圆锥动力触探及其试验设备分析成果

5.3.1　圆锥动力触探

圆锥动力触探适用于强风化、全风化的硬质岩石、各种软质岩石及各类土。按锤击能量，可将圆锥动力触探分为轻型、重型、超重型三种，其规格和适用土层见表5-12。其中，轻型适用于一般黏土及素填土，特别适用于软土；重型适用于砂土及碎石土；超重型适用于卵石、砾石类土。

表5-12　圆锥动力触探类型

1.试验设备

圆锥动力触探的主要部件，根据其功能不同，一般可由以下几部分组成。

（1）导向杆（包括上下导杆）。

（2）自动落锤装置。就其基本原理分为内挂式和外挂式两种。内挂式是指提引器挂住重锤顶帽的内缘而提升；外挂式是指提引器挂住重锤顶帽的外缘而提升。

（3）落锤。钢质圆柱形，其高径比一般为1∶1～1∶2，中心圆孔直径比导杆外径大3～4mm。

（4）锤座。国内常用规格为:轻型（N10）锤座直径为45mm；重型与超重型锤座直径一般认为应小于锤径的1/2，并大于100mm；

（5）触探杆。长1～1.5m。

（6）探头。结构形状见图5-19、图5-20。

此外，圆锥动力触探的试验设备还包括动力机、承重架、提升设备、起拔设备等。在设备安装时，锤座、导向杆与触探杆的轴中心必须成一直线。

图5-19　轻型圆锥动力触探试验设备　　　　　　图5-20　重型、超重型动力触探探头

1-穿心锤；2-锤垫；3-触探杆；4-圆锥头

2.试验操作要点

（1）轻型圆锥动力触探。

①先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0.3m处，然后将探头与探杆放入孔内到位，保持探杆垂直。

②将10kg的穿心锤提升到50±2cm高度，使其自由下落，将探头竖直打入土层中。

③记录每贯入30cm的锤击数N10。

④如遇密实坚硬土层，当贯入0.30m所需锤击数超过100击或贯入0.15m超过50击时，即可停止试验，N10可用贯入深度及其对应锤击数换算。

（2）重型、超重型圆锥动力触探。

①试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直进行。

②贯入时，重型穿心锤提升到76cm高度；超重型穿心锤提升到100cm高度，然后使其自由落下，将探头打入土中。

③锤击速率宜为15～30击/min。打入过程应尽可能连续，所有超过5min的间断都应在记录中予以注明。

④记录每贯入10cm的锤击数。重型为N63.5，超重型为N120。

⑤重型和超重型可以互换使用。当重型实测击数N63.5大于50击/min时，宜改用超重型；当重型实测击数N63.5小于5击/min时，不得采用超重型。

3.资料整理

（1）检查核对现场记录，整理出N10、N63.5、N120触探指标。对于重型、超重型触探击数的整理，《铁路工程地质原位测试规程》（TB10041-2003）要求进行杆长修正。

（2）绘制单孔连续圆锥动力触探锤击数与贯入深度关系曲线图或直方图。即，N10-H，N63.5-H，N120-H关系图。如图5-21为重型圆锥动力触探N63.5-H关系曲线图和直方图。

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图5-21　N_63.5-H关系图（a）N_63.5-H关系曲线图；（b）N_63.5-H关系直方图h-贯入深度；h_cr-临界深度；h_r-有效厚度

（3）根据N10-H，N63.5-H，N120-H曲线形态，结合钻探资料对地基土进行力学分层。上为硬土层，下为软土层时超前0.5～0.7m，滞后约0.2m；上为软土层，下为硬土层时，超前0.1～0.2m，滞后0.3～0.5m。

（4）计算土层的触探指标平均值。根据各孔分层的贯入指标平均值，用厚度加权平均法计算场地分层贯入指标平均值和变异系数。不间断贯入时超前滞后影响范围内的锤击数、间断贯入时临界深度以内的锤击数均不反映真实土性，不应参加统计。

（5）计算动贯入阻力q_d:

随着圆锥动力触探经验的积累，已经用动贯入阻力q_d作为触探成果指标，可采用荷兰的动力公式（5-22）进行计算:

式中:q_d——动贯入阻力，kPa；

M——落锤质量，kg；

q——圆锥探头及杆件系统（包括探头、触探杆、锤座和导向杆）的质量，kg；

H——落距，m；

A——圆锥探头截面积，cm²

e——贯入度（e＝D/N，其中D为规定贯入深度，N为规定贯入深度的击数）；

g——重力加速度，其值为9.81m/s²。

（6）绘制q_d-H曲线。

因为计算q_d的公式是建立在古典的牛顿非弹性碰撞理论（不考虑弹性变形量的损耗）基础上，故仅限于以下情况:

①贯入土中深度小于12m，贯入度e在2～50mm；

②圆锥探头及杆件系统质量与落锤质量之比（m/M）小于2。

如果实际情况与上述适用条件出入大，则计算机应慎重或用（1）～（4）的方法；若正常情况可用（5）、（6）方法，并用q_d与相应的深度H绘制q_d-H曲线，进行地基土力学分层，确定承载力特征值。

4.成果应用

（1）划分土类或土层剖面。

由圆锥动力触探击数（N10、N63.5、N120）可粗略划分土类或土层剖面。一般来说，锤击数越小，土的颗粒越细；锤击数越大，土层颗粒就越粗。在某一地区进行多次实践后，就可以建立起当地土类型与锤击数之间的关系。这种关系在锤击数与地层深度关系曲线上表现出一定的规律性。按曲线形状，考虑“超前”和“滞后”反映，将触探锤击数相近段划分为一层，按每一层的锤击数平均值，定出土层名称。

（2）在地区性的经验基础上，根据触探成果指标平均值确定砂土的孔隙比、相对密度，粉土、黏性土的稠度状态，估算土的强度、变形参数和地基土承载力（表5-13、表5-14、表5-15）以及单桩承载力，评价场地土均匀性，查明土洞、滑动面、软硬土层界面，检测地基处理效果。

表5-13　轻型圆锥动力触探确定黏性土承载力特征值单位:kPa

表5-14　轻型圆锥动力触探确定素填土承载力特征值单位:kPa

表5-15　重型圆锥动力触探确定中砂-砾砂土、碎石土承载力特征值单位:kPa

注:本表可以线性内插。《铁路工程地质原位测试规程》（TB10041-2003，J261-2003）