西安黃土新型旋轉觸探試驗研究①

劉奉銀，趙靜源，賈 凱，羅士梅

（1.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.中國有色金屬工業西安勘察設計研究院，陜西 西安 710054）

0 引言

靜力觸探試驗（Cone Penetration Test，CPT）簡稱為靜力觸探或靜探，是采用靜力將標準圓錐形探頭以一恒定速度壓入土中，利用探頭內的力傳感器，測定探頭阻力、側壁摩阻力和孔隙水壓力等參數，進而判定土層的工程性質及其分類的一種原位測試方法。1917年首先由荷蘭人開始應用靜力觸探技術，至今已有80多年的歷史［1］，其中最具有代表性的是“荷蘭深層靜力觸探”，簡稱“荷蘭錐”。作為一種日臻完善的原位測試技術，靜力觸探已經越來越多地為巖土工程技術人員所接受。我國勘測大師王鐘琦1965年首次研制成功電測靜力觸探并將其應用于勘測［2］。從那時起靜力觸探技術在我國也已有50多年的歷史。我國黃土因其特殊的結構特性在地震時發生的災害較多，如地震滑坡、震陷和液化等［3］，深入研究這些災變機理的關鍵是要搞清黃土的物理力學性質，如含水率、干密度和抗剪強度指標等，因此，應用靜力觸探研究黃土的這些參數對黃土災害的預警和治理有著重要的意義。

雖然靜力觸探技術在研究領域中已經取得了長足進展，應用成果也相當豐富，同時在生產建設中發揮了自身優點［4－6］，解決了許多實際工程遇到的困難。但在土質較為堅硬的黃土及軟巖地區中的應用還存在諸多不適應的地方。迄今為止，應用靜力觸探在上述地區開展理論研究和工程應用相對較少。究其原因，主要由于原有觸探設備在貫入能力、自重和反力等方面的限制。因為在硬質地層材料中進行觸探試驗時觸探阻力較大，從而極大地降低了觸探深度，影響測試效果，有時還會因為長時間超負荷運作造成觸探設備損耗甚至破壞。

西安理工大學的研究人員基于提高硬質地層中靜力觸探能力的目標對靜力觸探進行了深入研究，分析了靜力觸探過程中的主要影響因素，最終提出以旋轉觸探的方式代替原有觸探設備中直接壓入的思路，成功研制了新型觸探設備［7－11］。旋轉觸探儀的問世為靜力觸探試驗在硬質地層中的應用提供了硬件設備基礎，使得我們有必要也有可能來進一步研究旋轉觸探在硬質地層中的應用［9－11］。本文采用西安理工大學的旋轉觸探儀對不同含水率及不同干密度的西安黃土試樣進行試驗研究，分析含水率、干密度對錐尖阻力和扭矩的影響。

1 研究方法

1.1 土樣制備

試驗用土取自西安理工大學曲江校區，采用重塑試樣。首先配成不同含水率的土樣若干，然后根據預控制的試樣干密度計算出一個土樣所需的濕土，用專門的加載制樣設備把土料在試樣模中分十二層壓實。土樣的含水率分別配至10%、12%、14%、16%；控制土樣干密度為1.40g／cm3、1.45g／cm3、1.50g／cm3、1.55g／cm3、1.60g／cm3；試樣尺寸為200mm×200mm×240mm。

1.2 試驗方案

本次試驗采用鄭菲菲等［10］試驗確定的最優組合為旋轉速度R＝30r／min與觸探速度U＝1.0 cm／s，采用直徑為35.7mm的標準探頭，對每個含水率下不同干密度的五個試樣進行旋轉觸探試驗。在試驗過程中試樣受到的壓力按照5m埋深控制，豎向加自重應力，側向按照不同深度處土的靜止土壓力施加。試驗結果表示為錐尖阻力和扭矩隨觸探深度的變化曲線。

圖1 不同含水率下錐尖阻力隨觸探深度的變化曲線Fig.1 The relationship between probe resistance and penetration depth with different water contents.

圖2 不同含水率下扭矩隨觸探深度的變化曲線Fig.2 The relationship between torque and penetration depth with different water contents.

2 試驗成果分析

2.1 不同含水率條件下的試驗結果分析

根據前述的試驗分別整理了控制干密度為1.45 g／cm3、1.50g／cm3時不同含水率下錐尖阻力與觸探深度的關系（圖1），和扭矩與觸探深度的關系（圖2）。

從圖中可以看出錐尖阻力隨著觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩定值；不同含水率下錐尖阻力的穩定值不同，穩定錐尖阻力隨含水率的增大而減小，但并不是均勻減小的。扭矩隨觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩定值；扭矩隨觸探深度的變化與錐尖阻力隨觸探深度的變化趨勢是類似的，也是隨著含水率的增大而減小的。

從圖中我們可以看到，在錐頭逐漸進入土樣的過程中，錐尖阻力和錐尖扭矩是不斷增大的，其過程也是孔穴不斷擴張的過程，待錐頭完全進入土體，孔穴擴張半徑達到最大值時，錐尖阻力和錐尖扭矩在某一穩定值上下小范圍波動（當然該波動是其他因素的影響）。這里我們是針對其含水率與干密度對穩定錐尖阻力和錐尖扭矩進行分析，對于其他因素的影響暫不做討論。

表1是干密度為1.45g／cm3、1.50g／cm3，不同含水率條件下穩定錐尖阻力和穩定扭矩的匯總。

表1 不同含水率下穩定錐尖阻力與穩定扭矩

2.2 不同干密度條件下的試驗結果分析

根據前述試驗整理了控制含水率為12%、14%時不同干密度下錐尖阻力與觸探深度的關系如圖3，和扭矩與觸探深度的關系如圖4所示。

圖3 不同干密度下錐尖阻力隨觸探深度的變化曲線Fig.3 The relationship between probe resistance and penetration depth with different dry bulk densities.

圖4 不同干密度下錐尖扭矩隨觸探深度的變化曲線Fig.4 The relationship between probe torque and penetration depth with different dry bulk densities.

從上圖中可以看出錐尖阻力隨著觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩定值；不同干密度下錐尖阻力的穩定值不同，穩定錐尖阻力隨干密度的增大而增大。扭矩隨觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩定值；扭矩隨干密度的增大而增大，這與錐尖阻力隨干密度的變化趨勢是相類似的。

表2是在這兩級含水率條件下不同干密度的穩定錐尖阻力和穩定扭矩的匯總。

表2 不同干密度下穩定錐尖阻力與穩定扭矩

3 結論

（1）對于試驗研究的土類，錐尖阻力和扭矩隨著觸探深度的增加而增大，最后達到一個穩定值；

（2）在試驗范圍內，錐尖阻力與扭矩隨含水率的增大而減小，隨干密度增大而增大；

（3）這些試驗結果不僅能分析上述定性規律，還將為旋轉觸探試驗定量確定土層物理力學性質及合理劃分地層，提供定量依據。

［1］孟高頭.土體原位測試機理方法及其工程應用［M］.北京：地質出版社，1997.

［2］徐金明，劉紹峰.巖土工程實用原位測試［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［3］徐舜華，王蘭民，孫軍杰，等.含水量對黃土震陷性定量影響研究［J］.西北地震學報，2010，32（1）：31－35.

［4］劉祖典.黃土力學與工程［M］.西安：陜西科學技術出版社，1997.

［5］黃興鵲.無電纜全自動連續貫入靜力觸探試驗［J］.巖土工程界，2003，6（6）：75－77.

［6］徐超，石振明，高彥斌，等.巖土工程原位測試［M］.上海：同濟大學出版社，2005.

［7］毛玉坤，劉奉銀，李寧，等.CPT理論分析及提高觸探能力的新思路［J］.西北地震學報，2007，29（1）：40－44.

［8］毛玉坤.旋轉觸探的阻力影響因素研究與儀器研制［D］.西安：西安理工大學，2007.

［9］羅士梅.新型旋轉觸探儀在堅硬黃土中應用的試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2008.

［10］鄭菲菲.堅硬黃土新型旋轉觸探試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2009.

［11］趙靜源.西安黃土旋轉觸探參數與土性指標關系的試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2011.