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        基于砂土的旋轉(zhuǎn)觸探試驗研究

        2016-10-24 01:59:50浦曉利
        鐵道勘察 2016年2期

        浦曉利

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

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        基于砂土的旋轉(zhuǎn)觸探試驗研究

        浦曉利

        (鐵道第三勘察設(shè)計院集團(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。通過試驗及對試驗數(shù)據(jù)的分析,確定了旋轉(zhuǎn)觸探過程中觸探速率、旋轉(zhuǎn)速度對旋轉(zhuǎn)觸探測試參數(shù)的影響,同時驗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,在我國鐵路建設(shè)初期曾得到大力推廣應(yīng)用,輝煌一時。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,同時采集和存儲在旋轉(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,同時能夠突破靜力觸探無法穿越硬層的難題,能夠滿足現(xiàn)代高速鐵路對地質(zhì)勘探深度的要求。

        1 試驗?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。這三個參數(shù)對旋轉(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,同時做切削回轉(zhuǎn)運(yùn)動,貫入力與扭矩同時做功。由于采用定量水泵,給水量對測試參數(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值,沒有發(fā)生進(jìn)尺或進(jìn)尺很小,p值則很小,er值就會很大,也就是扭矩的比功會很大,同時旋轉(zhuǎn)觸探的比功也會很大;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,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,隨著貫入力的增大,旋轉(zhuǎn)觸探比功會逐漸增大,最后達(dá)到某個臨界值后趨于穩(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。

        為了驗證以上結(jié)論,通過小型試驗來進(jìn)行分析。通過本次試驗,將實現(xiàn)以下3個內(nèi)容:

        (1)確定探頭下降速度對旋轉(zhuǎn)觸探總錐尖阻力的影響;

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

        (3)確定砂土中旋轉(zhuǎn)觸探試驗比功的變化。

        2 試驗設(shè)備與試驗材料

        試驗設(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(一個長50 cm,截面積為10 cm2的模擬探頭)。

        旋轉(zhuǎn)觸探設(shè)備是對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,采用時間同步原理,進(jìn)行地上地下測試參數(shù)的同步采集、存儲,最終建立地下測試參數(shù)與深度的對應(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,使試樣均勻、連續(xù)。為了在對比試驗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)砂夯實在砂桶中,并以該砂桶中的砂樣為試驗樣品。

        3 試驗及結(jié)果分析

        3.1貫入速度對旋轉(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,對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,單位時間內(nèi)受到擾動的砂體增加。然而,探頭下降速度保持不變,也就是單位時間內(nèi)探頭觸入砂體的位移不變,且探頭又處于擾動砂體中,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)。

        將試驗所獲得的數(shù)據(jù)代入公式(7),計算比功并繪制成圖(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,主要原因是試驗樣品難免有些許差異,這對最終結(jié)論并無較大影響。

        4 結(jié)束語

        通過本次試驗,在試驗范圍內(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)。

        本實驗僅就試驗砂層模型而言,對于其他類型的地層,應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行試驗來進(jìn)行驗證。本次試驗的結(jié)果表明,在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觸探試驗時,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,以減小鉆進(jìn)參數(shù)對旋轉(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)與自動化裝置專業(yè),碩士,工程師。

        1672-7479(2016)02-0052-03

        TU413.9

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