劉奉銀，趙靜源，賈 凱，羅士梅

（1.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院，陜西 西安 710054）

0 引言

靜力觸探試驗（Cone Penetration Test，CPT）簡稱為靜力觸探或靜探，是采用靜力將標準圓錐形探頭以一恒定速度壓入土中，利用探頭內(nèi)的力傳感器，測定探頭阻力、側(cè)壁摩阻力和孔隙水壓力等參數(shù)，進而判定土層的工程性質(zhì)及其分類的一種原位測試方法。1917年首先由荷蘭人開始應(yīng)用靜力觸探技術(shù)，至今已有80多年的歷史［1］，其中最具有代表性的是“荷蘭深層靜力觸探”，簡稱“荷蘭錐”。作為一種日臻完善的原位測試技術(shù)，靜力觸探已經(jīng)越來越多地為巖土工程技術(shù)人員所接受。我國勘測大師王鐘琦1965年首次研制成功電測靜力觸探并將其應(yīng)用于勘測［2］。從那時起靜力觸探技術(shù)在我國也已有50多年的歷史。我國黃土因其特殊的結(jié)構(gòu)特性在地震時發(fā)生的災(zāi)害較多，如地震滑坡、震陷和液化等［3］，深入研究這些災(zāi)變機理的關(guān)鍵是要搞清黃土的物理力學性質(zhì)，如含水率、干密度和抗剪強度指標等，因此，應(yīng)用靜力觸探研究黃土的這些參數(shù)對黃土災(zāi)害的預警和治理有著重要的意義。

雖然靜力觸探技術(shù)在研究領(lǐng)域中已經(jīng)取得了長足進展，應(yīng)用成果也相當豐富，同時在生產(chǎn)建設(shè)中發(fā)揮了自身優(yōu)點［4－6］，解決了許多實際工程遇到的困難。但在土質(zhì)較為堅硬的黃土及軟巖地區(qū)中的應(yīng)用還存在諸多不適應(yīng)的地方。迄今為止，應(yīng)用靜力觸探在上述地區(qū)開展理論研究和工程應(yīng)用相對較少。究其原因，主要由于原有觸探設(shè)備在貫入能力、自重和反力等方面的限制。因為在硬質(zhì)地層材料中進行觸探試驗時觸探阻力較大，從而極大地降低了觸探深度，影響測試效果，有時還會因為長時間超負荷運作造成觸探設(shè)備損耗甚至破壞。

西安理工大學的研究人員基于提高硬質(zhì)地層中靜力觸探能力的目標對靜力觸探進行了深入研究，分析了靜力觸探過程中的主要影響因素，最終提出以旋轉(zhuǎn)觸探的方式代替原有觸探設(shè)備中直接壓入的思路，成功研制了新型觸探設(shè)備［7－11］。旋轉(zhuǎn)觸探儀的問世為靜力觸探試驗在硬質(zhì)地層中的應(yīng)用提供了硬件設(shè)備基礎(chǔ)，使得我們有必要也有可能來進一步研究旋轉(zhuǎn)觸探在硬質(zhì)地層中的應(yīng)用［9－11］。本文采用西安理工大學的旋轉(zhuǎn)觸探儀對不同含水率及不同干密度的西安黃土試樣進行試驗研究，分析含水率、干密度對錐尖阻力和扭矩的影響。

1 研究方法

1.1 土樣制備

試驗用土取自西安理工大學曲江校區(qū)，采用重塑試樣。首先配成不同含水率的土樣若干，然后根據(jù)預控制的試樣干密度計算出一個土樣所需的濕土，用專門的加載制樣設(shè)備把土料在試樣模中分十二層壓實。土樣的含水率分別配至10%、12%、14%、16%；控制土樣干密度為1.40g／cm3、1.45g／cm3、1.50g／cm3、1.55g／cm3、1.60g／cm3；試樣尺寸為200mm×200mm×240mm。

1.2 試驗方案

本次試驗采用鄭菲菲等［10］試驗確定的最優(yōu)組合為旋轉(zhuǎn)速度R＝30r／min與觸探速度U＝1.0 cm／s，采用直徑為35.7mm的標準探頭，對每個含水率下不同干密度的五個試樣進行旋轉(zhuǎn)觸探試驗。在試驗過程中試樣受到的壓力按照5m埋深控制，豎向加自重應(yīng)力，側(cè)向按照不同深度處土的靜止土壓力施加。試驗結(jié)果表示為錐尖阻力和扭矩隨觸探深度的變化曲線。

圖1 不同含水率下錐尖阻力隨觸探深度的變化曲線Fig.1 The relationship between probe resistance and penetration depth with different water contents.

圖2 不同含水率下扭矩隨觸探深度的變化曲線Fig.2 The relationship between torque and penetration depth with different water contents.

2 試驗成果分析

2.1 不同含水率條件下的試驗結(jié)果分析

根據(jù)前述的試驗分別整理了控制干密度為1.45 g／cm3、1.50g／cm3時不同含水率下錐尖阻力與觸探深度的關(guān)系（圖1），和扭矩與觸探深度的關(guān)系（圖2）。

從圖中可以看出錐尖阻力隨著觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩(wěn)定值；不同含水率下錐尖阻力的穩(wěn)定值不同，穩(wěn)定錐尖阻力隨含水率的增大而減小，但并不是均勻減小的。扭矩隨觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩(wěn)定值；扭矩隨觸探深度的變化與錐尖阻力隨觸探深度的變化趨勢是類似的，也是隨著含水率的增大而減小的。

從圖中我們可以看到，在錐頭逐漸進入土樣的過程中，錐尖阻力和錐尖扭矩是不斷增大的，其過程也是孔穴不斷擴張的過程，待錐頭完全進入土體，孔穴擴張半徑達到最大值時，錐尖阻力和錐尖扭矩在某一穩(wěn)定值上下小范圍波動（當然該波動是其他因素的影響）。這里我們是針對其含水率與干密度對穩(wěn)定錐尖阻力和錐尖扭矩進行分析，對于其他因素的影響暫不做討論。

表1是干密度為1.45g／cm3、1.50g／cm3，不同含水率條件下穩(wěn)定錐尖阻力和穩(wěn)定扭矩的匯總。

表1 不同含水率下穩(wěn)定錐尖阻力與穩(wěn)定扭矩

2.2 不同干密度條件下的試驗結(jié)果分析

根據(jù)前述試驗整理了控制含水率為12%、14%時不同干密度下錐尖阻力與觸探深度的關(guān)系如圖3，和扭矩與觸探深度的關(guān)系如圖4所示。

圖3 不同干密度下錐尖阻力隨觸探深度的變化曲線Fig.3 The relationship between probe resistance and penetration depth with different dry bulk densities.

圖4 不同干密度下錐尖扭矩隨觸探深度的變化曲線Fig.4 The relationship between probe torque and penetration depth with different dry bulk densities.

從上圖中可以看出錐尖阻力隨著觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩(wěn)定值；不同干密度下錐尖阻力的穩(wěn)定值不同，穩(wěn)定錐尖阻力隨干密度的增大而增大。扭矩隨觸探深度的增加而增加，最后趨于一個穩(wěn)定值；扭矩隨干密度的增大而增大，這與錐尖阻力隨干密度的變化趨勢是相類似的。

表2是在這兩級含水率條件下不同干密度的穩(wěn)定錐尖阻力和穩(wěn)定扭矩的匯總。

表2 不同干密度下穩(wěn)定錐尖阻力與穩(wěn)定扭矩

3 結(jié)論

（1）對于試驗研究的土類，錐尖阻力和扭矩隨著觸探深度的增加而增大，最后達到一個穩(wěn)定值；

（2）在試驗范圍內(nèi)，錐尖阻力與扭矩隨含水率的增大而減小，隨干密度增大而增大；

（3）這些試驗結(jié)果不僅能分析上述定性規(guī)律，還將為旋轉(zhuǎn)觸探試驗定量確定土層物理力學性質(zhì)及合理劃分地層，提供定量依據(jù)。

［1］孟高頭.土體原位測試機理方法及其工程應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1997.

［2］徐金明，劉紹峰.巖土工程實用原位測試［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［3］徐舜華，王蘭民，孫軍杰，等.含水量對黃土震陷性定量影響研究［J］.西北地震學報，2010，32（1）：31－35.

［4］劉祖典.黃土力學與工程［M］.西安：陜西科學技術(shù)出版社，1997.

［5］黃興鵲.無電纜全自動連續(xù)貫入靜力觸探試驗［J］.巖土工程界，2003，6（6）：75－77.

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［7］毛玉坤，劉奉銀，李寧，等.CPT理論分析及提高觸探能力的新思路［J］.西北地震學報，2007，29（1）：40－44.

［8］毛玉坤.旋轉(zhuǎn)觸探的阻力影響因素研究與儀器研制［D］.西安：西安理工大學，2007.

［9］羅士梅.新型旋轉(zhuǎn)觸探儀在堅硬黃土中應(yīng)用的試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2008.

［10］鄭菲菲.堅硬黃土新型旋轉(zhuǎn)觸探試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2009.

［11］趙靜源.西安黃土旋轉(zhuǎn)觸探參數(shù)與土性指標關(guān)系的試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2011.