淺談重型動力觸探在填土、卵石土地基勘察中的應用

陳靖

摘要：重型動力觸探試驗廣泛應用于勘察外業工作中。采用重錘錘擊使圓錐形探頭貫入土中，記錄每灌入10cm的錘擊數，通過對錘擊數的分析處理從而獲得土層的物理力學參數。本文通過對照工程實例，分析重型動力觸探試驗在運用過程中的實用情況和作用。

關鍵詞：重型動力觸探；錘擊數；物理力學參數

1.引言

近年來，隨著城市建設的快速發展，對建設用地的需求量日漸加大。特別是地處西南的云貴川三省，受地形條件限制，為滿足工程建設需要，將形成大量的挖填方區域，而地形相對平坦的河流階地成了理想的建筑場地。對建筑場地地基土進行勘察外業工作時，由于填土和卵石土膠結差，難以通過鉆探取得原狀土樣進行室內力學試驗，因此原位測試成了獲取物理力學參數的重要手段，其中圓錐動力觸探試驗為最常用的一種原位測試方法。

2.圓錐動力觸探的原理

2.1原理

圓錐動力觸探試驗是用一定質量的落錘，以一定高度的自由落距將標準規格的圓錐形探頭打入土層中，根據探頭貫入擊數、貫入度或動貫阻力判別土層的變化，評價土的工程性質[1]，并對土進行粗略的力學分層的一種原位測試方法。根據錘擊能量與探頭形狀，將觸探試驗分為輕型、重型、超重型及標準貫入四種。主要適用于粉土、砂土、碎石土及強風化層等難以直接取樣的巖土層。具有設備簡單、操作方便、適用范圍廣及工作效率高等特點，可用于判定地基土的均勻性、探查土洞、滑動面、軟硬土層界面、巖石風化界面及檢測地基處理效果等勘探和測試雙重功能。由于地基土的復雜性及影響動力觸探試驗結果數據的因素的多樣性，利用動力觸探的試驗成果評價地基的承載力和變形模量，用一個經驗關系式很難概括不同地區的經驗的成果，目前主要是依靠各地區當地的經驗積累，以及在經驗基礎上建立的統計關系式。在室內數據統計分析階段，要求工作人員對控制機制有一定的了解，完成地基土物理力學性質的控制[2]。

2.2目的

（1）輕型動力觸探試驗

主要用于對黏性土、粉土、粉砂、細砂地基與人工地基中地基土基本性狀和處理效果進行評價，并判定地基的實際承載能力。

（2）重型動力觸探試驗

主要用于對黏性土、粉土、砂土、中密以下碎石土和人工地基及極軟巖等的地基土基本性狀和處理效果進行評價，并判定地基的實際承載能力。

（3）超重型動力觸探試驗

主要用于對密實碎石土、極軟巖及軟巖的地基土基本性狀進行評價，并判定地基的實際承載能力。

2.3設備與安裝

（1）在觸探試驗中，所用設備必須滿足以下要求：①落錘。錘重：輕型動力觸探為10kg，重型動力觸探為63.5kg，超重型動力觸探為120t。落距：輕型動力觸探為50cm，重型動力觸探為76cm，超重型動力觸探為100cm。②探頭。直徑：輕型動力觸探為40mm，重型動力觸探為74mm，超重型動力觸探為74mm。錐角：輕型、重型與超重型動力觸探均為60°。③探桿直徑。輕型動力觸探為25mm，重型動力觸探為42mm、50mm，超重型動力觸探為50mm～60mm。

（2）重型與超重型動力觸探試驗中，應將自動脫鉤裝置作為落錘。

（3）觸探桿必須保持順直，每一節桿的相對彎曲都不能超過0.5%，且絲扣保持完好，沒有裂紋。如果探頭直徑磨損超過2mm，或錐尖高度磨損超過5mm，則應及時對探頭進行更換。

2.4現場檢測

（1）試驗中所用落錘應為自由落錘，設置在地面的觸探桿，其高度應控制在1.5m以內，同時應采取有效措施避免發生側向晃動、錘擊偏心與探桿傾斜。

（2）錘擊貫入必須保持連續，對于錘擊的速率，應按照15～30擊/分鐘的范圍嚴格控制。

（3）每當貫入深度達到1m，就要對探桿進行旋轉1.5圈；在貫入深度的累積達到10m后，應在貫入20cm之后就對探桿進行一次旋轉。

（4）做好對試驗段深度及實際錘擊數等的記錄。對于輕型動力觸探，每當貫入深度達到30cm時就對錘擊數進行記錄；而對于重型和超重型動力觸探，應每當貫入深度達到10cm時就對錘擊數進行記錄。

（5）在輕型動力觸探試驗中，如果貫入深度達到30cm時對應的錘擊數超過100擊，或當貫入深度達到15cm時對應的錘擊數超過50擊，則可停止動力觸探試驗。

（6）在重型動力觸探試驗中，如果連續三次實際錘擊數超過50擊，則可停止動力觸探試驗，也可采用其他方式試驗，如鉆探與超重型動力觸探。如果在試驗中遇到硬夾層，需從硬夾層中穿過以后再予以試驗。

2.5技術要求

（1）錘擊能量是影響試驗結果準確性的重要因素，對此，可采用自動落錘，并對落距予以嚴格控制，以此保證錘擊能量達到恒定，同時要注意使探桿始終保持垂直，其偏斜度不能超出2%。在錘擊過程中，還應注意避免探桿發生晃動和產生偏心。

（2）探桿和土體之間的側摩阻力為影響試驗結果準確性的又一重要因素，對此，在實際的試驗中，可采取以下措施來盡可能減小側摩阻力：

①嚴格控制探桿的直徑，不可超過探頭直徑。以砂土為例，探頭和探桿的直徑之比應達到1.3以上，當在粘土中時，可適當減小。

②在貫入一定深度以后，應對探桿進行適當旋轉，這樣能有效防止側摩阻力的產生，尤其是在貫入深度達到10m以上時，應每當貫入深度達到20cm，就旋轉一次。

③側摩阻力和很多因素有關，如土類、土性、桿形、剛度、垂直度與觸探深度，難以采用一種修正系數來處理，而是要制定與實際情況相符合的措施來減小側摩阻力，并對貫入深度進行嚴格控制。

④錘擊的速度也會對試驗成果造成影響，通常情況下錘擊速度按15～30擊/分鐘控制。

⑤貫入時必須保持連續，如果貫入長時間間歇，將導致側摩阻力增加。

⑥地下水位不會對擊數和土體力學性質之間的關系造成影響，但會影響到擊數和土體物理性質之間的關系，因此應做好對地下水位實際埋深的記錄。

3.工程實例

3.1工程概況

某工程位于貴州省黔東南州都勻市，場地位于劍江右岸Ⅰ級階地前緣，地勢平坦，視野開闊。擬建工程為10棟25～31層的商業住宅樓，設2層地下，結構形式為框剪結構，擬采用樁基礎。地表自上而下地基土層依次為：第四系全新統素填土（Q4ml）及沖洪積層卵石土（Q4al+pl），下伏基巖為二疊系吳家坪組（P3w）頁巖及灰巖。

素填土：雜色，由黏性土、灰巖塊碎石組成，軟塑～可塑狀，結構松散，濕，塊碎石含量約40%～50%，塊徑5cm～25cm不等，場地地表均有分布，拋填，填齡1年，厚度0.8m～6.2m。

卵石土：雜色，飽和，結構稍密，母巖主要為石英砂巖，級配差，磨圓度較高，以圓形及亞圓形為主，一般粒徑2cm～ 10cm，最大20cm，含量40%～60%，粘土及粉細砂充填，層狀分布于場地大部分區域，厚度1.2m～9.3m。

勘察期間正值雨季，地下水主要受江水補給，隨江水位漲落而變化，埋深介于2.8m～7.5m之間。

3.2試驗方法

傳統鉆機難以在填土和卵石土中取樣，根據土的性質，采用重型圓錐動力觸探試驗。錘的質量63.5kg，落距76cm，記錄每貫入10cm的錘擊數N63.5。采用自動落錘裝置，試驗過程中防止錘擊偏心、觸探桿傾斜和晃動，保持觸探桿垂直度，地面上觸探桿的高度不超過1.5m；試驗過程保持連續貫入，錘擊速率為每分鐘15～30擊；每貫入1m，將觸探桿轉動一圈半，減少觸探桿側摩阻力，并保持觸探桿間的緊固[1]。本次試驗共選取6個鉆孔進行測試，總進尺33.4m，記錄測試數據334組。通過對數據的統計分析，以確定巖土體的物理力學參數，為場地地基評價提供有效依據。

3.3影響因素

實際試驗過程中影響重型動力觸探試驗數據的因素比較多，主要包括：人為、設備、土的性質、觸探深度及地下水等方面，導致試驗誤差較大。

（1）人為因素

表現為因技術人員經驗不足，選用的動力觸探類型不適用于待測試地基土層，導致貫入困難或單錘貫入量過大，影響試驗精度?，F階段施工人員以農民工為主，大多未經過統一培訓，施工個體的操作方式、落錘高度、錘擊速度、讀數量測精度、觸探桿垂直度及鉆孔質量等均有差異。

（2）設備因素

各類型圓錐動力觸探試驗所用機械設備的質量、尺寸、形狀及長度等均有相應的標準規定，但在實際施工過程中，機械設備因制造工藝、撞擊、磨損及銹蝕等影響，難以滿足標準需求，導致試驗數據產生偏差。

（3）土的性質

碎石土的顆粒組成對錘擊數影響大，局部的較大卵石、漂石將導致觸探擊數突增，離散型較大，因此在進行數據處理分析時，要剔除這些異常值。土的密度、含水量、狀態、結構強度、抗剪強度、壓縮性和超固結比等也在不同程度上影響錘擊數。軟硬土層分界處將產生超前、滯后現象，影響對地層埋藏深度判斷的準確性，超前、滯后量因土層性質的不同而變化[3]。

（4）觸探深度

鉆頭和觸探桿貫入時由于土對觸探桿側壁的摩擦作用消耗了部分能量而使觸探擊數增大，側壁摩擦的影響有隨觸探深度和土的密度增大而增大的趨勢。根據國內外研究資料表明，觸探深度小于15m時，側壁摩擦的影響不顯著，如果土層較密、深度較大時，側壁摩擦有明顯的影響。

（5）地下水

地下水的影響與土層的粒徑和密度有關，一般的規律是顆粒越細、密度越小，地下水對觸探擊數的影響越大，而對密實的砂土或碎石土，地下水的影響就不明顯。

3.4試驗成果與分析

本次共選取6個鉆孔進行試驗，取得334組數據，按3倍標準差法（超過平均值與正負3倍標準差范圍的值）剔除異常值后得296組有效數據，經過桿長修正后，采用數理統計方式分析計算（見表1）。

利用觸探錘擊數隨深度的關系曲線，結合鉆探資料和地區經驗，劃分不同的地層。根據圓錐動力觸探試驗錘擊數，可以獲取不同地基土的密實度、地基承載力和其他工程性質指標的大小，《工程地質手冊》（第五版）、《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001）（2009版）和《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）中分別給出了相應參數與N63.5的關系如表2～表4所示。

依據上述各表中重型動力觸探錘擊數與土層物理力學參數對應關系，采用內插法取得各土層物理力學參數如表5所示。

4.結論

圓錐動力觸探試驗作為勘察外業工作中的主要手段之一，對于獲取粉土、砂土、碎石土及強風化層等難以直接取樣的巖土層的物理力學參數有著的重要作用。實際試驗過程中受各種因素影響，導致試驗誤差較大，再現性差，超前、滯后現象也影響著對地層劃分的準確性。因此在試驗過程中必須提高工人素質，規范操作，根據土層性質選用不同類型動力觸探機械設備，減小人為試驗誤差。結合鉆探資料及當地工程經驗，互相驗證，方能更好的發揮動力觸探試驗的優越性。

參考文獻：

[1]化建新，鄭建國，等.工程地質手冊（第五版）[M].北京：中國建筑工業出版社， 2018.

[2]肖堯.動力觸探在碎石土勘察中的應用[J].低碳世界， 2015（22）： 142-143.

[3]張書文.圓錐動力觸探在實際運用中的一些探討[J].建筑知識：學術刊， 2014（B02）： 398.

[4]GB50021-2001巖土工程勘察規范（2009年版）[S].北京：中國建筑工業出版社， 2009（10）： 10-13.

[5]GB50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社， 2012（03）： 12-15.