以淺的珊瑚碎屑層的桿徑換算系數(shù)為0.875，與推導(dǎo)結(jié)果0.89基本一致。即:采用50 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)的擊數(shù)應(yīng)乘以0.89的桿徑換算系數(shù)，從而轉(zhuǎn)化為采用42 mm鉆桿進(jìn)行重探試驗(yàn)的擊數(shù)。

(3)土層性質(zhì)對桿徑換算系數(shù)是有影響的，盼在工程勘察實(shí)踐中能得到更多的驗(yàn)證或更合理的修正。

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