圓錐動力觸探和標(biāo)貫試驗(yàn)教學(xué)改革初探

程鵬，李錦輝 （哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），廣東 深圳 518055）

1 引言

圓錐動力觸探試驗(yàn)是利用一定的落錘能量將一定質(zhì)量（10kg、63.5kg、120kg）和一定規(guī)格尺寸的圓錐探頭打入土中，根據(jù)貫入30cm深的錘擊數(shù)N來對地基土做出判斷。圓錐動力觸探試驗(yàn)包括輕型動力觸探、重型動力觸探和超重型動力觸探試驗(yàn)。其結(jié)果可用于地基土的土層劃分、評價地基土的均勻性、查明土洞、滑動面及軟硬土層界面的位置，也可評價地基土的強(qiáng)度和變形參數(shù)等[1-3]。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是利用63.5kg的穿心錘從76cm高度處落下，將一定尺寸的空心貫入器貫入土中，統(tǒng)計(jì)貫入30cm深所用的錘擊數(shù)N，從而對土的工程特性做出評價。試驗(yàn)結(jié)果可用于評價地基土的物理狀態(tài)、評價場地砂土和粉土的液化等級、評價地基土的力學(xué)性能和地基承載力等[4-6]。

2 試驗(yàn)教學(xué)面臨的問題

目前國內(nèi)高校實(shí)現(xiàn)圓錐動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的教學(xué)大多有兩種方法，一是集體到工地參觀[7,8]，二是在校園內(nèi)建設(shè)野外基地進(jìn)行實(shí)踐[9,10]。無論是哪種方法都有一系列的不足和不便之處。

去工地參觀的教學(xué)方法首先存在安全隱患，數(shù)十人同去工地參觀，陪同教師只有幾名，難以保證學(xué)生的安全。其次，學(xué)生沒有動手操作的機(jī)會，僅是遠(yuǎn)距離觀察，教學(xué)效果較差。

在校園建設(shè)野外實(shí)習(xí)基地存在搬運(yùn)設(shè)備、天氣影響、數(shù)據(jù)離散性較大等問題，使得各組試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，從而使學(xué)生產(chǎn)生該試驗(yàn)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腻e誤認(rèn)識。此外，輕型、重型、超重型圓錐動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)所適用的土類均不相同。在有限的校園場地內(nèi)，很難找到適合所有試驗(yàn)類型的土質(zhì)，這對于沒有提前規(guī)劃場地的學(xué)校更是無法開展。

3 試驗(yàn)教學(xué)改革研究

教學(xué)改革共分三部分，分別針對教學(xué)手段、教學(xué)方法及教學(xué)文件。通過在室內(nèi)構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可分組操作設(shè)備進(jìn)行圓錐動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。通過進(jìn)行對比分析式教學(xué)，可以使學(xué)生更清晰地理解圓錐動力觸探試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的相同之處和二者之間的區(qū)別。將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書規(guī)范化，可讓學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范寫作的良好習(xí)慣。

3.1 在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng),分組操作設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)包括三腳架、穿心錘、探桿、電動葫蘆、模型桶、圓錐探頭或標(biāo)準(zhǔn)貫入的貫入器6部分，見圖1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)架設(shè)三腳架，并連接探桿和穿心錘，在探桿底部安裝圓錐探頭或標(biāo)準(zhǔn)貫入的貫入器。然后，我們準(zhǔn)備了多個1m～1.5m高的模型桶，在模型桶中填滿不同種類的土或碎石并適當(dāng)控制其密度，來模擬現(xiàn)場的原位土體。

讓圓錐探頭或貫入器向模型桶中貫入，便可模擬在野外才能實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)過程。由于模型桶中土體的參數(shù)可控，因此可以解決在室外試驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散性及受天氣影響等問題。每桶土中填入不同種類的土，分別對應(yīng)不同類型的試驗(yàn)，見表1。完成一種試驗(yàn)后，更換探頭，并在探頭下方放入與之對應(yīng)的模型桶進(jìn)行下一項(xiàng)試驗(yàn)。

不同種類試驗(yàn)對應(yīng)的模型桶 表1

3.2 對比分析式教學(xué)

圓錐動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)雖然是兩種不同的試驗(yàn)，但具有高度的相似性，同時在細(xì)節(jié)上又有著很多不同之處。圓錐動力觸探試驗(yàn)的貫入探頭為圓錐型實(shí)心探頭，而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的貫入器為對開管和管靴組成的中空的圓筒體。進(jìn)行對比分析式教學(xué)，可以使學(xué)生更清晰地理解二者的區(qū)別，從而避免混淆。經(jīng)課堂驗(yàn)證，將標(biāo)準(zhǔn)貫入器、輕型圓錐動探探頭和（超）重型圓錐動探探頭放在一起，學(xué)生可迅速判斷出該探頭為何種探頭并說出三者之間的區(qū)別。

3.3 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書編寫的規(guī)范化

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的文件及實(shí)驗(yàn)參考的工具，其編寫也應(yīng)遵循規(guī)范式寫作的原則。作者在編寫時，指導(dǎo)書的文字及插圖格式嚴(yán)格遵守碩博論文寫作要求，其目的一是作為全專業(yè)使用的文件，格式理應(yīng)規(guī)范；二是為了使學(xué)生受到潛移默化的影響，學(xué)生以后在完成作業(yè)報(bào)告、研究論文等時便可進(jìn)行參考。

4 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)為小組式的分組操作，每組人數(shù)在3-5人之間，配套一套試驗(yàn)系統(tǒng)和多個模型桶。具體的實(shí)驗(yàn)過程如下：

4.1 安裝貫入器

在上段探桿中安裝穿心錘，在下部探桿底部安裝對應(yīng)的貫入器，將貫入器小心放在模型桶頂部。

4.2 提錘、錘擊

用手柄控制電動葫蘆，將擊錘提升至規(guī)定高度，使錘自動脫鉤，自由下落，先打入的15cm不記錄。繼續(xù)貫入30cm，記錄每貫入10cm的錘擊數(shù)，累計(jì)記錄的錘擊數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)錘擊數(shù)N。

對于標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)，當(dāng)錘擊數(shù)超過50擊，而貫入深度仍未達(dá)到30cm時，可終止試驗(yàn)，按下式換算成標(biāo)貫擊數(shù)N[11]。

式中：Δs—實(shí)際貫入深度，cm；

n—貫入Δs深度的錘擊數(shù)。

4.3 更換探頭、模型桶,重復(fù)實(shí)驗(yàn)

將貫入器依次換成輕型、（超）重型探頭，將穿心錘依次換成對應(yīng)的擊錘，將模型桶換成對應(yīng)的模型桶，進(jìn)行輕型、重型、超重型動力觸探實(shí)驗(yàn)。輕型圓錐動力觸探記錄貫入30cm深的錘擊數(shù)N10。重型和超重型圓錐動力觸探只記錄一次貫入10c m深的錘擊數(shù)N63.5和N120[11]。

對于輕型圓錐動力觸探實(shí)驗(yàn)，當(dāng)N10>100或貫入15cm錘擊數(shù)超過50時，停止實(shí)驗(yàn)；對于重型圓錐動力觸探實(shí)驗(yàn)，當(dāng)連續(xù)三次N63.5>50時，可停止實(shí)驗(yàn)或改用超重型動力觸探實(shí)驗(yàn)[11]。

4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

①判斷碎石土的密實(shí)度

根據(jù)國家規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）4.1.6條，可采用重型圓錐動力觸探的錘擊數(shù)N63.5評定碎石土的密實(shí)度[12]。

②判斷砂土的密實(shí)度

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》（GB 50021-2001）3.3.9 條，可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)的錘擊數(shù)N判斷砂土的密實(shí)度[11]。

③判斷砂土液化程度

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定，當(dāng)飽和砂土、粉土的初步判別認(rèn)為需要進(jìn)一步液化判別時，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)判別法判斷地面下20m范圍內(nèi)土的液化[13]。因此我們可用標(biāo)準(zhǔn)貫入的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來比較標(biāo)貫錘擊N與臨界值的大小，進(jìn)而判斷所用的砂土是否屬于液化土。

5 結(jié)語

本文從圓錐動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題出發(fā)，以教學(xué)手段、教學(xué)方法及教學(xué)文件的改革為切入點(diǎn)，將原本用于野外現(xiàn)場的試驗(yàn)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)進(jìn)行分組操作，學(xué)生對圓錐動力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)有了更清晰的認(rèn)識。同時也培養(yǎng)了學(xué)生規(guī)范寫作的良好習(xí)慣，為培養(yǎng)高素質(zhì)高水平的巖土工程技術(shù)人才提供良好的基礎(chǔ)。