輕型動力觸探儀評價地基承載力的應用

楊蘭 YANG Lan；馬小平 MA Xiao-ping；吳瑜 WU Yu

（銀川能源學院，銀川 750001）

0 引言

在建筑工程中，結構上部荷載通過基礎傳遞與地基，所以要求地基具有一定的承載力。當地基承載力達到極限或超過時，地基將發生破壞，直接導致建筑物的不穩定、沉降或損壞。地基土的類型、結構、含水量、密度、顆粒大小等直接影響地基承載力，除此之外，建筑物的設計、基礎尺寸、埋置深度、荷載分布等亦會影響地基承載力。

地基承載力的檢測是建筑工程中至關重要的一環，經常通過地質勘察、土的抗剪強度指標、現場試驗、室內試驗、理論公式、計算分析等方法及經驗確定，其中現場試驗有載荷試驗、標準貫入試驗、動力觸探和旁壓試驗，室內試驗有土樣試驗與重塑土試驗。不同檢測方法適用條件不同，在實際工程中，為提高檢測結果的準確性往往多種方法結合進行綜合評價。各檢測方法優缺點及適用條件如表1 所示。

表1 地基承載力檢測方法及優缺點

1 動力觸探儀法測地基承載力

地基承載力中原位測試可靠性較高，而原位測試中動力觸探儀檢測法最為常用。動力觸探儀法測地基承載力是通過一定錘擊的能量將圓錐探頭打入土中，在觸探過程中，探頭受到土體阻力，根據貫入錘擊數結合貫入土層的深度判斷土層的類別和地基土工程性質，從而對地基土壤承載力、變形模量等工程性質做出綜合評價。動力觸探儀在工程中適用范圍較廣，尤其是淺基礎工程中，為確保地基的穩定性，重型動力觸探儀可以檢測地基土的夯實程度；為給結構工程基礎設計提供依據，輕型動力觸探儀可快速準確地檢測地基承載力和變形模量、基底是否存在軟弱下臥層、土層的厚度和成層層序等；通過動力觸探，亦可對土體中的干裂縫、裂隙、擾動等危害進行診斷。

動力觸探儀根據錘重可分為輕型、重型和超重型三種。超重型動力觸探法適用范圍較廣，尤其是密實砂卵石層、密實碎石土等地層。由于其具有較高的錘擊能量，能夠快速深入地層的較深處，獲取更準確的地基承載力數據。在基礎工程設計階段，可快速準確地評估地基土層的承載能力，為地基處理方案提供設計依據；在路堤施工過程中，可檢測填筑材料的壓實度和承載能力；在勘察過程中，可探測地下土層的分布情況及其物理力學性質；在地基處理中可評估處理效果是否滿足設計要求等。然而，對于砂類土、卵石層等地層，超重型動力觸探儀因其較高的能量可能會導致探頭過度貫入，影響數據的準確性。

重型動力觸探儀適用于深層土層和較密實的土層，在地基承載力檢測方面發揮著重要的作用。重型動力觸探由于錘擊動能大，能夠快速穿透不同密實度的土層，檢測效率較高，可較準確地評估地基土的承載力和工程性質。但是錘重較大，設備較為笨重，適用空間受限，且對操作人員體力、技術要求較高，需要與其他地質勘察方法結合使用。

輕型動力觸探儀主要用于檢測淺基礎地基的承載力和變形模量，其錘重和最大貫入深度相對較小。廣泛應用于建筑工地、道路、橋梁、港口等領域，特別是在換填地基、粘性土、粉土、粉砂、細砂等地質條件下，具有較高的準確性和可靠性。

2 地質構造及場區地層

本次試驗選取的場地為銀川能源學院王太校區西南角區域，該位置行政區劃屬銀川市永寧縣，東鄰京拉線，場地現狀較為起伏。勘察場區位于銀川平原的中部，銀川平原位于賀蘭山褶皺帶與鄂爾多斯地臺之間，是在喜馬拉雅造山運動期間形成的“銀川地塹”。這個地塹長約170 公里，寬約50 公里，向北東方向延伸。由于新構造運動的活躍，該地區經歷了多次構造運動，導致活動斷裂的發展，歷史上地震活動頻繁。盡管銀川地塹相對下降，形成了廣闊的湖盆，并在第三紀接受了大量的碎屑沉積物，但銀川平原的基底沿賀蘭山走向分布的次生斷裂帶至今未發現活動痕跡，也未對建筑物構成直接威脅。地勘報告顯示，銀川平原的第四系土層厚度約為1600m，土層穩定、密實且均勻，因此可以認為該區域的工程地質條件是穩定的。這一地區的地質穩定性為工程建設提供了良好的基礎，減少了因地質活動導致的潛在風險。

本場區在地貌上屬黃河沖積平原Ⅱ級階地，無不良工程地質作用。場區地層自上而下為人工填土、第四系沖、湖積相黏性土、粉土和砂土層。擬建建筑物地基可采用輕型動力觸探儀初步檢測，本次檢測時挖除上部素填土及雜填土，檢測粘性土層，判斷黏性土層地基承載力是否滿足設計要求。

3 輕型動力觸探儀測地基承載力

3.1 試驗設備

輕型動力觸探儀，由圓錐探頭、探桿、穿心錘三部分組成，探桿頂端裝備了圓錐形的探頭，并與穿心錘相連。操作時，首先確保探桿垂直，然后讓穿心錘從50cm 的高度自由落體撞擊探桿底部。每當探桿貫入土壤30cm 的深度時，記錄錘擊的次數。如果錘擊數達到每30cm100 次，或者在貫入15cm 時錘擊數超過50 次，結束試驗。本次試驗動力觸探儀技術參數如表2 所示。

表2 輕型動力觸探儀的技術參數

3.2 試驗步驟

利用動力觸探儀的錘擊功能，將一定規格的圓錐探頭打入土中，根據打入土中的阻抗大小判別土層的變化，對土層進行力學分層，并確定土層的物理力學性質，對地基土作出工程地質評價，具體內容如下：

①測試點選取。本次試驗場區共選取測試孔10 個，測點情況如表3 所示。

表3 測點情況一覽表

②儀器設備等試驗所需材料就位。

③使用輕型動力觸探儀測地基承載力特征值，使用10kg 重錘重復以50cm 高度自由下落將探頭打入地基中，錘擊速率每分宜為15～30 擊，每貫入1m，宜將探桿轉動一圈半；探頭每貫入30cm，記錄錘擊數N1；每貫入1m，宜將探桿轉動一圈半。

④遇密實堅硬土層，當N 大于100 或貫入15cm 的錘擊數超過50 時，可終止輕型動力觸探。場區內無淺埋的全新活動斷裂和發震斷裂時無需避讓。

⑤取距離以上測點2m 距離的另外兩點，重復以上實驗，得到N2、N3，每完成一次輕型觸探后，在現場及時核對所記錄的錘擊數及深度是否有錯漏，去掉不合理的特異值。

⑥統計得到該測點本層土的錘擊數平均值N10。

⑦根據錘擊數平均值N10，利用《工程地質手冊》第五版和《鐵路工程地質原位測試規程》TB 100182018 中推薦的粘性土與地基承載力之間的關系，初步研判每層土的地基承載力。

4 試驗結果及分析

4.1 輕型動力觸探結果

本次試驗場區共選取測試孔10 個，在每個測試孔2m距離選定另外兩點，重復實驗，得到三個點的錘擊數N1、N2、N3。在測試時，首先啟動儀器，使重錘自由落下，擊打探桿，使探頭打入土中。根據《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）不進行桿長修正，在每次重錘落下后，記錄下錘擊數和貫入深度，每打入30cm 的錘擊數即為實測錘擊數N。根據實測錘擊數N10和土的性質，判斷地基土的承載力。具體檢測數據如表4 所示。

表4 CSD1～CSD10 測試孔檢測結果

4.2 試驗分析

當觸探深度小于4m 時可采用輕型動力觸探儀測試，輕型動力觸探不僅能夠提供關于地基承載力的直接數據，還可以通過室內模型試驗和現場其它原位試驗的數據分析，進行地基土的綜合評價，進一步了解錘擊數與土層相對密實度之間的關系。此外，由于輕型動力觸探設備相對簡單、操作方便，可以通過檢測評價淺基礎地基承載力、變形模量、檢驗地基土的夯實程度及基底是否存在軟弱下臥層。

4.3 影響本次試驗的因素分析

影響輕型動力觸探的因素有很多，與本次試驗有關的因素主要有以下幾方面：①落錘的高度、錘擊速度和操作方法：本次試驗數據來源于大學生開放性實驗，試驗過程中操作人員身高、體力不同，導致落錘的高度、錘擊速度略有差別；②讀數量測方法和精度：輕型動力觸探儀每貫入30cm 記錄一次錘擊數，30cm 以桿件自帶刻度為準，當測孔周圍標高不一致時，讀測數據有差別，影響精度；③觸探孔的差異性和探桿的垂直度；④觸探桿的截面尺寸、長度和質量；⑤地基土的密實度越大，錘擊數越小、含水量、狀態、顆粒組成、結構強度、抗剪強度、壓縮性和超固結比；⑥觸探桿側壁摩擦越大，造成錘擊數偏大。

4.4 評價地基承載力

根據原位測試統計結果，參考《工程地質手冊》第五版的相關資料，對實測地基承載力可進行深度、寬度修正后參考使用。當地基承載力設計值小于200kPa 時，測試點向下0.9m 位置可滿足承載力要求。

5 結束語

作為一種快速、經濟的地基檢測手段，輕型動力觸探在土木工程領域得到了廣泛的應用。對比其它地基承載力檢測方法，當采用淺基礎時，此方式操作簡便、測試速度快，在地基基礎工程中發揮著至關重要的作用，評估地基土的密實程度和承載力，可用于初步勘察階段評價地基承載力、基礎施工前基坑驗槽過程中。在初步勘察階段，輕型動力觸探法用特定的探頭對地基土進行錘擊，通過每貫入30cm 錘擊數判斷該層土地基承載力和密實程度。在基礎施工前驗槽階段，輕型動力觸探法可以快速驗證初步勘察的結果，及時發現潛在的地質問題，如土層的不均勻性、軟弱層或空洞等，這對于確保工程的安全性和可靠性至關重要。在實際應用中，輕型動力觸探法測地基承載力的結果受到多種因素的影響，包括落錘的高度、錘擊速度、操作方法、讀數量測方法、土層的性質等。因此，為了提高測試結果的準確性和可靠性，通常需要對大量的測試數據進行統計分析，并結合室內外的其他地質和土工測試結果，如標準貫入試驗、壓縮試驗等，進行綜合評估。采用輕型動力觸探法測地基承載力可以在較短的時間內對較大面積的地基進行檢測，這對于搶抓工期、合理安排施工進度具有重要意義。同時，由于其較低的測試成本，可以在不增加太多成本的情況下，對地基進行更為頻繁的檢測，確保施工過程中的安全。在地基勘察中，不建議單一采用輕型圓錐動力觸探錘擊數N10確定地基承載力，應和其他原位測試方法綜合確定。