圓錐動力觸探和標貫試驗教學改革初探

程鵬，李錦輝 （哈爾濱工業(yè)大學（深圳），廣東 深圳 518055）

1 引言

圓錐動力觸探試驗是利用一定的落錘能量將一定質(zhì)量（10kg、63.5kg、120kg）和一定規(guī)格尺寸的圓錐探頭打入土中，根據(jù)貫入30cm深的錘擊數(shù)N來對地基土做出判斷。圓錐動力觸探試驗包括輕型動力觸探、重型動力觸探和超重型動力觸探試驗。其結果可用于地基土的土層劃分、評價地基土的均勻性、查明土洞、滑動面及軟硬土層界面的位置，也可評價地基土的強度和變形參數(shù)等[1-3]。

標準貫入試驗是利用63.5kg的穿心錘從76cm高度處落下，將一定尺寸的空心貫入器貫入土中，統(tǒng)計貫入30cm深所用的錘擊數(shù)N，從而對土的工程特性做出評價。試驗結果可用于評價地基土的物理狀態(tài)、評價場地砂土和粉土的液化等級、評價地基土的力學性能和地基承載力等[4-6]。

2 試驗教學面臨的問題

目前國內(nèi)高校實現(xiàn)圓錐動力觸探和標準貫入試驗的教學大多有兩種方法，一是集體到工地參觀[7,8]，二是在校園內(nèi)建設野外基地進行實踐[9,10]。無論是哪種方法都有一系列的不足和不便之處。

去工地參觀的教學方法首先存在安全隱患，數(shù)十人同去工地參觀，陪同教師只有幾名，難以保證學生的安全。其次，學生沒有動手操作的機會，僅是遠距離觀察，教學效果較差。

在校園建設野外實習基地存在搬運設備、天氣影響、數(shù)據(jù)離散性較大等問題，使得各組試驗結果不盡相同，從而使學生產(chǎn)生該試驗不嚴謹?shù)腻e誤認識。此外，輕型、重型、超重型圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗所適用的土類均不相同。在有限的校園場地內(nèi)，很難找到適合所有試驗類型的土質(zhì)，這對于沒有提前規(guī)劃場地的學校更是無法開展。

3 試驗教學改革研究

教學改革共分三部分，分別針對教學手段、教學方法及教學文件。通過在室內(nèi)構建試驗系統(tǒng)，學生可分組操作設備進行圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗。通過進行對比分析式教學，可以使學生更清晰地理解圓錐動力觸探試驗與標準貫入試驗的相同之處和二者之間的區(qū)別。將實驗指導書規(guī)范化，可讓學生養(yǎng)成規(guī)范寫作的良好習慣。

3.1 在實驗室構建試驗系統(tǒng),分組操作設備

試驗系統(tǒng)包括三腳架、穿心錘、探桿、電動葫蘆、模型桶、圓錐探頭或標準貫入的貫入器6部分，見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)實物圖

首先在實驗室內(nèi)架設三腳架，并連接探桿和穿心錘，在探桿底部安裝圓錐探頭或標準貫入的貫入器。然后，我們準備了多個1m～1.5m高的模型桶，在模型桶中填滿不同種類的土或碎石并適當控制其密度，來模擬現(xiàn)場的原位土體。

讓圓錐探頭或貫入器向模型桶中貫入，便可模擬在野外才能實現(xiàn)的試驗過程。由于模型桶中土體的參數(shù)可控，因此可以解決在室外試驗的數(shù)據(jù)離散性及受天氣影響等問題。每桶土中填入不同種類的土，分別對應不同類型的試驗，見表1。完成一種試驗后，更換探頭，并在探頭下方放入與之對應的模型桶進行下一項試驗。

不同種類試驗對應的模型桶 表1

3.2 對比分析式教學

圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗雖然是兩種不同的試驗，但具有高度的相似性，同時在細節(jié)上又有著很多不同之處。圓錐動力觸探試驗的貫入探頭為圓錐型實心探頭，而標準貫入試驗的貫入器為對開管和管靴組成的中空的圓筒體。進行對比分析式教學，可以使學生更清晰地理解二者的區(qū)別，從而避免混淆。經(jīng)課堂驗證，將標準貫入器、輕型圓錐動探探頭和（超）重型圓錐動探探頭放在一起，學生可迅速判斷出該探頭為何種探頭并說出三者之間的區(qū)別。

3.3 實驗指導書編寫的規(guī)范化

實驗指導書作為學生實驗預習的文件及實驗參考的工具，其編寫也應遵循規(guī)范式寫作的原則。作者在編寫時，指導書的文字及插圖格式嚴格遵守碩博論文寫作要求，其目的一是作為全專業(yè)使用的文件，格式理應規(guī)范；二是為了使學生受到潛移默化的影響，學生以后在完成作業(yè)報告、研究論文等時便可進行參考。

4 實驗過程設計

實驗為小組式的分組操作，每組人數(shù)在3-5人之間，配套一套試驗系統(tǒng)和多個模型桶。具體的實驗過程如下：

4.1 安裝貫入器

在上段探桿中安裝穿心錘，在下部探桿底部安裝對應的貫入器，將貫入器小心放在模型桶頂部。

4.2 提錘、錘擊

用手柄控制電動葫蘆，將擊錘提升至規(guī)定高度，使錘自動脫鉤，自由下落，先打入的15cm不記錄。繼續(xù)貫入30cm，記錄每貫入10cm的錘擊數(shù)，累計記錄的錘擊數(shù)為標準貫入實驗錘擊數(shù)N。

對于標準貫入實驗，當錘擊數(shù)超過50擊，而貫入深度仍未達到30cm時，可終止試驗，按下式換算成標貫擊數(shù)N[11]。

式中：Δs—實際貫入深度，cm；

n—貫入Δs深度的錘擊數(shù)。

4.3 更換探頭、模型桶,重復實驗

將貫入器依次換成輕型、（超）重型探頭，將穿心錘依次換成對應的擊錘，將模型桶換成對應的模型桶，進行輕型、重型、超重型動力觸探實驗。輕型圓錐動力觸探記錄貫入30cm深的錘擊數(shù)N10。重型和超重型圓錐動力觸探只記錄一次貫入10c m深的錘擊數(shù)N63.5和N120[11]。

對于輕型圓錐動力觸探實驗，當N10>100或貫入15cm錘擊數(shù)超過50時，停止實驗；對于重型圓錐動力觸探實驗，當連續(xù)三次N63.5>50時，可停止實驗或改用超重型動力觸探實驗[11]。

4.4 實驗數(shù)據(jù)處理

①判斷碎石土的密實度

根據(jù)國家規(guī)范《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）4.1.6條，可采用重型圓錐動力觸探的錘擊數(shù)N63.5評定碎石土的密實度[12]。

②判斷砂土的密實度

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》（GB 50021-2001）3.3.9 條，可采用標準貫入實驗的錘擊數(shù)N判斷砂土的密實度[11]。

③判斷砂土液化程度

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定，當飽和砂土、粉土的初步判別認為需要進一步液化判別時，應采用標準貫入實驗判別法判斷地面下20m范圍內(nèi)土的液化[13]。因此我們可用標準貫入的實驗結果來比較標貫錘擊N與臨界值的大小，進而判斷所用的砂土是否屬于液化土。

5 結語

本文從圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗的實驗教學中存在的問題出發(fā)，以教學手段、教學方法及教學文件的改革為切入點，將原本用于野外現(xiàn)場的試驗轉移到室內(nèi)進行分組操作，學生對圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗有了更清晰的認識。同時也培養(yǎng)了學生規(guī)范寫作的良好習慣，為培養(yǎng)高素質(zhì)高水平的巖土工程技術人才提供良好的基礎。