一种动力触探试验辅助装置的应用研究

车 科 锋

(京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 100000)

随着基建工程的迅猛发展，动力触探试验作为一种比较简便、快捷的原位测试方法，越来越多地用于地基承载力检测工作中。经过调研发现，传统的人工试验设备操作难度大、作业效率低、安全风险大，传统的机械试验设备工序衔接差、成本投入大。针对动力触探试验检测设备的现状，如何开发和设计新型设备是业内技术人员的关注重点及热点。

1 动力触探试验介绍

1.1 一般规定

动力触探适用于黏性土、砂类土和碎石类土，是用一定质量的穿心锤和一定的自由落距，将一定规格的圆锥形实心探头贯入土中一定深度并测计贯入过程中锤计数的测试方法。

1.2 设备介绍

动力触探分为轻型、重型和特重型。其设备类型和规格应符合表1的规定。

表1 动力触探设备类型和规格

设备探头外形尺寸应符合相关规定。探杆每米质量不宜大于7.5 kg，探杆接头外径应与探杆外径相同，探杆和接头材料应采用耐疲劳高强度的钢材。锤座直径应小于锤径1/2，并大于100 mm；导杆长度应满足重锤落距的要求，锤座和导杆总质量为20 kg～25 kg。重锤应采用圆柱形，高径比1～2。重锤中心的通孔直径应比导杆外径大3 mm～4 mm。

1.3 试验要点

1)圆锥动力触探试验应根据地区经验和其他测试方法的成果综合对比。每一地基土层的试验次数不宜少于6次。2)试验过程中应控制探杆的偏斜和侧向晃动，触探杆最大偏斜度不应超过2%。3)根据设备类型严格控制落锤的落距，确保试验结果准确可靠。4)动力触探时，应确保击入过程连续不间断进行，锤击频率控制在15 击/min～30 击/min。

2 传统动力触探设备工艺及缺点

2.1 人工设备操作工艺及缺点

试验操作工艺：动力触探试验过程中，人工扶杆来确保触探杆的垂直度，通过手握落锤扶手人力抬升落锤至落距高度松手使落锤自由下落，完成对锤座的击打，见图1。

试验操作缺点：1)施工便利性差。落锤较为笨重，以重型动力触探设备为例，落锤重量达63.5 kg，人工需提升76 cm高度来保证落距，一套设备操作需多人同时进行，狭小空间作业极为不便。2)劳动强度大、安全风险高。参与现场试验的扶杆人员和落锤提升人员必须具备多人协作作业的技能和意识，尤其落锤提升人员必须思想高度集中，提升至落距高度如何保证同时放手难度较大。由于试验要求持续不间断进行击打，作业人员极易疲劳和安全意识放松，发生安全事故的风险较大。3)作业效率低。因纯劳力操作，一般完成一个测点试验检测后，工人需时间恢复体力，导致工作效率较低。4)试验精度差。人工扶杆对探杆的偏斜和侧向晃动控制有限，探杆垂直度控制较差；受体力等不确定因素影响锤击频率难以准确控制在15 击/min～30 击/min，探杆垂直度和锤击频率对试验结果影响较大。

2.2 机械设备操作工艺及缺点

试验操作工艺：采用柴油机提供动力，人工操作卷扬机提升重锤，辅以自动脱钩装置控制落距，达到半自动化提、落锤目的，试验过程中人工扶杆确保触探杆的垂直度，见图2。

试验操作缺点：与人工设备相比，机械设备操作便利，提供了较大作业空间，锤击频率和探杆垂直度可较好控制，试验结果可靠，试验过程中的工效显著提升，但也存在以下几个显著的缺点。1)施工协调差。机械设备由动力系统、触探设备、辅助装置等组成，设备重量较大，由于施工中试验工点一般较多，且单个工点要求试验次数不少于6次，工点的转场、试验过程中的挪点均需配合吊车、装载机等大型机械，不利现场机械调配，间接影响整体施工进度。2)专业程度高。机械设备需配置一名专业操作手，一般培养一名专职、熟练的操作手需6个月时间。3)成本投入大。各类机械设备的燃油消耗导致费用偏高。4)环保效果差。消耗能源、排放CO2，不符合节能减排大趋势。

3 新型设备的设计

针对传统人工设备和机械设备存在的缺点，拟对传统人工设备进行改进，达到降低操作难度、提高工作效率、减少费用投入、确保试验精度、满足环保节能的要求，开发出三角支架配套定滑轮动力触探装置。

3.1 结构组成

如图3所示，三角支架配套定滑轮动力触探装置由架立系统、承重系统、导向系统、施力系统、固定系统等组成。其采用的主要材料为钢管、钢板、钢筋、槽钢、定滑轮、尼龙绳等。

3.2 工作原理

利用三角形稳定、定滑轮变向原理，采用支架架立传统人工设备，同时在架顶、架底辅以固定装置控制探杆垂直度，在架顶设置定滑轮辅以拉绳实现人工省力提升落锤，达到试验目的。

3.3 设备组装

1)设备组件。

架顶承重、导向圆盘以120°三等分设置10 cm短截钢筋作为支架钢管顶端承插卡扣；以180°轴线设置2处吊环，用以挂设滑轮；在三角支架系统每根钢管底部上方15 cm位置设置2个螺帽卡扣，用以架底封闭杆的承插，共计6个；在1根底部定位支撑杆及另2根底部定位支撑杆交汇处分别设置2个螺帽卡扣，共计4个，辅以L型短截钢筋承插锁定架底固杆钢梁，见图4。

2)设备安装。

设备各组件运至现场后，将架顶承重、导向圆盘置于地面，把三根50钢管分别穿入顶端圆盘上三等分的HRB400Φ20的钢筋中，将定滑轮安装在吊环上后，装置反向直立于地面安装三脚支架定位支撑杆，最后安装探杆固定钢板，用HPB300Φ20钢筋做成的L形卡扣将固定探杆钢板固定在三脚支架定位支撑杆上，保证三脚支架安装大致水平，且每个三脚支架定位支撑杆均受钢管反作用力使其牢固。支立系统安装牢固后，进行动力触探仪安装，装置平放于地面，先将探头和底截探杆分离，将探杆穿过固定探杆钢板上的探杆孔后安装中截探杆，将重力触探锤安装在中截探杆上，再加装上截探杆，使底截、中截、上截探杆连接成整体，最后通过丝扣连接底截探杆和探头，安装完成后将带有重力触探仪的动力触探重锤提升及探杆垂直装置加装拉绳立于地面上，并用小方木在钢管底部找平，完成设备安装，即可进行动力触探试验。

4 新型设备应用效益

在建京沈客运专线京冀段十标潮白河特大桥，共计155个明挖基础、挖井基础采用了新型三角支架配套定滑轮动力触探装置进行地基承载力检测，平均检测时间从传统人工设备的240 min、传统机械设备的182 min缩短至120 min，工效大大提高；施工过程无需使用任何动力机械，不消耗燃油，环保节能效果良好；经测算，采用新型设备节约燃油、机械、人工等直接成本73万元。该装置的经济、社会效益十分显著，为以后类似工程施工提供了宝贵的可借鉴经验，见图5。

5 结语

新型三角支架配套定滑轮动力触探装置，利用了三角形自稳定性能，支架稳定性好，设备操作更安全可靠；利用定滑轮将人工施力方式由抬升变为下拉，人力节省明显，操作方便简单，锤击频率易于控制；装置结构轻盈，转场、挪点无需配置吊车、装载机等大型机械配合，各组件采用手推车即可运至现场，装拆过程方便；辅助的探杆固定装置，解决了传统设备需人工扶杆的弊端，有效保证了扶杆垂直度，试验结果更为真实可靠；试验全过程无能源消耗，符合环保节能大趋势。总体来看，该装置应用是成功的，尤其是在重型动力触探试验中有较好的适用价值和推广前景。