圆锥动力触探和标贯试验教学改革初探

程鹏，李锦辉 （哈尔滨工业大学（深圳），广东 深圳 518055）

1 引言

圆锥动力触探试验是利用一定的落锤能量将一定质量（10kg、63.5kg、120kg）和一定规格尺寸的圆锥探头打入土中，根据贯入30cm深的锤击数N来对地基土做出判断。圆锥动力触探试验包括轻型动力触探、重型动力触探和超重型动力触探试验。其结果可用于地基土的土层划分、评价地基土的均匀性、查明土洞、滑动面及软硬土层界面的位置，也可评价地基土的强度和变形参数等[1-3]。

标准贯入试验是利用63.5kg的穿心锤从76cm高度处落下，将一定尺寸的空心贯入器贯入土中，统计贯入30cm深所用的锤击数N，从而对土的工程特性做出评价。试验结果可用于评价地基土的物理状态、评价场地砂土和粉土的液化等级、评价地基土的力学性能和地基承载力等[4-6]。

2 试验教学面临的问题

目前国内高校实现圆锥动力触探和标准贯入试验的教学大多有两种方法，一是集体到工地参观[7,8]，二是在校园内建设野外基地进行实践[9,10]。无论是哪种方法都有一系列的不足和不便之处。

去工地参观的教学方法首先存在安全隐患，数十人同去工地参观，陪同教师只有几名，难以保证学生的安全。其次，学生没有动手操作的机会，仅是远距离观察，教学效果较差。

在校园建设野外实习基地存在搬运设备、天气影响、数据离散性较大等问题，使得各组试验结果不尽相同，从而使学生产生该试验不严谨的错误认识。此外，轻型、重型、超重型圆锥动力触探试验和标准贯入试验所适用的土类均不相同。在有限的校园场地内，很难找到适合所有试验类型的土质，这对于没有提前规划场地的学校更是无法开展。

3 试验教学改革研究

教学改革共分三部分，分别针对教学手段、教学方法及教学文件。通过在室内构建试验系统，学生可分组操作设备进行圆锥动力触探试验和标准贯入试验。通过进行对比分析式教学，可以使学生更清晰地理解圆锥动力触探试验与标准贯入试验的相同之处和二者之间的区别。将实验指导书规范化，可让学生养成规范写作的良好习惯。

3.1 在实验室构建试验系统,分组操作设备

试验系统包括三脚架、穿心锤、探杆、电动葫芦、模型桶、圆锥探头或标准贯入的贯入器6部分，见图1。

图1 试验系统实物图

首先在实验室内架设三脚架，并连接探杆和穿心锤，在探杆底部安装圆锥探头或标准贯入的贯入器。然后，我们准备了多个1m～1.5m高的模型桶，在模型桶中填满不同种类的土或碎石并适当控制其密度，来模拟现场的原位土体。

让圆锥探头或贯入器向模型桶中贯入，便可模拟在野外才能实现的试验过程。由于模型桶中土体的参数可控，因此可以解决在室外试验的数据离散性及受天气影响等问题。每桶土中填入不同种类的土，分别对应不同类型的试验，见表1。完成一种试验后，更换探头，并在探头下方放入与之对应的模型桶进行下一项试验。

不同种类试验对应的模型桶 表1

3.2 对比分析式教学

圆锥动力触探试验和标准贯入试验虽然是两种不同的试验，但具有高度的相似性，同时在细节上又有着很多不同之处。圆锥动力触探试验的贯入探头为圆锥型实心探头，而标准贯入试验的贯入器为对开管和管靴组成的中空的圆筒体。进行对比分析式教学，可以使学生更清晰地理解二者的区别，从而避免混淆。经课堂验证，将标准贯入器、轻型圆锥动探探头和（超）重型圆锥动探探头放在一起，学生可迅速判断出该探头为何种探头并说出三者之间的区别。

3.3 实验指导书编写的规范化

实验指导书作为学生实验预习的文件及实验参考的工具，其编写也应遵循规范式写作的原则。作者在编写时，指导书的文字及插图格式严格遵守硕博论文写作要求，其目的一是作为全专业使用的文件，格式理应规范；二是为了使学生受到潜移默化的影响，学生以后在完成作业报告、研究论文等时便可进行参考。

4 实验过程设计

实验为小组式的分组操作，每组人数在3-5人之间，配套一套试验系统和多个模型桶。具体的实验过程如下：

4.1 安装贯入器

在上段探杆中安装穿心锤，在下部探杆底部安装对应的贯入器，将贯入器小心放在模型桶顶部。

4.2 提锤、锤击

用手柄控制电动葫芦，将击锤提升至规定高度，使锤自动脱钩，自由下落，先打入的15cm不记录。继续贯入30cm，记录每贯入10cm的锤击数，累计记录的锤击数为标准贯入实验锤击数N。

对于标准贯入实验，当锤击数超过50击，而贯入深度仍未达到30cm时，可终止试验，按下式换算成标贯击数N[11]。

式中：Δs—实际贯入深度，cm；

n—贯入Δs深度的锤击数。

4.3 更换探头、模型桶,重复实验

将贯入器依次换成轻型、（超）重型探头，将穿心锤依次换成对应的击锤，将模型桶换成对应的模型桶，进行轻型、重型、超重型动力触探实验。轻型圆锥动力触探记录贯入30cm深的锤击数N10。重型和超重型圆锥动力触探只记录一次贯入10c m深的锤击数N63.5和N120[11]。

对于轻型圆锥动力触探实验，当N10>100或贯入15cm锤击数超过50时，停止实验；对于重型圆锥动力触探实验，当连续三次N63.5>50时，可停止实验或改用超重型动力触探实验[11]。

4.4 实验数据处理

①判断碎石土的密实度

根据国家规范《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）4.1.6条，可采用重型圆锥动力触探的锤击数N63.5评定碎石土的密实度[12]。

②判断砂土的密实度

根据《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021-2001）3.3.9 条，可采用标准贯入实验的锤击数N判断砂土的密实度[11]。

③判断砂土液化程度

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，当饱和砂土、粉土的初步判别认为需要进一步液化判别时，应采用标准贯入实验判别法判断地面下20m范围内土的液化[13]。因此我们可用标准贯入的实验结果来比较标贯锤击N与临界值的大小，进而判断所用的砂土是否属于液化土。

5 结语

本文从圆锥动力触探试验和标准贯入试验的实验教学中存在的问题出发，以教学手段、教学方法及教学文件的改革为切入点，将原本用于野外现场的试验转移到室内进行分组操作，学生对圆锥动力触探试验和标准贯入试验有了更清晰的认识。同时也培养了学生规范写作的良好习惯，为培养高素质高水平的岩土工程技术人才提供良好的基础。