淺談重型動(dòng)力觸探在填土、卵石土地基勘察中的應(yīng)用

陳靖

摘要：重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于勘察外業(yè)工作中。采用重錘錘擊使圓錐形探頭貫入土中，記錄每灌入10cm的錘擊數(shù)，通過對錘擊數(shù)的分析處理從而獲得土層的物理力學(xué)參數(shù)。本文通過對照工程實(shí)例，分析重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)在運(yùn)用過程中的實(shí)用情況和作用。

關(guān)鍵詞：重型動(dòng)力觸探；錘擊數(shù)；物理力學(xué)參數(shù)

1.引言

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，對建設(shè)用地的需求量日漸加大。特別是地處西南的云貴川三省，受地形條件限制，為滿足工程建設(shè)需要，將形成大量的挖填方區(qū)域，而地形相對平坦的河流階地成了理想的建筑場地。對建筑場地地基土進(jìn)行勘察外業(yè)工作時(shí)，由于填土和卵石土膠結(jié)差，難以通過鉆探取得原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，因此原位測試成了獲取物理力學(xué)參數(shù)的重要手段，其中圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)為最常用的一種原位測試方法。

2.圓錐動(dòng)力觸探的原理

2.1原理

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)是用一定質(zhì)量的落錘，以一定高度的自由落距將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓錐形探頭打入土層中，根據(jù)探頭貫入擊數(shù)、貫入度或動(dòng)貫阻力判別土層的變化，評價(jià)土的工程性質(zhì)[1]，并對土進(jìn)行粗略的力學(xué)分層的一種原位測試方法。根據(jù)錘擊能量與探頭形狀，將觸探試驗(yàn)分為輕型、重型、超重型及標(biāo)準(zhǔn)貫入四種。主要適用于粉土、砂土、碎石土及強(qiáng)風(fēng)化層等難以直接取樣的巖土層。具有設(shè)備簡單、操作方便、適用范圍廣及工作效率高等特點(diǎn)，可用于判定地基土的均勻性、探查土洞、滑動(dòng)面、軟硬土層界面、巖石風(fēng)化界面及檢測地基處理效果等勘探和測試雙重功能。由于地基土的復(fù)雜性及影響動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的因素的多樣性，利用動(dòng)力觸探的試驗(yàn)成果評價(jià)地基的承載力和變形模量，用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式很難概括不同地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)的成果，目前主要是依靠各地區(qū)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)積累，以及在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式。在室內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析階段，要求工作人員對控制機(jī)制有一定的了解，完成地基土物理力學(xué)性質(zhì)的控制[2]。

2.2目的

（1）輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

主要用于對黏性土、粉土、粉砂、細(xì)砂地基與人工地基中地基土基本性狀和處理效果進(jìn)行評價(jià)，并判定地基的實(shí)際承載能力。

（2）重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

主要用于對黏性土、粉土、砂土、中密以下碎石土和人工地基及極軟巖等的地基土基本性狀和處理效果進(jìn)行評價(jià)，并判定地基的實(shí)際承載能力。

（3）超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

主要用于對密實(shí)碎石土、極軟巖及軟巖的地基土基本性狀進(jìn)行評價(jià)，并判定地基的實(shí)際承載能力。

2.3設(shè)備與安裝

（1）在觸探試驗(yàn)中，所用設(shè)備必須滿足以下要求：①落錘。錘重：輕型動(dòng)力觸探為10kg，重型動(dòng)力觸探為63.5kg，超重型動(dòng)力觸探為120t。落距：輕型動(dòng)力觸探為50cm，重型動(dòng)力觸探為76cm，超重型動(dòng)力觸探為100cm。②探頭。直徑：輕型動(dòng)力觸探為40mm，重型動(dòng)力觸探為74mm，超重型動(dòng)力觸探為74mm。錐角：輕型、重型與超重型動(dòng)力觸探均為60°。③探桿直徑。輕型動(dòng)力觸探為25mm，重型動(dòng)力觸探為42mm、50mm，超重型動(dòng)力觸探為50mm～60mm。

（2）重型與超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)中，應(yīng)將自動(dòng)脫鉤裝置作為落錘。

（3）觸探桿必須保持順直，每一節(jié)桿的相對彎曲都不能超過0.5%，且絲扣保持完好，沒有裂紋。如果探頭直徑磨損超過2mm，或錐尖高度磨損超過5mm，則應(yīng)及時(shí)對探頭進(jìn)行更換。

2.4現(xiàn)場檢測

（1）試驗(yàn)中所用落錘應(yīng)為自由落錘，設(shè)置在地面的觸探桿，其高度應(yīng)控制在1.5m以內(nèi)，同時(shí)應(yīng)采取有效措施避免發(fā)生側(cè)向晃動(dòng)、錘擊偏心與探桿傾斜。

（2）錘擊貫入必須保持連續(xù)，對于錘擊的速率，應(yīng)按照15～30擊/分鐘的范圍嚴(yán)格控制。

（3）每當(dāng)貫入深度達(dá)到1m，就要對探桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)1.5圈；在貫入深度的累積達(dá)到10m后，應(yīng)在貫入20cm之后就對探桿進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)。

（4）做好對試驗(yàn)段深度及實(shí)際錘擊數(shù)等的記錄。對于輕型動(dòng)力觸探，每當(dāng)貫入深度達(dá)到30cm時(shí)就對錘擊數(shù)進(jìn)行記錄；而對于重型和超重型動(dòng)力觸探，應(yīng)每當(dāng)貫入深度達(dá)到10cm時(shí)就對錘擊數(shù)進(jìn)行記錄。

（5）在輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)中，如果貫入深度達(dá)到30cm時(shí)對應(yīng)的錘擊數(shù)超過100擊，或當(dāng)貫入深度達(dá)到15cm時(shí)對應(yīng)的錘擊數(shù)超過50擊，則可停止動(dòng)力觸探試驗(yàn)。

（6）在重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)中，如果連續(xù)三次實(shí)際錘擊數(shù)超過50擊，則可停止動(dòng)力觸探試驗(yàn)，也可采用其他方式試驗(yàn)，如鉆探與超重型動(dòng)力觸探。如果在試驗(yàn)中遇到硬夾層，需從硬夾層中穿過以后再予以試驗(yàn)。

2.5技術(shù)要求

（1）錘擊能量是影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素，對此，可采用自動(dòng)落錘，并對落距予以嚴(yán)格控制，以此保證錘擊能量達(dá)到恒定，同時(shí)要注意使探桿始終保持垂直，其偏斜度不能超出2%。在錘擊過程中，還應(yīng)注意避免探桿發(fā)生晃動(dòng)和產(chǎn)生偏心。

（2）探桿和土體之間的側(cè)摩阻力為影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的又一重要因素，對此，在實(shí)際的試驗(yàn)中，可采取以下措施來盡可能減小側(cè)摩阻力：

①嚴(yán)格控制探桿的直徑，不可超過探頭直徑。以砂土為例，探頭和探桿的直徑之比應(yīng)達(dá)到1.3以上，當(dāng)在粘土中時(shí)，可適當(dāng)減小。

②在貫入一定深度以后，應(yīng)對探桿進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，這樣能有效防止側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，尤其是在貫入深度達(dá)到10m以上時(shí)，應(yīng)每當(dāng)貫入深度達(dá)到20cm，就旋轉(zhuǎn)一次。

③側(cè)摩阻力和很多因素有關(guān)，如土類、土性、桿形、剛度、垂直度與觸探深度，難以采用一種修正系數(shù)來處理，而是要制定與實(shí)際情況相符合的措施來減小側(cè)摩阻力，并對貫入深度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

④錘擊的速度也會(huì)對試驗(yàn)成果造成影響，通常情況下錘擊速度按15～30擊/分鐘控制。

⑤貫入時(shí)必須保持連續(xù)，如果貫入長時(shí)間間歇，將導(dǎo)致側(cè)摩阻力增加。

⑥地下水位不會(huì)對擊數(shù)和土體力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系造成影響，但會(huì)影響到擊數(shù)和土體物理性質(zhì)之間的關(guān)系，因此應(yīng)做好對地下水位實(shí)際埋深的記錄。

3.工程實(shí)例

3.1工程概況

某工程位于貴州省黔東南州都勻市，場地位于劍江右岸Ⅰ級階地前緣，地勢平坦，視野開闊。擬建工程為10棟25～31層的商業(yè)住宅樓，設(shè)2層地下，結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu)，擬采用樁基礎(chǔ)。地表自上而下地基土層依次為：第四系全新統(tǒng)素填土（Q4ml）及沖洪積層卵石土（Q4al+pl），下伏基巖為二疊系吳家坪組（P3w）頁巖及灰?guī)r。

素填土：雜色，由黏性土、灰?guī)r塊碎石組成，軟塑～可塑狀，結(jié)構(gòu)松散，濕，塊碎石含量約40%～50%，塊徑5cm～25cm不等，場地地表均有分布，拋填，填齡1年，厚度0.8m～6.2m。

卵石土：雜色，飽和，結(jié)構(gòu)稍密，母巖主要為石英砂巖，級配差，磨圓度較高，以圓形及亞圓形為主，一般粒徑2cm～ 10cm，最大20cm，含量40%～60%，粘土及粉細(xì)砂充填，層狀分布于場地大部分區(qū)域，厚度1.2m～9.3m。

勘察期間正值雨季，地下水主要受江水補(bǔ)給，隨江水位漲落而變化，埋深介于2.8m～7.5m之間。

3.2試驗(yàn)方法

傳統(tǒng)鉆機(jī)難以在填土和卵石土中取樣，根據(jù)土的性質(zhì)，采用重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)。錘的質(zhì)量63.5kg，落距76cm，記錄每貫入10cm的錘擊數(shù)N63.5。采用自動(dòng)落錘裝置，試驗(yàn)過程中防止錘擊偏心、觸探桿傾斜和晃動(dòng)，保持觸探桿垂直度，地面上觸探桿的高度不超過1.5m；試驗(yàn)過程保持連續(xù)貫入，錘擊速率為每分鐘15～30擊；每貫入1m，將觸探桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈半，減少觸探桿側(cè)摩阻力，并保持觸探桿間的緊固[1]。本次試驗(yàn)共選取6個(gè)鉆孔進(jìn)行測試，總進(jìn)尺33.4m，記錄測試數(shù)據(jù)334組。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以確定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，為場地地基評價(jià)提供有效依據(jù)。

3.3影響因素

實(shí)際試驗(yàn)過程中影響重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)的因素比較多，主要包括：人為、設(shè)備、土的性質(zhì)、觸探深度及地下水等方面，導(dǎo)致試驗(yàn)誤差較大。

（1）人為因素

表現(xiàn)為因技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)不足，選用的動(dòng)力觸探類型不適用于待測試地基土層，導(dǎo)致貫入困難或單錘貫入量過大，影響試驗(yàn)精度?，F(xiàn)階段施工人員以農(nóng)民工為主，大多未經(jīng)過統(tǒng)一培訓(xùn)，施工個(gè)體的操作方式、落錘高度、錘擊速度、讀數(shù)量測精度、觸探桿垂直度及鉆孔質(zhì)量等均有差異。

（2）設(shè)備因素

各類型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)所用機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量、尺寸、形狀及長度等均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但在實(shí)際施工過程中，機(jī)械設(shè)備因制造工藝、撞擊、磨損及銹蝕等影響，難以滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。

（3）土的性質(zhì)

碎石土的顆粒組成對錘擊數(shù)影響大，局部的較大卵石、漂石將導(dǎo)致觸探擊數(shù)突增，離散型較大，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析時(shí)，要剔除這些異常值。土的密度、含水量、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性和超固結(jié)比等也在不同程度上影響錘擊數(shù)。軟硬土層分界處將產(chǎn)生超前、滯后現(xiàn)象，影響對地層埋藏深度判斷的準(zhǔn)確性，超前、滯后量因土層性質(zhì)的不同而變化[3]。

（4）觸探深度

鉆頭和觸探桿貫入時(shí)由于土對觸探桿側(cè)壁的摩擦作用消耗了部分能量而使觸探擊數(shù)增大，側(cè)壁摩擦的影響有隨觸探深度和土的密度增大而增大的趨勢。根據(jù)國內(nèi)外研究資料表明，觸探深度小于15m時(shí)，側(cè)壁摩擦的影響不顯著，如果土層較密、深度較大時(shí)，側(cè)壁摩擦有明顯的影響。

（5）地下水

地下水的影響與土層的粒徑和密度有關(guān)，一般的規(guī)律是顆粒越細(xì)、密度越小，地下水對觸探擊數(shù)的影響越大，而對密實(shí)的砂土或碎石土，地下水的影響就不明顯。

3.4試驗(yàn)成果與分析

本次共選取6個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，取得334組數(shù)據(jù)，按3倍標(biāo)準(zhǔn)差法（超過平均值與正負(fù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍的值）剔除異常值后得296組有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過桿長修正后，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式分析計(jì)算（見表1）。

利用觸探錘擊數(shù)隨深度的關(guān)系曲線，結(jié)合鉆探資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，劃分不同的地層。根據(jù)圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)，可以獲取不同地基土的密實(shí)度、地基承載力和其他工程性質(zhì)指標(biāo)的大小，《工程地質(zhì)手冊》（第五版）、《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009版）和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）中分別給出了相應(yīng)參數(shù)與N63.5的關(guān)系如表2～表4所示。

依據(jù)上述各表中重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)與土層物理力學(xué)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系，采用內(nèi)插法取得各土層物理力學(xué)參數(shù)如表5所示。

4.結(jié)論

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)作為勘察外業(yè)工作中的主要手段之一，對于獲取粉土、砂土、碎石土及強(qiáng)風(fēng)化層等難以直接取樣的巖土層的物理力學(xué)參數(shù)有著的重要作用。實(shí)際試驗(yàn)過程中受各種因素影響，導(dǎo)致試驗(yàn)誤差較大，再現(xiàn)性差，超前、滯后現(xiàn)象也影響著對地層劃分的準(zhǔn)確性。因此在試驗(yàn)過程中必須提高工人素質(zhì)，規(guī)范操作，根據(jù)土層性質(zhì)選用不同類型動(dòng)力觸探機(jī)械設(shè)備，減小人為試驗(yàn)誤差。結(jié)合鉆探資料及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，互相驗(yàn)證，方能更好的發(fā)揮動(dòng)力觸探試驗(yàn)的優(yōu)越性。

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