浅谈重型动力触探在填土、卵石土地基勘察中的应用

陈靖

摘要：重型动力触探试验广泛应用于勘察外业工作中。采用重锤锤击使圆锥形探头贯入土中，记录每灌入10cm的锤击数，通过对锤击数的分析处理从而获得土层的物理力学参数。本文通过对照工程实例，分析重型动力触探试验在运用过程中的实用情况和作用。

关键词：重型动力触探；锤击数；物理力学参数

1.引言

近年来，随着城市建设的快速发展，对建设用地的需求量日渐加大。特别是地处西南的云贵川三省，受地形条件限制，为满足工程建设需要，将形成大量的挖填方区域，而地形相对平坦的河流阶地成了理想的建筑场地。对建筑場地地基土进行勘察外业工作时，由于填土和卵石土胶结差，难以通过钻探取得原状土样进行室内力学试验，因此原位测试成了获取物理力学参数的重要手段，其中圆锥动力触探试验为最常用的一种原位测试方法。

2.圆锥动力触探的原理

2.1原理

圆锥动力触探试验是用一定质量的落锤，以一定高度的自由落距将标准规格的圆锥形探头打入土层中，根据探头贯入击数、贯入度或动贯阻力判别土层的变化，评价土的工程性质[1]，并对土进行粗略的力学分层的一种原位测试方法。根据锤击能量与探头形状，将触探试验分为轻型、重型、超重型及标准贯入四种。主要适用于粉土、砂土、碎石土及强风化层等难以直接取样的岩土层。具有设备简单、操作方便、适用范围广及工作效率高等特点，可用于判定地基土的均匀性、探查土洞、滑动面、软硬土层界面、岩石风化界面及检测地基处理效果等勘探和测试双重功能。由于地基土的复杂性及影响动力触探试验结果数据的因素的多样性，利用动力触探的试验成果评价地基的承载力和变形模量，用一个经验关系式很难概括不同地区的经验的成果，目前主要是依靠各地区当地的经验积累，以及在经验基础上建立的统计关系式。在室内数据统计分析阶段，要求工作人员对控制机制有一定的了解，完成地基土物理力学性质的控制[2]。

2.2目的

（1）轻型动力触探试验

主要用于对黏性土、粉土、粉砂、细砂地基与人工地基中地基土基本性状和处理效果进行评价，并判定地基的实际承载能力。

（2）重型动力触探试验

主要用于对黏性土、粉土、砂土、中密以下碎石土和人工地基及极软岩等的地基土基本性状和处理效果进行评价，并判定地基的实际承载能力。

（3）超重型动力触探试验

主要用于对密实碎石土、极软岩及软岩的地基土基本性状进行评价，并判定地基的实际承载能力。

2.3设备与安装

（1）在触探试验中，所用设备必须满足以下要求：①落锤。锤重：轻型动力触探为10kg，重型动力触探为63.5kg，超重型动力触探为120t。落距：轻型动力触探为50cm，重型动力触探为76cm，超重型动力触探为100cm。②探头。直径：轻型动力触探为40mm，重型动力触探为74mm，超重型动力触探为74mm。锥角：轻型、重型与超重型动力触探均为60°。③探杆直径。轻型动力触探为25mm，重型动力触探为42mm、50mm，超重型动力触探为50mm～60mm。

（2）重型与超重型动力触探试验中，应将自动脱钩装置作为落锤。

（3）触探杆必须保持顺直，每一节杆的相对弯曲都不能超过0.5%，且丝扣保持完好，没有裂纹。如果探头直径磨损超过2mm，或锥尖高度磨损超过5mm，则应及时对探头进行更换。

2.4现场检测

（1）试验中所用落锤应为自由落锤，设置在地面的触探杆，其高度应控制在1.5m以内，同时应采取有效措施避免发生侧向晃动、锤击偏心与探杆倾斜。

（2）锤击贯入必须保持连续，对于锤击的速率，应按照15～30击/分钟的范围严格控制。

（3）每当贯入深度达到1m，就要对探杆进行旋转1.5圈；在贯入深度的累积达到10m后，应在贯入20cm之后就对探杆进行一次旋转。

（4）做好对试验段深度及实际锤击数等的记录。对于轻型动力触探，每当贯入深度达到30cm时就对锤击数进行记录；而对于重型和超重型动力触探，应每当贯入深度达到10cm时就对锤击数进行记录。

（5）在轻型动力触探试验中，如果贯入深度达到30cm时对应的锤击数超过100击，或当贯入深度达到15cm时对应的锤击数超过50击，则可停止动力触探试验。

（6）在重型动力触探试验中，如果连续三次实际锤击数超过50击，则可停止动力触探试验，也可采用其他方式试验，如钻探与超重型动力触探。如果在试验中遇到硬夹层，需从硬夹层中穿过以后再予以试验。

2.5技术要求

（1）锤击能量是影响试验结果准确性的重要因素，对此，可采用自动落锤，并对落距予以严格控制，以此保证锤击能量达到恒定，同时要注意使探杆始终保持垂直，其偏斜度不能超出2%。在锤击过程中，还应注意避免探杆发生晃动和产生偏心。

（2）探杆和土体之间的侧摩阻力为影响试验结果准确性的又一重要因素，对此，在实际的试验中，可采取以下措施来尽可能减小侧摩阻力：

①严格控制探杆的直径，不可超过探头直径。以砂土为例，探头和探杆的直径之比应达到1.3以上，当在粘土中时，可适当减小。

②在贯入一定深度以后，应对探杆进行适当旋转，这样能有效防止侧摩阻力的产生，尤其是在贯入深度达到10m以上时，应每当贯入深度达到20cm，就旋转一次。

③侧摩阻力和很多因素有关，如土类、土性、杆形、刚度、垂直度与触探深度，难以采用一种修正系数来处理，而是要制定与实际情况相符合的措施来减小侧摩阻力，并对贯入深度进行严格控制。

④锤击的速度也会对试验成果造成影响，通常情况下锤击速度按15～30击/分钟控制。

⑤贯入时必须保持连续，如果贯入长时间间歇，将导致侧摩阻力增加。

⑥地下水位不会对击数和土体力学性质之间的关系造成影响，但会影响到击数和土体物理性质之间的关系，因此应做好对地下水位实际埋深的记录。

3.工程实例

3.1工程概况

某工程位于贵州省黔东南州都匀市，场地位于剑江右岸Ⅰ级阶地前缘，地势平坦，视野开阔。拟建工程为10栋25～31层的商业住宅楼，设2层地下，结构形式为框剪结构，拟采用桩基础。地表自上而下地基土层依次为：第四系全新统素填土（Q4ml）及冲洪积层卵石土（Q4al+pl），下伏基岩为二叠系吴家坪组（P3w）页岩及灰岩。

素填土：杂色，由黏性土、灰岩块碎石组成，软塑～可塑状，结构松散，湿，块碎石含量约40%～50%，块径5cm～25cm不等，场地地表均有分布，抛填，填龄1年，厚度0.8m～6.2m。

卵石土：杂色，饱和，结构稍密，母岩主要为石英砂岩，级配差，磨圆度较高，以圆形及亚圆形为主，一般粒径2cm～ 10cm，最大20cm，含量40%～60%，粘土及粉细砂充填，层状分布于场地大部分区域，厚度1.2m～9.3m。

勘察期间正值雨季，地下水主要受江水补给，随江水位涨落而变化，埋深介于2.8m～7.5m之间。

3.2试验方法

传统钻机难以在填土和卵石土中取样，根据土的性质，采用重型圆锥动力触探试验。锤的质量63.5kg，落距76cm，记录每贯入10cm的锤击数N63.5。采用自动落锤装置，试验过程中防止锤击偏心、触探杆倾斜和晃动，保持触探杆垂直度，地面上触探杆的高度不超过1.5m；试验过程保持连续贯入，锤击速率为每分钟15～30击；每贯入1m，将触探杆转动一圈半，减少触探杆侧摩阻力，并保持触探杆间的紧固[1]。本次试验共选取6个钻孔进行测试，总进尺33.4m，记录测试数据334组。通过对数据的统计分析，以确定岩土体的物理力学参数，为场地地基评价提供有效依据。

3.3影响因素

实际试验过程中影响重型动力触探试验数据的因素比较多，主要包括：人为、设备、土的性质、触探深度及地下水等方面，导致试验误差较大。

（1）人为因素

表现为因技术人员经验不足，选用的动力触探类型不适用于待測试地基土层，导致贯入困难或单锤贯入量过大，影响试验精度。现阶段施工人员以农民工为主，大多未经过统一培训，施工个体的操作方式、落锤高度、锤击速度、读数量测精度、触探杆垂直度及钻孔质量等均有差异。

（2）设备因素

各类型圆锥动力触探试验所用机械设备的质量、尺寸、形状及长度等均有相应的标准规定，但在实际施工过程中，机械设备因制造工艺、撞击、磨损及锈蚀等影响，难以满足标准需求，导致试验数据产生偏差。

（3）土的性质

碎石土的颗粒组成对锤击数影响大，局部的较大卵石、漂石将导致触探击数突增，离散型较大，因此在进行数据处理分析时，要剔除这些异常值。土的密度、含水量、状态、结构强度、抗剪强度、压缩性和超固结比等也在不同程度上影响锤击数。软硬土层分界处将产生超前、滞后现象，影响对地层埋藏深度判断的准确性，超前、滞后量因土层性质的不同而变化[3]。

（4）触探深度

钻头和触探杆贯入时由于土对触探杆侧壁的摩擦作用消耗了部分能量而使触探击数增大，侧壁摩擦的影响有随触探深度和土的密度增大而增大的趋势。根据国内外研究资料表明，触探深度小于15m时，侧壁摩擦的影响不显著，如果土层较密、深度较大时，侧壁摩擦有明显的影响。

（5）地下水

地下水的影响与土层的粒径和密度有关，一般的规律是颗粒越细、密度越小，地下水对触探击数的影响越大，而对密实的砂土或碎石土，地下水的影响就不明显。

3.4试验成果与分析

本次共选取6个钻孔进行试验，取得334组数据，按3倍标准差法（超过平均值与正负3倍标准差范围的值）剔除异常值后得296组有效数据，经过杆长修正后，采用数理统计方式分析计算（见表1）。

利用触探锤击数随深度的关系曲线，结合钻探资料和地区经验，划分不同的地层。根据圆锥动力触探试验锤击数，可以获取不同地基土的密实度、地基承载力和其他工程性质指标的大小，《工程地质手册》（第五版）、《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）（2009版）和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）中分别给出了相应参数与N63.5的关系如表2～表4所示。

依据上述各表中重型动力触探锤击数与土层物理力学参数对应关系，采用内插法取得各土层物理力学参数如表5所示。

4.结论

圆锥动力触探试验作为勘察外业工作中的主要手段之一，对于获取粉土、砂土、碎石土及强风化层等难以直接取样的岩土层的物理力学参数有着的重要作用。实际试验过程中受各种因素影响，导致试验误差较大，再现性差，超前、滞后现象也影响着对地层划分的准确性。因此在试验过程中必须提高工人素质，规范操作，根据土层性质选用不同类型动力触探机械设备，减小人为试验误差。结合钻探资料及当地工程经验，互相验证，方能更好的发挥动力触探试验的优越性。

参考文献：

[1]化建新，郑建国，等.工程地质手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社， 2018.

[2]肖尧.动力触探在碎石土勘察中的应用[J].低碳世界， 2015（22）： 142-143.

[3]张书文.圆锥动力触探在实际运用中的一些探讨[J].建筑知识：学术刊， 2014（B02）： 398.

[4]GB50021-2001岩土工程勘察规范（2009年版）[S].北京：中国建筑工业出版社， 2009（10）： 10-13.

[5]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社， 2012（03）： 12-15.