基于砂土的旋转触探试验研究

浦晓利

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



基于砂土的旋转触探试验研究

浦晓利

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

简要介绍旋转触探技术的工作原理及静力触探技术的应用，并引入破碎比功的概念。通过试验及对试验数据的分析，确定了旋转触探过程中触探速率、旋转速度对旋转触探测试参数的影响，同时验证了砂层土中比功的变化规律。

静力触探旋转触探砂土比功锥尖阻力锥头扭矩

静力触探自问世以来，经过长期的发展，得到全世界各个国家地质勘探领域的重视，曾被广泛应用。静力触探试验是将一定规格的圆锥形探头按一定速率匀速压入土中，并测定探头阻力等参数的一种测试方法[1]。它作为岩土工程原位测试手段的一种，具有快速、清洁、准确、经济、数据连续等优点，在我国铁路建设初期曾得到大力推广应用，辉煌一时。然而因其技术本身存在的种种难题，目前已经无法满足现代高速铁路勘探深度的要求，应用受到限制。为了更好地发挥原位测试技术的优势，满足高速铁路设计要求，铁三院研究人员提出了旋转触探技术，并成功研制了旋转触探设备，编写了详细的操作规范。

旋转触探试验采用无缆静力触探参数采集技术，利用液压装置将钻头及测试参数传感装置按一定的旋转转速和贯入速度旋转并匀速压入土层中，同时采集和存储在旋转贯入过程中随触探深度连续变化的贯入阻力、钻头旋转扭矩、排土水压力等参数，这些参数的变化反映了土层物理力学性质的变化。旋转触探技术将钻探与静力触探的优点有机结合，拥有触探原位测试数据连续的优点，同时能够突破静力触探无法穿越硬层的难题，能够满足现代高速铁路对地质勘探深度的要求。

1　试验目的

旋转触探的工艺参数主要有贯入速度和旋转转速以及水泵给水量。这三个参数对旋转触探测试地层参数存在一定的影响。

在旋转触探的钻进过程中，探杆沿触探孔轴线做垂直贯入运动，同时做切削回转运动，贯入力与扭矩同时做功。由于采用定量水泵，给水量对测试参数有一定的影响，但较小，这里暂不考虑，那么钻进过程中单位时间所作的功可表示为

(1)

式中F——贯入力/N；

u——贯入速度/(m/h)；

ω——扭矩/(Nm)；

n——转速/(rec/min)。

其中Fu为贯入力所作的功，2πωn为扭矩所作的功。

在进行旋转触探测试参数关系研究上，引入了破碎比功的概念，即破碎单位体积地层所做的功，用e代表比功，用下标t和r表示贯入力和扭矩所代表的比功，则有

(2)

式中F——贯入力/N；

A——锥底面积/m2；

u——贯入速度/(m/h)；

ω——扭矩/(Nm)；

n——转速/(rec/min)。

式中A为孔口面积，即锥底面积，是常数，因此et与F成比例变化，而er的变化则由旋转转速、扭矩与贯入速度来决定。

引入变量p，该变量等于钻头回转一周的进尺。由于

(3)

则有

(4)

那么旋转触探的比功则为

(5)

由上式分析得：如果贯入力低于某个值，没有发生进尺或进尺很小，p值则很小，er值就会很大，也就是扭矩的比功会很大，同时旋转触探的比功也会很大；进尺小，表示钻头破碎地层的体积小。如果钻头大体积破碎地层，p值变大，比功则变小。

有研究表明，当贯入阻力趋于平稳时，ω与p呈线性关系，即ω/p为常数，那么当钻头大面积破碎地层时，随着贯入力的增大，旋转触探比功会逐渐增大，最后达到某个临界值后趋于稳定。

根据能量守恒，比功应为定值，比功只与地层性质有关，每种地层有特定的比功，或者每类地层有相近的比功。

为了验证以上结论，通过小型试验来进行分析。通过本次试验，将实现以下3个内容：

(1)确定探头下降速度对旋转触探总锥尖阻力的影响；

(2)确定探头旋转速度对旋转触探总锥尖阻力的影响；

(3)确定砂土中旋转触探试验比功的变化。

2　试验设备与试验材料

试验设备采用铁三院研制的旋转触探设备(见图1)、触探多参数数据采集系统(见图2)及小量程的旋转触探探头传感器(一个长50 cm，截面积为10 cm2的模拟探头)。

旋转触探设备是对原有的静力触探车进行改造而成，它是利用液力装置将探头及探杆钻入或压入地层中以探测地质结构的一种移动式探测设备。

触探多参数数据采集系统是铁三院自行研制的无缆触探参数采集通用仪器，采用时间同步原理，进行地上地下测试参数的同步采集、存储，最终建立地下测试参数与深度的对应关系，给出触探的数据资料。

图1　旋转触探设备

图2　触探多参数数据采集系统

在试验过程中，采用的砂土试样为重塑样。将细砂分批均匀倒入砂桶中，逐层淋上少量的水，并用工具将其分层夯实，使试样均匀、连续。为了在对比试验中保持砂土试样的基本物理力学指标，使用同样的方法将细砂夯实在砂桶中，并以该砂桶中的砂样为试验样品。

3　试验及结果分析

3.1贯入速度对旋转触探总锥尖阻力的影响

图3表示在控制旋转转速为30 rec/min恒定不变的条件下，不同贯入速度(2.13 cm/s，1.77 cm/s，1.19 cm/s)对应的旋转触探锥尖阻力变化曲线，从图3中可以看出，总锥尖阻力随贯入速度的增大而增大。

图3　不同贯入速度下锥头阻力的变化

锥头阻力随贯入速度的增大而增大，主要是由于贯入速度加快，单位时间内探头的触探深度加深，探头进入砂体的位移变大，砂体被迅速挤密压实，对探头的抵抗阻力也随之增大。因此，锥头阻力表现为随着贯入速度的加快而增大。

3.2旋转转速对旋转触探总锥尖阻力的影响

图4表示在控制贯入速度为3.5 cm/s恒定不变的条件下，不同旋转速度(30 rec/min，20 rec/min，15 rec/min)对应的总锥尖阻力变化曲线，从图4中可以看出，锥头阻力随转速的增加而减少。

图4　不同转速下锥头阻力的变化

锥头阻力随转速的增加而减少，主要是由于随着转速的增加，切削作用加剧，单位时间内受到扰动的砂体增加。然而，探头下降速度保持不变，也就是单位时间内探头触入砂体的位移不变，且探头又处于扰动砂体中，导致锥头阻力减小。

3.3 砂层中旋转触探比功分析

(6)

那么旋转触探的比功

(7)

式中pr——锥头阻力/MPa；

u——贯入速度/(m/min)；

Mr——锥头扭矩/(Nm)；

n——转速/(rec/min)。

将试验所获得的数据代入公式(7)，计算比功并绘制成图(如图5所示)，从图5中可以看出，不同旋转速度下，比功的变化曲线基本一致，比功随触探深度的增加而增长，在达到一定深度后趋于稳定。

图5　不同转速下旋转触探比功的变化

图6表示在控制旋转速度为30 rec/min恒定不变的条件下，不同贯入速度(2.13 cm/s，1.77 cm/s，1.19 cm/s)对应的砂层土中旋转触探比功变化曲线，从图6中可以看出，不同贯入速度下，比功的变化曲线基本一致，比功随触探深度的增加而增长。

图6　不同贯入速度下旋转触探比功的变化

不同转速和不同贯入速度下的旋转触探比功在趋于稳定后的大小及临界深度稍有差别，主要原因是试验样品难免有些许差异，这对最终结论并无较大影响。

4　结束语

通过本次试验，在试验范围内，总结出旋转触探技术在砂层触探过程中，钻进参数对触探结果的影响：

(1)旋转触探过程中保持旋转转速一定的情况下，锥头阻力随贯入速度的增大而增大。

(2)旋转触探过程中在保持贯入速度一定的条件下，锥头阻力随旋转转速的增加而减小。

(3)在砂层土中，不同贯入速度、不同旋转速度下，旋转触探的比功相近，比功值随触探深度增加而增大，最终趋于稳定，其只与砂层状态有关。

本实验仅就试验砂层模型而言，对于其他类型的地层，应进一步进行试验来进行验证。本次试验的结果表明，在进行旋转触探试验时，应该以一定的旋转转速和贯入速率，采用定量泵进行试验，以减小钻进参数对旋转触探数据结果的影响；在旋转触探成果应用中，可以通过比功法来建立静力触探贯入阻力与旋转触探测试参数的关系模型，从而将新技术与成熟的传统技术联系起来，使旋转触探技术得到更好的推广应用。

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Study of Rotary Penetration Test Based on Sand

PU Xiaoli

2016-01-22

浦晓利(1982—)，女，2008年毕业于东北大学检测技术与自动化装置专业，硕士，工程师。

1672-7479(2016)02-0052-03

TU413.9

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