圆锥动力触探试验的基本原理与试验方法

圆锥动力触探试验的基本原理与试验方法

摘要：本文从圆锥动力触探的原理、应用入手，以工程实例分析动力触探数值常常偏大的原因及处理办法，

实现动力触探成果与地基土力学参数之间合理的转换关系，以推进对圆锥动力触探试验在岩土工程勘察中更好、更准确地应用。

关键词：勘查技术；圆锥动力触探；试验研究；锤击数；应用技巧

Abstract:Based on the principle of cone dynamic penetration test，a reasonable relationship between the

dynamic penetration test results and the parameters of foundation soil mechanics is presented through analyzing the reason why dynamic penetration test results are often much larger than their normal values. Therefore, the cone dynamic penetration tests could be better applied to geotechnical engineering exploration.

Key words: exploration technology; cone dynamic penetration test; experimental research; the number of

hammering (numerical result); application skills

1.前言：

圆锥动力触探( D P T) 是利用一定的锤击动能，将一定规 格的圆锥探头打入土中， 根据每打入土中一定深度的锤击数( 或动贯入阻力) 判别土层的变化，确定土的工程性质，对地基土进行岩土工程评价的一种原位测试方法。国外使用的动力触探种类繁多，国内按其锤击能量划分为轻型( N ) 、中型( N ) 、重型( N6 3 ~ ) 、超重型( N- ∞ ) 等 4种类型的动力触探。

2.圆锥动力触探试验

2.1圆锥动力触探测试(DPT)

利用一定质量的落锤，以一定高度的自由落距将标准规格的圆锥形探头打入土层中，根据探头贯入的难易程度（可用贯入度、锤击数或探头单位面积动贯入阻力来表示）判定土层性质。简称动力触探或动探。

2.2技术特点

（1）可以获得地基土的物理力学性质指标； （2）判定地基土的均匀性；

（3）具有钻探和测试的双重功能。

2.3圆锥动力触探测试的优点：

（1）设备简单，坚固耐用； （2）操作及测试方法容易；

（3）适用性广；

（4）快速，经济，能连续测试土层；

（5）有些动力触探，可同时取样，观察描述； （6）经验丰富，使用广泛。 2.4圆锥动力触探的类型 类型 落锤的质量/kg 锤 落距/cm 探直径/mm 头 锥角 探杆直径/mm 指标 轻型 10 50 40 60 25 重型 63.5 76 74 60 42 超重型 120 100 74 60 50~60 贯入30cm的锤击数贯入10cm的锤击数贯入10cm的锤N10 N63.5 击数N120

3.圆锥动力触探试验基本原理

动力触探的基本原理，可用能量平衡法来

分析[1~2]。动力触探能量平衡模型如图 1 所示。按能量守恒原理，一次锤击作用下的功能转换，其关系可写成：

Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee （1）

式中：Em为穿心锤下落能量；Ek 为锤与触探器碰撞时损失的能量；Ec为触探器弹性变形所消耗的能量；Ef 为贯入时用于克服探杆侧壁的摩阻力所耗的能量；EP 为由于土的塑性变形而消耗的能量；Ee 为由于土的弹性变形而消耗的能量。

(2)通过一系列的假定，可得出土的动贯入阻力 Rd的表达公式（2），该式亦称荷兰动力公式： 2 M gh

Rd(kPa) m e ( M ) A （2）

式中：e 为贯入度(单位：mm)，即每击的贯入深度e＝Δs／n；Δs 为每贯入一阵击的深度(单位：mm)；n 为相应的一阵击锤击数； A 为圆锥探头底面积(单位：㎡)。

荷兰公式(2)是建立在古典牛顿碰撞理论基础之上的，而且还假定，对于绝对非弹性碰撞，完全不考虑弹性变形能量的消耗。所以在应用动贯入阻力计算公式时，应考虑下列条件限制：①每击贯入度在 0.2~5.0 cm 之间；②贯入的深度一般不超过 12 cm； ③触探器质量m与落锤

质量M之比不大于2。 荷兰公式是目前国内外应用最广泛的动贯入阻力计算公式，我国《岩土工程勘察规范》和水利电力部《土工试验规程》的条文说明中都推荐该公式。

从式(2)中可知，对于同一种设备，M、m、h、A 等为常数，在测试Δs深度内，动贯入阻力与锤击数 n 呈正比关系，故可用锤击数来测定地基土的工程性质。虽是从荷兰公式中可以由动力触探锤击数直接求取带有量纲的动贯入阻力 Rd，但由于本理论公式的假定甚多，再加上碎石土的不均匀性及地基土受力机制的复杂性，所求动阻力仍然是不可靠的，即使在同一层地基土中，亦无可比性。

4.圆锥动力触探试验的试验方法

4.1轻型动力触探

（1）先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0.3m处，然后对土层进行连续触探； （2）试验时，穿心锤落距为0.50±0.02m，记录每打入0.30m所需的锤击数； （3）如想取样，则需把触探杆拔出，换钻头进行取样。 （4）用于触探深度小于4m的土层。

4.2重型、超重型动力触探

（1）试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直地进行。垂直度的最大偏差不得超过2%； （2）贯入时应使穿心锤自由落下。地面上的触探杆的高度不宜过高，以免倾斜与摆动太大； （3）锤击速率宜为每分钟15~30击；

（4）及时记录每贯入0.10m所需的锤击数；

（5）对于一般砂、圆砾和卵石，触探深度不宜超过12~15m；超过该深度时，需考虑触探杆的侧壁摩阻的影响；

（6）每贯入0.1m所需锤击数连续三次超过50击时，应停止试验。

54634

4524060

258416。6074。6040轻型动力触探仪（单位：mm）

90385

140

1－穿心锤；2—钢砧与锤垫；3－触探杆； 重型、超重型动力触探探头（单位：mm） 4－圆锥探头；5－导向杆

5.测试精度影响因素

5.1设备因素

（1）穿心锤的形状和质量； （2）探头的形状和大小；

（3）触探杆的截面尺寸、长度和质量； （4）导向锤座的构造及尺寸； （5）所用材料的材型及性能。

5.2人为因素

（1）落锤的高度、锤击的速度和操作方法； （2）读数量测方法和精度；

（3）触探孔的垂直程度、探杆的偏斜度 （4）钻孔的护壁、清孔清孔

5.3其他因素

（1）土的性质 （2）触探深度 （3）地下水

6.结论

圆锥动力触探是利用一定的锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打入土中的阻力大小判别土层的变化，对土层进行力学分层，并确定土层的物理力学性质，对地基土做出工程地质评价的测试方法。此法能清楚地反映不同地层的物理力学性质，判断地层的密实度，准确提供设计所需地基土参数，提高勘察资料的质量，大大缩短勘察周期，降低成本，其普遍的适用性将会带来广阔的发展前景。

而圆锥动力触探的缺点是不能采样并对土进行直接鉴别描述，试验的人为误差较大，再现性差，因此规范试验方法，进一步总结试验成果与地基土的工程力学参数的关系，将会使动力触探试验的优越性得以更广泛更深入地发挥。

参考文献：

[1]王清.土体原位测试与工程勘察[M].北京:地质出版社,2006. [2]王珊.岩土工程新技术实用全书[M].长春:银声音像出版社,2004. [3]林宗元.岩土工程试验监测手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1994．

[4]中华人民共和国建设部,GB 50021-2000岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002. [ 5]孟高头.土体原位测试[ M].北京地质出版社,1992.