动力触探试验和标准贯入试验钻具配套的分析

圆锥动力触探和标准贯入试验钻具配套的分析概述：介绍了工程地质勘察施工的基本情况，详细分析了动力触探试验和标准贯入试验的工作原理、设备组成、使用要求和注意事项，对SH30-2A钻机和DPP-100钻机工程钻具配套进行了配套分析。关键词：工程勘察，动力触探，标准贯入，钻具0引言工程地质勘察施工的目的是查明工程场地的工程地质条件，分析存在的工程地质问题，对工程场地做出定性和定量的工程地质评价。工程地质试验包括原位测试和室内试验两个方面，原位测试是岩土体保持或基本保持其所处位置与天然结构、湿度和应力状态情况下进行的各种测试。原位测试可以完成或实现室内无法测定的内容，取得可靠的岩土体物理、力学、水理性质指标，为基坑开挖、地基处理、基础工程提供可靠的数据。原位测试方法主要有静力触探试验、静载荷试验（CPT）、圆锥动力触探试验（DPT）、标准贯入试验（SPT）、旁压试验（PMT）、十字板剪切试验、岩体变形试验、岩体抗剪试验、声波测试、扁铲侧胀试验、现场大型直剪试验、块体基础振动试验、点荷载强度试验、回弹试验、压水试验、抽水试验、注水试验、连通性试验等。其中圆锥动力触探和标准贯入试验是两种常用的原位测试技术方法。对这两种方法的工作原理、设备组成、使用要求和注意事项进行深入分析，并在此基础上进行设计改进优化，是钻具配套研究的重点内容。1试验准备在进行工程地质测试之前要先进行钻探施工，钻探是采用一定的设备和工具对深部的工程地质条件进行揭露的工作方法，可分为轻便钻探和钻机钻探两种。轻便触探是利用洛阳铲、锥探和小螺旋钻等进行钻探的方法；钻机钻探是常用的钻探方法，为了保证试验的钻孔质量，一般采用回转钻进，必要时可采用泥浆或套管护壁。常见的工程地质勘察施工设备有SH30-2A、XY-1、DPP100钻机等。钻探过程一般有三个基本程序：1、破碎岩石：采用人力和机械的方法，使小部分岩土脱离整体而成为粉末、岩石块或岩心，破碎一般是借助冲击力、剪切力、研磨和压力来实现的。2、采取岩土：用冲洗液(或压缩空气)将孔底破碎的碎屑冲到孔外，或者用钻具（抽筒、勺型钻头、螺旋钻头、取土器、岩心管等）靠人力或机械将孔底的碎屑或岩心取出地面。3、保护孔壁：一般采用套管或泥浆来护壁。钻探是工程地质测试的准备过程，动力触探试验才是其实质内容。动力触探试验是利用一定的落锤能量(用规定重量的重锤，从恒定高度上自由落下)，将与触探杆相连接的探头打入土中。根据打入的难易程度（表示为贯入度或贯入阻力）来判断土的工程性质的一种原位测试方法。其目的有：（1）定性评价：评定场地土层的均匀性；查明土洞滑动面和软硬土层的界面；确定软弱土层或坚硬土层的分布；检验评估地基土加固与改良的效果。（2）定量评价：确定砂土的孔隙比、相对密实度、粉土和粘性土的状态、土的强度和变形参数，评定天然地基土承载力和单桩承载力。动力触探分为圆锥动力触探试验和标准贯入试验。2圆锥动力触探试验（DPT-DynamicPenetrationTest）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，圆锥动力触探试验根据锤击能量分为轻型、中型、重型和超重型四种。轻型、中型圆锥动力触探适用于一般粘质土及素填土；重型圆锥动力触探适用于中粗砾砂和碎石土；超重型圆锥动力触探适用于卵石砾石类土。触探指标定义为每贯入一定深度所需的锤击数。轻型动力触探以每贯入300mm的锤击数，以N10表示；中型、重型和超重型动力触探以每贯入100mm所需的锤击数，分别以N28、N63.5和N120表示。其设备组成及规格参数如表1所列，为了说明动力触探和标准贯入的区别和关系，表中将标准贯入试验的设备和规格参数也列入进去。表1动力触探设备组成及规格参数动力触探类型圆锥轻型动力触探圆锥中型动力触探重型动力触探型圆锥超重型动力触探标准贯入试验圆锥动力触探落锤锤质量(kg)10±0.228±0.263.5±0.563.5±0.5120±1自由落距(mm)500±20800±20760±20760±201000±20探头规格探头名称轻型探头中型探头重Ⅰ探头重Ⅱ探头重Ⅱ探头直径（mm）4062标准贯入器Ф51XФ35长度L=7007474截面积(cm2)12.6304343锥角(°)60606060探杆直径(mm)2533.542，5042，5050，60，63每米重量（kg）≤8≤8≤12能量指数(J/cm2)39.774.7112.2112.2112.2触探指标贯入300mm100mm100mm300mm100mm锤击数N10N28N63.5N63.5N120最大贯入深度(m)4－612－1615－2015－2020备注能量指数Nd=MHg/A，式中：M为锤的质量(kg)；H为锤的自由落距(cm)；A为探头截面面积(cm2)轻型和中型动力触探可用手动，起拔触探杆时可用探杆起拔器（如图5）。重型和超重型动力触探设备须有自动落锤装置，如：抓勾式、偏心轮式、钢球式、滑销式和滑槽式等，锤的脱落方式有碰撞式和缩径式两种，碰撞式动作可靠，但如操作不当易反向撞击，影响实验结果；缩径式无反向撞击，但导向杆易被磨损。φ2570图5轻型动力触探用起拔器表2动力触探适用的土类范围动力触探类型粘性土粘土砂类土碎石类土（无胶结）粘土粉质粘土粉砂细砂中砂粗砂砾砂圆砾角砾卵石碎石漂石块石轻型适用较适用不适用不适用不适用重型较适用较适用适用适用不适用超重型不适用较适用较适用适用较适用注：适用的范围用于确定地基承载力（σo）和变形模量（Eo）较适用的范围用于划分土的力学分层、评价土层的均匀程度12345φ45φ25φ4060°168401、重锤2、承力盘3、接头4、探杆5、探头1、打杆2、落锤器3、重锤4、探杆5、重Ⅱ探头12345图1轻型动力触探简图图2重型超重型动力触探简图φ401660°93.6+0.50淬火HRC50～55825φ25φ7490279.18540660°φ60淬火HRC50～55图3轻型动力触探头图4重型超重型动力触探头圆锥动力触探的优点是设备简单、操作方便、工效较高、适应性广，并具有连续贯入的特性。对难以取样的砂土、粉土、碎石类土等，对静力触探难以贯入的土层，动力触探是十分有效的勘探测试手段。圆锥动力触探的缺点是不能采样对土进行直接鉴别描述，实验误差较大，直观性差。标准贯入试验可在一定程度上弥补这一不足。3标准贯入试验（SPT-StandardPenetrationTest）标准贯入试验是动力触探的一种，重型动力触探装置（标准贯入仪）配套标准贯入器（重Ⅰ探头）就构成了标准贯入试验装置。为了减少对试验土层的扰动，当钻进至试验标高以上150mm时，应停止钻进。试验时，用63.5kg穿心锤以760mm的落距自由落下，先将贯入器垂直打入土层中150mm，再记录每打入300mm的锤击数，即为实测的锤击数N实测。此试验设备简单，操作方便，土层的适用范围广。除砂土外，一般的硬粘土、软质岩石也适用。而且贯入器能带上挠动土样，可直接对土样进行鉴别描述。标准贯入试验的目的一方面是采取扰动样，鉴别和描述土类，按颗粒分析结果定名，一方面是根据标准贯入击数N，利用地区试验，为砂土的密实度和粘土粘性土的状态、土的强度参数，变形模量、地基承载力等做出评价，从而判定饱和砂、砂质粘土的地震液化的可能性及液化等级。标准贯入器采用GB12741-91标准，由刃口形的贯入器靴（标贯刃口）、对开圆筒式贯入器身（两半筒）和贯入器头（标贯接头）三部分组成。1、打杆2、落锤器3、重锤4、探杆5、标准贯入器1234570019°φ35φ511231、标贯接头2、两半筒3、标贯刃口图6标准贯入试验设备简图图7标准贯入器简图表3标准贯入器规格参数及精度要求部位名称规格内容参数精度标贯刃口（贯入器靴）长度（mm）50～76刃口角度（°）18～20靴壁厚(mm)2.5两半筒（贯入器身）长度(mm)500粗糙度3.2µm椭圆度0.08mm同轴度0.05mm外径(mm)Ф51±1内径(mm)Ф35±1标贯接头（贯入器头）长度(mm)175标准贯入试验设备的贯入器、落锤系统、钻杆等应符合以下要求：1、钻杆应平直，当出现弯曲超过1‰时应予以调直后再使用；2、对开式贯入器（两半筒）的对缝应平直、严密，出现扭曲、膨胀、错缝等变形时应停止使用；3、贯入器靴的刃口（标贯刃口）应保持完整，当出现缺口或卷刃等损坏，其单个长度大于5mm，或总长度大于12mm时，应停止使用；4、当落锤质量和导向杆的落距的误差超过允许范围时，应停止使用；5、自动落锤装置应保持正常的落锤和提起性能，不得对导向杆产生提拔作用工程勘察的内容有钻探、原位测试（动探和标贯等）、取土样、室内测试、资料整理、提交报告等，为了更好地指导做好工程勘察钻具的研制工作，可围绕以下几种常用工程勘察钻机钻具配套内容进行系统研究。表4常用工程勘察钻机钻具配套表钻机型号钻具名称规格型号单位数量备注SH30-2A工程勘察钻机冲击锤根1分灌铅锤和实芯锤花管Ф108、Ф114、Ф121根1粘土钻头Ф150、Ф130件各1哈夫钻头Ф130套1筒状劈石钻头Ф130、Ф110件1十字劈石钻头Ф150、Ф130、Ф110件1重型动力触探63.5kg套1打杆、落锤器、重锤标准贯入器Ф51XФ35X700套1重Ⅰ重型动力触探头Ф74X60°件1重Ⅱ钻杆Ф42X3000根5钻杆Ф42X2000根1钻杆Ф42X1500根1钻杆Ф42X1000根1锁接头Ф57付8提引器Ф57套1垫叉搬叉Ф57件各1套管钳Ф108/Ф127把1钻杆钳Ф42把1叉式取土器Ф110X150套1取土室110X150件2土样盒110X150套50一筒两盖DPP100汽车钻机除以上冲击钻进工艺配套外还要增加回转钻进工艺钻具：活塞取土器、麻花钻头、合金钻头、肋骨钻头、钢粒钻头、岩心管、套管、沉淀管、套管钳、套管夹板等，钻杆一般选择Ф50或Ф60。4结语4.1确定地基承载力标准值采用的原位测试方法比较多。每种试验方法各自有其自身的局限性。比如：静载荷试验虽然能够较准确地反映实际地层情况，但是，此试验操作复杂、费时长、试验成本高，一般的工程不适用，仅仅对大型或高层建筑才使用此试验；静力触探试验在操作过程中遇到坚硬地层时容易损坏探头，成本较高。因此，对比现场的原位测试方法，重型动力触探和标准贯入试验有着明显的优越性，适用于土层范围广，标准贯入器还可以提取挠动土样，直接进行岩性描述，成本低，试验效果良好。在地基勘察中，在条件允许的情况下应尽量采用动力触探试验和标准贯入试验。4。2动力触探和标准贯入设备在一定程度上可以说都是仪器，使这些仪器既要有很好的精度，又要保证良好的耐用性，是需要工程勘察钻具设计者深入研究的，细节问题很多，应该深刻认识标准规范，结合机械结构设计，实现实用、精确和经济耐用的目的。