基于砂土的旋轉(zhuǎn)觸探試驗(yàn)研究

浦曉利

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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基于砂土的旋轉(zhuǎn)觸探試驗(yàn)研究

浦曉利

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

簡要介紹旋轉(zhuǎn)觸探技術(shù)的工作原理及靜力觸探技術(shù)的應(yīng)用，并引入破碎比功的概念。通過試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定了旋轉(zhuǎn)觸探過程中觸探速率、旋轉(zhuǎn)速度對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探測試參數(shù)的影響，同時(shí)驗(yàn)證了砂層土中比功的變化規(guī)律。

靜力觸探旋轉(zhuǎn)觸探砂土比功錐尖阻力錐頭扭矩

靜力觸探自問世以來，經(jīng)過長期的發(fā)展，得到全世界各個(gè)國家地質(zhì)勘探領(lǐng)域的重視，曾被廣泛應(yīng)用。靜力觸探試驗(yàn)是將一定規(guī)格的圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中，并測定探頭阻力等參數(shù)的一種測試方法[1]。它作為巖土工程原位測試手段的一種，具有快速、清潔、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、數(shù)據(jù)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，在我國鐵路建設(shè)初期曾得到大力推廣應(yīng)用，輝煌一時(shí)。然而因其技術(shù)本身存在的種種難題，目前已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代高速鐵路勘探深度的要求，應(yīng)用受到限制。為了更好地發(fā)揮原位測試技術(shù)的優(yōu)勢，滿足高速鐵路設(shè)計(jì)要求，鐵三院研究人員提出了旋轉(zhuǎn)觸探技術(shù)，并成功研制了旋轉(zhuǎn)觸探設(shè)備，編寫了詳細(xì)的操作規(guī)范。

旋轉(zhuǎn)觸探試驗(yàn)采用無纜靜力觸探參數(shù)采集技術(shù)，利用液壓裝置將鉆頭及測試參數(shù)傳感裝置按一定的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和貫入速度旋轉(zhuǎn)并勻速壓入土層中，同時(shí)采集和存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)貫入過程中隨觸探深度連續(xù)變化的貫入阻力、鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩、排土水壓力等參數(shù)，這些參數(shù)的變化反映了土層物理力學(xué)性質(zhì)的變化。旋轉(zhuǎn)觸探技術(shù)將鉆探與靜力觸探的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，擁有觸探原位測試數(shù)據(jù)連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠突破靜力觸探無法穿越硬層的難題，能夠滿足現(xiàn)代高速鐵路對(duì)地質(zhì)勘探深度的要求。

1　試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

旋轉(zhuǎn)觸探的工藝參數(shù)主要有貫入速度和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以及水泵給水量。這三個(gè)參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探測試地層參數(shù)存在一定的影響。

在旋轉(zhuǎn)觸探的鉆進(jìn)過程中，探桿沿觸探孔軸線做垂直貫入運(yùn)動(dòng)，同時(shí)做切削回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，貫入力與扭矩同時(shí)做功。由于采用定量水泵，給水量對(duì)測試參數(shù)有一定的影響，但較小，這里暫不考慮，那么鉆進(jìn)過程中單位時(shí)間所作的功可表示為

(1)

式中F——貫入力/N；

u——貫入速度/(m/h)；

ω——扭矩/(Nm)；

n——轉(zhuǎn)速/(rec/min)。

其中Fu為貫入力所作的功，2πωn為扭矩所作的功。

在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觸探測試參數(shù)關(guān)系研究上，引入了破碎比功的概念，即破碎單位體積地層所做的功，用e代表比功，用下標(biāo)t和r表示貫入力和扭矩所代表的比功，則有

(2)

式中F——貫入力/N；

A——錐底面積/m2；

u——貫入速度/(m/h)；

ω——扭矩/(Nm)；

n——轉(zhuǎn)速/(rec/min)。

式中A為孔口面積，即錐底面積，是常數(shù)，因此et與F成比例變化，而er的變化則由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、扭矩與貫入速度來決定。

引入變量p，該變量等于鉆頭回轉(zhuǎn)一周的進(jìn)尺。由于

(3)

則有

(4)

那么旋轉(zhuǎn)觸探的比功則為

(5)

由上式分析得：如果貫入力低于某個(gè)值，沒有發(fā)生進(jìn)尺或進(jìn)尺很小，p值則很小，er值就會(huì)很大，也就是扭矩的比功會(huì)很大，同時(shí)旋轉(zhuǎn)觸探的比功也會(huì)很大；進(jìn)尺小，表示鉆頭破碎地層的體積小。如果鉆頭大體積破碎地層，p值變大，比功則變小。

有研究表明，當(dāng)貫入阻力趨于平穩(wěn)時(shí)，ω與p呈線性關(guān)系，即ω/p為常數(shù)，那么當(dāng)鉆頭大面積破碎地層時(shí)，隨著貫入力的增大，旋轉(zhuǎn)觸探比功會(huì)逐漸增大，最后達(dá)到某個(gè)臨界值后趨于穩(wěn)定。

根據(jù)能量守恒，比功應(yīng)為定值，比功只與地層性質(zhì)有關(guān)，每種地層有特定的比功，或者每類地層有相近的比功。

為了驗(yàn)證以上結(jié)論，通過小型試驗(yàn)來進(jìn)行分析。通過本次試驗(yàn)，將實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)內(nèi)容：

(1)確定探頭下降速度對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探總錐尖阻力的影響；

(2)確定探頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探總錐尖阻力的影響；

(3)確定砂土中旋轉(zhuǎn)觸探試驗(yàn)比功的變化。

2　試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)備采用鐵三院研制的旋轉(zhuǎn)觸探設(shè)備(見圖1)、觸探多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖2)及小量程的旋轉(zhuǎn)觸探探頭傳感器(一個(gè)長50 cm，截面積為10 cm2的模擬探頭)。

旋轉(zhuǎn)觸探設(shè)備是對(duì)原有的靜力觸探車進(jìn)行改造而成，它是利用液力裝置將探頭及探桿鉆入或壓入地層中以探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種移動(dòng)式探測設(shè)備。

觸探多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是鐵三院自行研制的無纜觸探參數(shù)采集通用儀器，采用時(shí)間同步原理，進(jìn)行地上地下測試參數(shù)的同步采集、存儲(chǔ)，最終建立地下測試參數(shù)與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出觸探的數(shù)據(jù)資料。

圖1　旋轉(zhuǎn)觸探設(shè)備

圖2　觸探多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在試驗(yàn)過程中，采用的砂土試樣為重塑樣。將細(xì)砂分批均勻倒入砂桶中，逐層淋上少量的水，并用工具將其分層夯實(shí)，使試樣均勻、連續(xù)。為了在對(duì)比試驗(yàn)中保持砂土試樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)，使用同樣的方法將細(xì)砂夯實(shí)在砂桶中，并以該砂桶中的砂樣為試驗(yàn)樣品。

3　試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1貫入速度對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探總錐尖阻力的影響

圖3表示在控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30 rec/min恒定不變的條件下，不同貫入速度(2.13 cm/s，1.77 cm/s，1.19 cm/s)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)觸探錐尖阻力變化曲線，從圖3中可以看出，總錐尖阻力隨貫入速度的增大而增大。

圖3　不同貫入速度下錐頭阻力的變化

錐頭阻力隨貫入速度的增大而增大，主要是由于貫入速度加快，單位時(shí)間內(nèi)探頭的觸探深度加深，探頭進(jìn)入砂體的位移變大，砂體被迅速擠密壓實(shí)，對(duì)探頭的抵抗阻力也隨之增大。因此，錐頭阻力表現(xiàn)為隨著貫入速度的加快而增大。

3.2旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探總錐尖阻力的影響

圖4表示在控制貫入速度為3.5 cm/s恒定不變的條件下，不同旋轉(zhuǎn)速度(30 rec/min，20 rec/min，15 rec/min)對(duì)應(yīng)的總錐尖阻力變化曲線，從圖4中可以看出，錐頭阻力隨轉(zhuǎn)速的增加而減少。

圖4　不同轉(zhuǎn)速下錐頭阻力的變化

錐頭阻力隨轉(zhuǎn)速的增加而減少，主要是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削作用加劇，單位時(shí)間內(nèi)受到擾動(dòng)的砂體增加。然而，探頭下降速度保持不變，也就是單位時(shí)間內(nèi)探頭觸入砂體的位移不變，且探頭又處于擾動(dòng)砂體中，導(dǎo)致錐頭阻力減小。

3.3 砂層中旋轉(zhuǎn)觸探比功分析

(6)

那么旋轉(zhuǎn)觸探的比功

(7)

式中pr——錐頭阻力/MPa；

u——貫入速度/(m/min)；

Mr——錐頭扭矩/(Nm)；

n——轉(zhuǎn)速/(rec/min)。

將試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)代入公式(7)，計(jì)算比功并繪制成圖(如圖5所示)，從圖5中可以看出，不同旋轉(zhuǎn)速度下，比功的變化曲線基本一致，比功隨觸探深度的增加而增長，在達(dá)到一定深度后趨于穩(wěn)定。

圖5　不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)觸探比功的變化

圖6表示在控制旋轉(zhuǎn)速度為30 rec/min恒定不變的條件下，不同貫入速度(2.13 cm/s，1.77 cm/s，1.19 cm/s)對(duì)應(yīng)的砂層土中旋轉(zhuǎn)觸探比功變化曲線，從圖6中可以看出，不同貫入速度下，比功的變化曲線基本一致，比功隨觸探深度的增加而增長。

圖6　不同貫入速度下旋轉(zhuǎn)觸探比功的變化

不同轉(zhuǎn)速和不同貫入速度下的旋轉(zhuǎn)觸探比功在趨于穩(wěn)定后的大小及臨界深度稍有差別，主要原因是試驗(yàn)樣品難免有些許差異，這對(duì)最終結(jié)論并無較大影響。

4　結(jié)束語

通過本次試驗(yàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，總結(jié)出旋轉(zhuǎn)觸探技術(shù)在砂層觸探過程中，鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)觸探結(jié)果的影響：

(1)旋轉(zhuǎn)觸探過程中保持旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速一定的情況下，錐頭阻力隨貫入速度的增大而增大。

(2)旋轉(zhuǎn)觸探過程中在保持貫入速度一定的條件下，錐頭阻力隨旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加而減小。

(3)在砂層土中，不同貫入速度、不同旋轉(zhuǎn)速度下，旋轉(zhuǎn)觸探的比功相近，比功值隨觸探深度增加而增大，最終趨于穩(wěn)定，其只與砂層狀態(tài)有關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)僅就試驗(yàn)砂層模型而言，對(duì)于其他類型的地層，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。本次試驗(yàn)的結(jié)果表明，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觸探試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該以一定的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和貫入速率，采用定量泵進(jìn)行試驗(yàn)，以減小鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)觸探數(shù)據(jù)結(jié)果的影響；在旋轉(zhuǎn)觸探成果應(yīng)用中，可以通過比功法來建立靜力觸探貫入阻力與旋轉(zhuǎn)觸探測試參數(shù)的關(guān)系模型，從而將新技術(shù)與成熟的傳統(tǒng)技術(shù)聯(lián)系起來，使旋轉(zhuǎn)觸探技術(shù)得到更好的推廣應(yīng)用。

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Study of Rotary Penetration Test Based on Sand

PU Xiaoli

2016-01-22

浦曉利(1982—)，女，2008年畢業(yè)于東北大學(xué)檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0052-03

TU413.9

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