动力触探试验

第4章圆锥动力触探试验第一节概述第二节试验的基本原理第三节试验的技术要求第四节试验影响因素分析第五节试验的资料整理及应用第一节概述一、动力触探试验的定义二、动力触探试验的优点及适用性三、动力触探技术的发展四、动力触探试验的分类五、动力触探试验的目的一、动力触探试验的定义（dynamicpenetrationtest，DPT）利用一定的锤击能量，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打入土中的难易程度来判别土层工程性质的一种现场测试方法。判别指标采用的是贯入一定深度的锤击数。第一节概述二、动力触探试验的优点及适用性优点：试验设备相对简单，操作方便，适应土类较广，并且可以连续贯入。缺点：试验误差较大，再现性较差。适用土类：对难以取样的各种填土、砂土、粉土、碎石土、砂砾土、卵石、砾石等含粗颗粒的土类。三、动力触探技术的发展1.国际上动力触探的发展历史较长。最先在欧洲各国得到广泛应用，就是因为这些国家广泛分布着粗颗粒土层及冰积层，取土样比较困难，适合采用动力触探方法。2.在国内（1）50年代初由南京水利实验处引进推广。（2）至50年代后期得到普及，很多单位做了很有价值的试验研究，积累了大量的使用经验。（3）70年代制定了相应的规范，在试验设备类型上趋于统一和标准化，加快了发展进程。（4）目前，已成为我国粗颗粒土的地基勘察测试的主要手段。四、动力触探试验的分类1．国际分类1974年和1982年在欧洲召开的二次国际触探学术会议，对动力触探测试方法的统一起了推动作用。会议建议按使用穿心锤的重量（或锤击能量）的不同，将动力触探分为：轻型（≤10kg）、中型（10～40kg）、重型（40～60kg）及超重型（60kg）。2．我国分类我国《土工试验规程》（SD128－86）将动力触探分为轻型、重型、超重型三种。其规格及适用土类见表4－1。表4－1圆锥动力触探的类型及规格类型轻型重型超重型直径（mm）407474截面积（cm2）12.64343探头规格锥角（°）606060锤质量（kg）1063.5120落锤落距（cm）5076100探杆直径（mm）254250~60试验指标N贯入30cm击数N10贯入10cm击数N63.5贯入10cm击数N120主要适用土类浅部填土、砂土、粉土和粘性土砂土、中密以下的碎石土和极软岩密实和很密的碎石土、极软岩、软岩五、动力触探试验的目的1．试验成果（1）进行地基土的力学分层；（2）定性评价地基土的均匀性和物理性质（状态、密实度等）；（3）查明土洞、滑动面、软硬土层界面的位置。2．成果应用（1）评定地基土的强度和变形参数；（2）评定天然地基的承载力；（3）估算单桩承载力。第二节试验原理二、原理表述一、公式推导（1）动力触探试验的理想自由落锤能量计算M——落锤的质量（kg）；v——锤自由下落碰撞探杆前的速度（m/s）。（2）能量损失修正实际的锤击能量与理想的落锤能量不同，受落锤方式、导杆摩擦、锤击偏心、打头材质、形状、大小、杆件传输能量效率等因素的影响，要损失一部分能量，应进行修正：第二节试验的基本原理一、公式推导221MvEmEp＝e1e2e3EM或直接采用势能定义：Ep＝H×Mg（H表示落距）或近似为Ep＝0.6EMEp——平均每击传递给圆锥探头的能量；e1——落锤效率系数，对自由落锤，e1≈0.92；e2——能量输入探杆系统的传输效率系数，对于国内通用的大钢探头，e2≈0.65e3——杆长传输能量的效率系数，随杆长的增大而增大，杆长大于3m时，e3≈1。图4-1动力触探功能转换原理示意图（3）探头贯入土中所作的功h——贯入度；N——贯入度为h的锤击数。（因此，h/N表示锤击一次的贯入度）Rd——探头单位面积的动贯入阻力（J/cm2）；A——探头的截面积（cm2）。NAhRWdWEmEphH（4）能量转换与守恒根据能量转换与守恒定律，落锤的势能→锤击动能→探头做功，因此，能量平衡：（见图4－1）NAhRWEdpAsEhNAERppd（h/N＝s，表示平均每击的贯入度）pdEAhRN或二、原理表述当规定一定的贯入深度h，采用一定规格（规定的探头截面、圆锥角、重量）的落锤和规定的落距，那么锤击数N的大小就直接反映了动贯入阻力Rd的大小，即直接反映被贯入土层的密实程度和力学性质。因此，实践中常采用贯入土层一定深度的锤击数作为圆锥动力触探的试验指标。第三节仪器设备、试验方法及技术要求一、仪器设备二、试验方法三、技术要求一、仪器设备1．轻型动力触探包括导向杆、穿心锤、锤垫、探杆和圆锥探头五部分，见图4-2。重锤的提升有人力和机械两种。第三节试验技术要求2．重型动力触探重型、超重型设备与轻型设备相似，只是在尺寸和重量上有差别。另外，重型动探试验一般都采用自动落锤方式，在锤上增加了提引器。提引器可分为内挂式和外挂式两种。（1）内挂式提引器：利用导杆的颈缩，使提引器内的活动装置（钢珠、偏心轮或挂钩）发生变位，完成挂锤、脱钩及自由落锤的过程。（2）外挂式提引器：利用上提力完成挂锤，靠导杆顶端所设弹簧锥或凸块强制挂钩张开，使重锤自由落下。二、试验方法（1）将穿心锤穿入带钢砧与锤垫的触探杆上；（2）将探头及探杆垂直地面放于测试地点；（3）提升穿心锤至预定高度，使其自由下落撞击锤垫，将探头打入土中；（4）记录每贯入30cm（或10cm）的锤击数；（5）重复上述步骤，直至预定试验深度。三、技术要求1．为确保恒定的锤击能量，应采用固定落距的自动落锤装置。2．锤击时应保持探杆的垂直，锤击过程应防止锤击偏心、探杆歪斜和探杆侧向晃动。因此，要求探杆连接后的最初5m最大偏斜度不应超过1％，大于5m后的最大偏斜度不应超过2％。每贯入1m，应将探杆转一圈半，使触探能保持垂直贯入，并减少探杆的侧阻力。贯入深度超过10m后，每贯入0.2m即旋转一次。3．每一触探孔应连续贯入，只是在接探杆时才允许停顿。4．对轻、重型圆锥动力触探N10、N63.5正常范围是3~50击，对超重型N120的正常范围是3～40击。当击数超过正常范围，如遇软粘土层，可记录每击的贯入度；如遇硬土层，可记录一定击数下的贯入度。5．当N1050即可停止试验；当N63.550，可停止试验改用超重型试验。6．我国一般采用贯入锤击速率为15～30击/min。7．贯入深度的一般限制：对轻型，一般应4m，主要用于测试并提供浅基础的地基承载力参数；检验建筑物地基的夯实程度；检验建筑物机槽开挖后，基底以下是否存在软弱下卧层等。重型12~15m，超重型20m，超过此深度应考虑侧壁摩阻力的影响。主要用于查明地层在垂直方向和水平方向上的均匀程度。第四节影响成果的主要因素二、杆侧摩擦的影响一、杆长的影响三、上覆压力的影响一、杆长修正第四节试验影响因素分析对杆长的影响，我国各个领域的规范或规程不尽相同。（1）《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001），对动力触探试验指标均不进行杆长修正。（2）铁道部行业标准《铁路工程地质原位测试规程》（TB10041-2003），规定需进行杆长修正。因此，在进行成果整理时，应根据岩土参数与动力触探指标之间的经验关系式时的具体条件，决定是否对试验指标进行杆长修正。采用牛顿碰撞理论，建立杆长修正公式：N=αN’可以对重型、超重型动力触探结果进行修正。N——经修正后的圆锥动力触探锤击数；N’——实测的圆锥动力触探锤击数。表4-2，4-3分别给出了重型、超重型动力触探试验结果的杆长修正系数。表4-2N63.5的杆长修正系数表4-3N120的杆长修正系数二、杆侧摩擦的影响（1）中密-密实砂土，尤其在地下水位以上，由于探头直径比探杆直径大，可不考虑侧壁摩擦；（2）软粘土和有机土，侧壁摩擦对击数有重要影响。（3）在一般土层条件下，重型触探在深度15m范围内，超重型触探在20m深度范围内，可不考虑侧壁摩阻的影响。在此深度之外，可采用泥浆或加套管以消除侧壁摩阻的影响。三、上覆压力的影响随着贯入深度的增加，土的有效上覆压力和侧压力都会增加。实验也表明，上覆压力对触探贯入阻力的影响也是显著的。但对于一定相对密实度的砂土，上覆压力对圆锥动力触探试验结果存在一个“临界深度”，即锤击数在此深度范围内随着灌入深度的增加而增大，超过此深度后，锤击数趋于稳定，并且临界深度随着相对密度和探头直径的增加而增大。对于一定密度组成的砂土，动力触探击数N与相对密度Dr和有效上覆压力σ’v存在着一定的相关关系，即：N/Dr2=a+bσ’v式中，a，b为经验系数，随砂土的粒度组成变化。或者采用标贯试验深度影响修正公式：N63.5=CNN’63.5CN=1-1.25lgσ’vCN——修正系数；N63.5——修正后的击数；N’63.5——实测的击数；σ’v——实测N’63.5处土的有效上覆压力。第五节试验资料整理与成果应用二、成果的工程应用1.评定地基土的状态或密实程度2.确定地基土的承载力3.估算地基的变形模量E04.预估单桩承载力一、试验资料的整理与分析1.绘制动力触探曲线2.划分土层界限3.计算各层的击数平均值一、试验资料的整理与分析第五节试验资料整理1．绘制动力触探N—h或N’—h曲线图绘制锤击数沿深度的变化曲线，不论是实测的N还是修正的N’，处理方法都相同。以锤击数为横坐标，贯入深度为纵坐标。对轻型动力触探按每贯入30cm的击数绘制N10—h曲线，重型动力触探每贯入10cm的击数绘制N63.5—h曲线或N’63.5—h曲线。2．划分土层界限划分力学分层的原则：考虑动贯入阻力在土层变化附近的“超前反应”。超前反应指的是当探头从软层进入硬层或从硬层进入软层之前，动贯入阻力就已感知土层的变化，提前变大或变小，反应的范围约为探头直径的2~3倍。实际中可以这样处理：当击数由小变大（软层进入硬层）时，分层界限可选在软层最后一个小值点以下2~3倍探头直径处；当击数由大变小（硬层进入软层）时，分层界限可选在软层第一个小值点以上2~3倍探头直径处。3．计算各层的击数平均值按单孔统计各层贯入指标平均值及变异系数，用厚度加权平均法计算。统计时，应剔除个别异常点，且不包括“超前”和“滞后”范围的测试点。二、成果的工程应用1．评定地基土的状态或密实程度根据我国《建筑地基基础设计规范》（GBJ50007-2002），可采用重型圆锥动力触探的锤击数N63.5评定碎石土的密实度，见表4-4。锤击数N63.5密实度N63.5=5松散5N63.5=10稍密10N63.5=20中密N63.5=20密实注：（1）本表适用于平均粒径小于50且最大粒径不超过100mm的卵石、碎石、圆砾、角砾。（2）表内N63.5为修正后的平均值。表4-4碎石土的密实度2．确定地基土的承载力利用动力触探的试验成果评价地基的承载力和变形模量，主要是依靠当地的经验积累，以及在经验基础上建立的统计关系是。我国原来的《建筑地基基础设计规范》（GBJ7—89）曾以附表的形式给出采用动力触探锤击数估算地基土承载力基本值的有关成果，但在新规范中（GBJ50007—2002）中删去了，主要原因是用一个经验关系式很难概括不同地区的经验和成果。（1）用N10估计粘性土和素填土的承载力标准值，见表4-5。（2）用N63.5估计中、粗、砾砂及碎石土的承载力标准值，见表4-6。（3）用N120估计碎石土的承载力标准值，见表4-7。（原水利电力部试验规程）土类粘性土素填土N101520253010203040fk（kPa）10514519023085115135160土类中、粗、砾砂土碎石土N63.53456810345681012fk（kPa）120150200240320400140170200240320400480N12034568101214=16fk（kPa）250300400500640720800850900表4-5N10估计粘性土和素填土的承载力标准值表4-6N63.5估计中、粗、砾砂及碎石土的承载力标准值表4-7N120估计碎石土的承载力标准值3．估算圆砾、卵石土地基的变形模量E0铁道部第二设计院基于在四川、东北、广西、