董永剛

(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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無(wú)纜觸探給水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董永剛

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

靜力觸探是一種在鐵路工程勘察中廣泛應(yīng)用的地質(zhì)原位測(cè)試方法，常規(guī)測(cè)試深度淺，使其推廣受到限制。從影響觸探深度因素之一的側(cè)壁摩阻力出發(fā)，采用注入潤(rùn)滑劑的方法減小探桿與孔壁之間的摩擦力。通過(guò)設(shè)計(jì)及分析，在探頭上部50cm處加設(shè)具有向上返水功能的給水結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)深層觸探的目的。通過(guò)與常規(guī)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，該結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)影響。

靜力觸探給水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

觸探技術(shù)是工程勘察中的一種常用手段，具有快捷、經(jīng)濟(jì)、測(cè)試資料連續(xù)、可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于高速鐵路及公路這種條帶形分布、范圍寬廣的大型工程?，F(xiàn)有觸探設(shè)備受探入深度上的限制，極大地制約了其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。為解決上述問題，通過(guò)工藝研發(fā)最終實(shí)現(xiàn)了深層靜力觸探的目的。主要目標(biāo)為：①穿透硬砂層，滿足地質(zhì)要求；②與常規(guī)測(cè)試數(shù)據(jù)一致，無(wú)須進(jìn)行修正。

1　設(shè)計(jì)思路

在靜力觸探測(cè)試過(guò)程中，探頭、探桿會(huì)與土層之間產(chǎn)生摩擦，阻礙探頭、探桿的貫入，且此摩擦力會(huì)隨著深度的增加而增大，這一規(guī)律符合一般的認(rèn)識(shí)。靜力觸探設(shè)備提供的貫入力用于抵消探頭端面積的端阻力和探頭探桿周面積的摩阻力，即

T=Q+F

因?yàn)樘筋^的長(zhǎng)度較短，在深孔靜探中可忽略其側(cè)壁摩擦對(duì)靜探深度的影響，此處只著重分析探桿側(cè)壁摩擦對(duì)觸探深度的影響。在遇到砂層時(shí)，摩阻力一般可達(dá)fs=300kPa，以一根1m的φ40探桿為例，探桿周面積的摩阻力為

Fs=fs×Π×d×l=300 kPa×3.14×

40 mm×1 m×10-3=37.68 kN

當(dāng)觸探車提供的貫入力有37.68 kN用來(lái)抵消探桿周面積的摩阻力時(shí)，相應(yīng)的觸探車就要擁有相當(dāng)于3.8 t的反力來(lái)穩(wěn)定設(shè)備，而這僅僅是1 m探桿所需的反力。

隨著觸探深度的加深，會(huì)給觸探車的反力系統(tǒng)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)工程中使用的觸探車的自重再加上地錨等作用，可提供的反力不超過(guò)15 t。因此，探桿側(cè)壁摩阻力對(duì)觸探深度有非常大的影響。

由上述分析可知，隨著觸探深度的增加，觸探設(shè)備提供的貫入力大部分都消耗在探桿的周面積摩擦力上，應(yīng)該采取必要措施降低探桿周面積摩阻力，使觸探設(shè)備的貫入力集中到克服探頭的端面積阻力上，提高觸探設(shè)備的貫入能力。

在探頭上部加設(shè)具有返水功能的給水結(jié)構(gòu)，泥漿泵通過(guò)探桿、給水結(jié)構(gòu)使其潤(rùn)滑劑注入孔壁與探桿之間，降低探桿與孔壁之間的摩擦力，從而增加有效貫入力。但要注意的是，此方法雖可以增加有效貫入深度，但是取得的測(cè)試數(shù)據(jù)需與常規(guī)數(shù)據(jù)要有一致性。因此，需要考慮給水結(jié)構(gòu)在探頭上部的具體位置。如果給水結(jié)構(gòu)的位置過(guò)于靠近探頭，在整根探桿沒有全部貫入或者加接探桿時(shí)，滲流速度大于貫入速度或者滲流速度大于加接探桿時(shí)間，潤(rùn)滑劑就有可能滲透到探頭位置處，將影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；如果給水結(jié)構(gòu)的位置過(guò)于遠(yuǎn)離探頭，對(duì)降低摩擦力的效果不明顯。

為實(shí)現(xiàn)最大貫入深度，降低給水結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，從給水結(jié)構(gòu)需要滿足的功能出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)及分析，并經(jīng)過(guò)外業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終驗(yàn)證了給水結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果和數(shù)據(jù)的一致性。

2　給水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1給水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

給水結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下功能：(1)通過(guò)泥漿泵、探桿、出水孔注入的潤(rùn)滑劑不應(yīng)直接沖刷土體，避免塌孔；(2)注入到孔壁與探桿之間的潤(rùn)滑劑應(yīng)向上反噴，如在水壓力作用下直接向下流向探頭本體將會(huì)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)造成一定影響，無(wú)法使用現(xiàn)有的靜力觸探規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)；(3)反復(fù)上提或下壓探桿，土或砂不能堵塞出水孔，從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑效果。設(shè)計(jì)的給水結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。

注：1—出水接頭；1-1軸心盲孔；1-2出水孔；1-3環(huán)形凸臺(tái)；2—擋水套；2-1環(huán)形冊(cè)槽；2-2縮徑下表面；3—存儲(chǔ)桿；4—探頭本體圖1　無(wú)纜觸探給水結(jié)構(gòu)半剖面

圖2　圖1A部放大視圖

圖3　擋水套上行狀態(tài)示

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：(1)在貫入過(guò)程中，潤(rùn)滑劑在給水結(jié)構(gòu)的作用下改變流向，潤(rùn)滑劑經(jīng)探桿、出水孔向上反噴到孔壁與探桿之間，保證了潤(rùn)滑效果；(2)探桿上提時(shí)，給水結(jié)構(gòu)中的擋水套下行，出水孔封閉，避免堵塞。

2.2確定給水結(jié)構(gòu)加設(shè)位置

潤(rùn)滑劑經(jīng)給水結(jié)構(gòu)向上流向探桿與孔壁之間，向上一定高度后泥漿或水向下滲入。在土砂層中，砂層的滲透系數(shù)相對(duì)于土層較大，水相對(duì)于泥漿阻力小，按照最不利因素考慮，設(shè)定為水在砂層中滲流。滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1　滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按潤(rùn)滑劑在出水口時(shí)壓力為100 kPa，粗砂地層滲透系數(shù)為0.6 mm/s，探頭處無(wú)水的最不利情況組合，可得潤(rùn)滑劑的滲透速度

要保證潤(rùn)滑劑不影響觸探頭所測(cè)試地層，潤(rùn)滑劑的滲透速度v潤(rùn)滑劑小于靜力觸探探頭貫入速度v觸探=20 mm/s即可，因此可得

考慮一定的安全系數(shù)，初步確定在探頭50cm后增設(shè)給水結(jié)構(gòu)。

3　試驗(yàn)檢驗(yàn)

在確定探頭后部50cm處加設(shè)給水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案后，在多個(gè)項(xiàng)目中采用不同工藝進(jìn)行了測(cè)試工作。結(jié)果表明，新技術(shù)的測(cè)試深度有了較大的提高。項(xiàng)目組在邯黃線、保稅區(qū)、空港和臨港工業(yè)區(qū)等項(xiàng)目中做了四組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)靜探的干濕情況進(jìn)行對(duì)比，選取有代表性的曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，加入循環(huán)水作為潤(rùn)滑劑后，對(duì)觸探的參數(shù)測(cè)試沒有影響，實(shí)現(xiàn)了深層靜力觸探研發(fā)的目的。

圖4　空港深層靜力觸探干濕對(duì)比曲線

4　結(jié)論

(1)提出在靜力觸探貫入過(guò)程中通過(guò)給水結(jié)構(gòu)采用注入潤(rùn)滑劑的方法減小側(cè)壁摩阻力。

(2)從給水結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的功能綜合考慮，同時(shí)進(jìn)行理論分析，并考慮一定的安全系數(shù)，確定在探頭上部50cm處加設(shè)給水結(jié)構(gòu)。

(3)通過(guò)外業(yè)試驗(yàn)，采用此方法后測(cè)試深度有了較大的提高。

(4)通過(guò)在多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行的多組干濕對(duì)比試驗(yàn)，注入潤(rùn)滑劑的測(cè)試數(shù)據(jù)與常規(guī)靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，無(wú)須進(jìn)行修正。

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Wireless Cone Penetration Test Water Supply System Design and Application

DONG Yonggang

2016-05-10

董永剛(1983—)，男，2008年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘查技術(shù)與工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)04-0052-03

TU413

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