無纜觸探給水系統的結構設計與應用

董永剛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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無纜觸探給水系統的結構設計與應用

董永剛

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

靜力觸探是一種在鐵路工程勘察中廣泛應用的地質原位測試方法，常規測試深度淺，使其推廣受到限制。從影響觸探深度因素之一的側壁摩阻力出發，采用注入潤滑劑的方法減小探桿與孔壁之間的摩擦力。通過設計及分析，在探頭上部50cm處加設具有向上返水功能的給水結構，并進行試驗檢驗，最終實現深層觸探的目的。通過與常規測試數據對比，該結構對測試數據無影響。

靜力觸探給水系統結構設計

觸探技術是工程勘察中的一種常用手段，具有快捷、經濟、測試資料連續、可靠度高等優點，尤其適用于高速鐵路及公路這種條帶形分布、范圍寬廣的大型工程。現有觸探設備受探入深度上的限制，極大地制約了其應用領域和范圍。為解決上述問題，通過工藝研發最終實現了深層靜力觸探的目的。主要目標為：①穿透硬砂層，滿足地質要求；②與常規測試數據一致，無須進行修正。

1　設計思路

在靜力觸探測試過程中，探頭、探桿會與土層之間產生摩擦，阻礙探頭、探桿的貫入，且此摩擦力會隨著深度的增加而增大，這一規律符合一般的認識。靜力觸探設備提供的貫入力用于抵消探頭端面積的端阻力和探頭探桿周面積的摩阻力，即

T=Q+F

因為探頭的長度較短，在深孔靜探中可忽略其側壁摩擦對靜探深度的影響，此處只著重分析探桿側壁摩擦對觸探深度的影響。在遇到砂層時，摩阻力一般可達fs=300kPa，以一根1m的φ40探桿為例，探桿周面積的摩阻力為

Fs=fs×Π×d×l=300 kPa×3.14×

40 mm×1 m×10-3=37.68 kN

當觸探車提供的貫入力有37.68 kN用來抵消探桿周面積的摩阻力時，相應的觸探車就要擁有相當于3.8 t的反力來穩定設備，而這僅僅是1 m探桿所需的反力。

隨著觸探深度的加深，會給觸探車的反力系統帶來沉重的負擔。現工程中使用的觸探車的自重再加上地錨等作用，可提供的反力不超過15 t。因此，探桿側壁摩阻力對觸探深度有非常大的影響。

由上述分析可知，隨著觸探深度的增加，觸探設備提供的貫入力大部分都消耗在探桿的周面積摩擦力上，應該采取必要措施降低探桿周面積摩阻力，使觸探設備的貫入力集中到克服探頭的端面積阻力上，提高觸探設備的貫入能力。

在探頭上部加設具有返水功能的給水結構，泥漿泵通過探桿、給水結構使其潤滑劑注入孔壁與探桿之間，降低探桿與孔壁之間的摩擦力，從而增加有效貫入力。但要注意的是，此方法雖可以增加有效貫入深度，但是取得的測試數據需與常規數據要有一致性。因此，需要考慮給水結構在探頭上部的具體位置。如果給水結構的位置過于靠近探頭，在整根探桿沒有全部貫入或者加接探桿時，滲流速度大于貫入速度或者滲流速度大于加接探桿時間，潤滑劑就有可能滲透到探頭位置處，將影響測試數據的準確性；如果給水結構的位置過于遠離探頭，對降低摩擦力的效果不明顯。

為實現最大貫入深度，降低給水結構對測試數據的影響，從給水結構需要滿足的功能出發，通過設計及分析，并經過外業試驗驗證，最終驗證了給水結構的應用效果和數據的一致性。

2　給水結構設計及分析

2.1給水結構設計

給水結構應具備以下功能：(1)通過泥漿泵、探桿、出水孔注入的潤滑劑不應直接沖刷土體，避免塌孔；(2)注入到孔壁與探桿之間的潤滑劑應向上反噴，如在水壓力作用下直接向下流向探頭本體將會對測試數據造成一定影響，無法使用現有的靜力觸探規范和經驗；(3)反復上提或下壓探桿，土或砂不能堵塞出水孔，從而實現潤滑效果。設計的給水結構如圖1～圖3所示。

注：1—出水接頭；1-1軸心盲孔；1-2出水孔；1-3環形凸臺；2—擋水套；2-1環形冊槽；2-2縮徑下表面；3—存儲桿；4—探頭本體圖1　無纜觸探給水結構半剖面

圖2　圖1A部放大視圖

圖3　擋水套上行狀態示

該結構的特點：(1)在貫入過程中，潤滑劑在給水結構的作用下改變流向，潤滑劑經探桿、出水孔向上反噴到孔壁與探桿之間，保證了潤滑效果；(2)探桿上提時，給水結構中的擋水套下行，出水孔封閉，避免堵塞。

2.2確定給水結構加設位置

潤滑劑經給水結構向上流向探桿與孔壁之間，向上一定高度后泥漿或水向下滲入。在土砂層中，砂層的滲透系數相對于土層較大，水相對于泥漿阻力小，按照最不利因素考慮，設定為水在砂層中滲流。滲透系數的經驗數據見表1。

表1　滲透系數經驗數據

按潤滑劑在出水口時壓力為100 kPa，粗砂地層滲透系數為0.6 mm/s，探頭處無水的最不利情況組合，可得潤滑劑的滲透速度

要保證潤滑劑不影響觸探頭所測試地層，潤滑劑的滲透速度v潤滑劑小于靜力觸探探頭貫入速度v觸探=20 mm/s即可，因此可得

考慮一定的安全系數，初步確定在探頭50cm后增設給水結構。

3　試驗檢驗

在確定探頭后部50cm處加設給水結構的設計方案后，在多個項目中采用不同工藝進行了測試工作。結果表明，新技術的測試深度有了較大的提高。項目組在邯黃線、保稅區、空港和臨港工業區等項目中做了四組現場試驗，對靜探的干濕情況進行對比，選取有代表性的曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，加入循環水作為潤滑劑后，對觸探的參數測試沒有影響，實現了深層靜力觸探研發的目的。

圖4　空港深層靜力觸探干濕對比曲線

4　結論

(1)提出在靜力觸探貫入過程中通過給水結構采用注入潤滑劑的方法減小側壁摩阻力。

(2)從給水結構應具備的功能綜合考慮，同時進行理論分析，并考慮一定的安全系數，確定在探頭上部50cm處加設給水結構。

(3)通過外業試驗，采用此方法后測試深度有了較大的提高。

(4)通過在多個項目進行的多組干濕對比試驗，注入潤滑劑的測試數據與常規靜力觸探試驗數據基本一致，無須進行修正。

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Wireless Cone Penetration Test Water Supply System Design and Application

DONG Yonggang

2016-05-10

董永剛(1983—)，男，2008年畢業于中國地質大學(武漢)勘查技術與工程專業，工程師。

1672-7479(2016)04-0052-03

TU413

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