一種動力觸探試驗輔助裝置的應用研究

車 科 鋒

(京沈鐵路客運專線京冀有限公司，北京 100000)

隨著基建工程的迅猛發展，動力觸探試驗作為一種比較簡便、快捷的原位測試方法，越來越多地用于地基承載力檢測工作中。經過調研發現，傳統的人工試驗設備操作難度大、作業效率低、安全風險大，傳統的機械試驗設備工序銜接差、成本投入大。針對動力觸探試驗檢測設備的現狀，如何開發和設計新型設備是業內技術人員的關注重點及熱點。

1 動力觸探試驗介紹

1.1 一般規定

動力觸探適用于黏性土、砂類土和碎石類土，是用一定質量的穿心錘和一定的自由落距，將一定規格的圓錐形實心探頭貫入土中一定深度并測計貫入過程中錘計數的測試方法。

1.2 設備介紹

動力觸探分為輕型、重型和特重型。其設備類型和規格應符合表1的規定。

表1 動力觸探設備類型和規格

設備探頭外形尺寸應符合相關規定。探桿每米質量不宜大于7.5 kg，探桿接頭外徑應與探桿外徑相同，探桿和接頭材料應采用耐疲勞高強度的鋼材。錘座直徑應小于錘徑1/2，并大于100 mm；導桿長度應滿足重錘落距的要求，錘座和導桿總質量為20 kg～25 kg。重錘應采用圓柱形，高徑比1～2。重錘中心的通孔直徑應比導桿外徑大3 mm～4 mm。

1.3 試驗要點

1)圓錐動力觸探試驗應根據地區經驗和其他測試方法的成果綜合對比。每一地基土層的試驗次數不宜少于6次。2)試驗過程中應控制探桿的偏斜和側向晃動，觸探桿最大偏斜度不應超過2%。3)根據設備類型嚴格控制落錘的落距，確保試驗結果準確可靠。4)動力觸探時，應確保擊入過程連續不間斷進行，錘擊頻率控制在15 擊/min～30 擊/min。

2 傳統動力觸探設備工藝及缺點

2.1 人工設備操作工藝及缺點

試驗操作工藝：動力觸探試驗過程中，人工扶桿來確保觸探桿的垂直度，通過手握落錘扶手人力抬升落錘至落距高度松手使落錘自由下落，完成對錘座的擊打，見圖1。

試驗操作缺點：1)施工便利性差。落錘較為笨重，以重型動力觸探設備為例，落錘重量達63.5 kg，人工需提升76 cm高度來保證落距，一套設備操作需多人同時進行，狹小空間作業極為不便。2)勞動強度大、安全風險高。參與現場試驗的扶桿人員和落錘提升人員必須具備多人協作作業的技能和意識，尤其落錘提升人員必須思想高度集中，提升至落距高度如何保證同時放手難度較大。由于試驗要求持續不間斷進行擊打，作業人員極易疲勞和安全意識放松，發生安全事故的風險較大。3)作業效率低。因純勞力操作，一般完成一個測點試驗檢測后，工人需時間恢復體力，導致工作效率較低。4)試驗精度差。人工扶桿對探桿的偏斜和側向晃動控制有限，探桿垂直度控制較差；受體力等不確定因素影響錘擊頻率難以準確控制在15 擊/min～30 擊/min，探桿垂直度和錘擊頻率對試驗結果影響較大。

2.2 機械設備操作工藝及缺點

試驗操作工藝：采用柴油機提供動力，人工操作卷揚機提升重錘，輔以自動脫鉤裝置控制落距，達到半自動化提、落錘目的，試驗過程中人工扶桿確保觸探桿的垂直度，見圖2。

試驗操作缺點：與人工設備相比，機械設備操作便利，提供了較大作業空間，錘擊頻率和探桿垂直度可較好控制，試驗結果可靠，試驗過程中的工效顯著提升，但也存在以下幾個顯著的缺點。1)施工協調差。機械設備由動力系統、觸探設備、輔助裝置等組成，設備重量較大，由于施工中試驗工點一般較多，且單個工點要求試驗次數不少于6次，工點的轉場、試驗過程中的挪點均需配合吊車、裝載機等大型機械，不利現場機械調配，間接影響整體施工進度。2)專業程度高。機械設備需配置一名專業操作手，一般培養一名專職、熟練的操作手需6個月時間。3)成本投入大。各類機械設備的燃油消耗導致費用偏高。4)環保效果差。消耗能源、排放CO2，不符合節能減排大趨勢。

3 新型設備的設計

針對傳統人工設備和機械設備存在的缺點，擬對傳統人工設備進行改進，達到降低操作難度、提高工作效率、減少費用投入、確保試驗精度、滿足環保節能的要求，開發出三角支架配套定滑輪動力觸探裝置。

3.1 結構組成

如圖3所示，三角支架配套定滑輪動力觸探裝置由架立系統、承重系統、導向系統、施力系統、固定系統等組成。其采用的主要材料為鋼管、鋼板、鋼筋、槽鋼、定滑輪、尼龍繩等。

3.2 工作原理

利用三角形穩定、定滑輪變向原理，采用支架架立傳統人工設備，同時在架頂、架底輔以固定裝置控制探桿垂直度，在架頂設置定滑輪輔以拉繩實現人工省力提升落錘，達到試驗目的。

3.3 設備組裝

1)設備組件。

架頂承重、導向圓盤以120°三等分設置10 cm短截鋼筋作為支架鋼管頂端承插卡扣；以180°軸線設置2處吊環，用以掛設滑輪；在三角支架系統每根鋼管底部上方15 cm位置設置2個螺帽卡扣，用以架底封閉桿的承插，共計6個；在1根底部定位支撐桿及另2根底部定位支撐桿交匯處分別設置2個螺帽卡扣，共計4個，輔以L型短截鋼筋承插鎖定架底固桿鋼梁，見圖4。

2)設備安裝。

設備各組件運至現場后，將架頂承重、導向圓盤置于地面，把三根50鋼管分別穿入頂端圓盤上三等分的HRB400Φ20的鋼筋中，將定滑輪安裝在吊環上后，裝置反向直立于地面安裝三腳支架定位支撐桿，最后安裝探桿固定鋼板，用HPB300Φ20鋼筋做成的L形卡扣將固定探桿鋼板固定在三腳支架定位支撐桿上，保證三腳支架安裝大致水平，且每個三腳支架定位支撐桿均受鋼管反作用力使其牢固。支立系統安裝牢固后，進行動力觸探儀安裝，裝置平放于地面，先將探頭和底截探桿分離，將探桿穿過固定探桿鋼板上的探桿孔后安裝中截探桿，將重力觸探錘安裝在中截探桿上，再加裝上截探桿，使底截、中截、上截探桿連接成整體，最后通過絲扣連接底截探桿和探頭，安裝完成后將帶有重力觸探儀的動力觸探重錘提升及探桿垂直裝置加裝拉繩立于地面上，并用小方木在鋼管底部找平，完成設備安裝，即可進行動力觸探試驗。

4 新型設備應用效益

在建京沈客運專線京冀段十標潮白河特大橋，共計155個明挖基礎、挖井基礎采用了新型三角支架配套定滑輪動力觸探裝置進行地基承載力檢測，平均檢測時間從傳統人工設備的240 min、傳統機械設備的182 min縮短至120 min，工效大大提高；施工過程無需使用任何動力機械，不消耗燃油，環保節能效果良好；經測算，采用新型設備節約燃油、機械、人工等直接成本73萬元。該裝置的經濟、社會效益十分顯著，為以后類似工程施工提供了寶貴的可借鑒經驗，見圖5。

5 結語

新型三角支架配套定滑輪動力觸探裝置，利用了三角形自穩定性能，支架穩定性好，設備操作更安全可靠；利用定滑輪將人工施力方式由抬升變為下拉，人力節省明顯，操作方便簡單，錘擊頻率易于控制；裝置結構輕盈，轉場、挪點無需配置吊車、裝載機等大型機械配合，各組件采用手推車即可運至現場，裝拆過程方便；輔助的探桿固定裝置，解決了傳統設備需人工扶桿的弊端，有效保證了扶桿垂直度，試驗結果更為真實可靠；試驗全過程無能源消耗，符合環保節能大趨勢。總體來看，該裝置應用是成功的，尤其是在重型動力觸探試驗中有較好的適用價值和推廣前景。