新型旋转触探仪在坚硬黄土中应用的试验研究
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摘要
我国应用静力触探技术已经有50多年的历史,与传统的钻探相比,静力触探具有资料连续、直观、可靠和重复性好的特点。作为目前原位测试方法中常用的一种测试手段,静力触探已经广泛应用于岩土工程,在工程勘察中占有很重要的位置。但是由于目前静力触探设备受到触探能力的限制,使其难以在坚硬黄土及软岩等硬质地层中获得准确的测试成果。
本文对西安理工大学研制的新型旋转触探仪进行了合理性和准确性的试验验证,结果表明该试验仪器完成了可以单独控制触探力、触探速度或旋转速度,可以控制和施加试样所受的围压和轴向压力,用来模拟试样所处的不同深度处受到的地层压力,达到了仪器开发研制的目的。
本文应用新型旋转触探仪对陕西西安黄土进行了室内试验研究,通过与国内常用的传统静力触探试验方法进行对比,结果显示旋转能够有效提高触探设备的触探能力。根据已有的触探阻力计算理论,分析了旋转触探阻力的影响因素,这些因素主要包括探头直径、锥尖角度、触探速度,本文的试验结果还揭示旋转速度对触探阻力也有一定影响。通过对比各种不同的参数对旋转触探锥尖阻力的影响结果,进行了详细的分析研究,为更有效地提高触探能力提供了有力的证据。
旋转触探试验中的锥尖阻力还与土样自身的性质有着密切的关系,本文在验证新仪器准确、合理性的基础上,定量地研究了旋转触探试验中的关键参数:探头锥尖阻力和旋转扭矩与黄土的干密度、含水量和强度指标之间的关系,得出了各自的经验拟合关系。为进一步扩展旋转触探在实际硬质地层中的应用,进而为室内旋转触探试验最终走向现场迈出了坚实的一步。
Cone penetration test (CPT) has been gradually used more than 50 years in China in a wide area of engineering, and now is accepted by geotechnical engineers as an in-situ testing measure. Compared with traditional drilling testing, CPT has many advantages, such as its continuum of data obtain, intuitive, reliability and repeatability. CPT, as a common by used in-situ testing measure, has a very important status in engineering reconnaissance, and has been applied widely into the actual projects. However, the limitation of penetration capability of cone penetration apparatus sets an obstacle on accurate determination in hardpans, such as hard loess and soft rock layers.
In this paper, the accuracy and rationality of the newly developed rotary penetration apparatus have been verified, and the conclusion is that this apparatus can control the penetration force, the velocity of penetration or rotary velocity respectively. In addition, it is concluded that the apparatus can simulate the sample compressed by layers in different depth by controlling and imposing the lateral pressure and vertical pressure on the sample.
The research focuses mainly on the rotary penetration in Xi'an Loess in laboratory. Through the comparison of the domestically common-used testing approach and the rotary penetration approach, it is proved that the rotary penetration apparatus can improve the penetration capability. The analysis shows that, the main penetration ability is influenced by the effect factors as follows: the diameter of cone probe, the velocity of penetration, and velocity of rotary. With the comparison of Probe resistance results calculated with different parameters, the analysiss, has given strong evidences to support that the apparatus can improve the capacity of penetration.
The probe resistance in the rotary penetration has a closed relationship with the sample property, and another important outcome in this paper is about the quantitative analysis on the relationship between loess shear strength strength and key testing parameters, such as probe resistance and rotating torque, which is on the foundation of the new apparatus's veracity and rationality. This work significantly extends the application of rotary penetration from laboratory test to actual applications.
本文对西安理工大学研制的新型旋转触探仪进行了合理性和准确性的试验验证,结果表明该试验仪器完成了可以单独控制触探力、触探速度或旋转速度,可以控制和施加试样所受的围压和轴向压力,用来模拟试样所处的不同深度处受到的地层压力,达到了仪器开发研制的目的。
本文应用新型旋转触探仪对陕西西安黄土进行了室内试验研究,通过与国内常用的传统静力触探试验方法进行对比,结果显示旋转能够有效提高触探设备的触探能力。根据已有的触探阻力计算理论,分析了旋转触探阻力的影响因素,这些因素主要包括探头直径、锥尖角度、触探速度,本文的试验结果还揭示旋转速度对触探阻力也有一定影响。通过对比各种不同的参数对旋转触探锥尖阻力的影响结果,进行了详细的分析研究,为更有效地提高触探能力提供了有力的证据。
旋转触探试验中的锥尖阻力还与土样自身的性质有着密切的关系,本文在验证新仪器准确、合理性的基础上,定量地研究了旋转触探试验中的关键参数:探头锥尖阻力和旋转扭矩与黄土的干密度、含水量和强度指标之间的关系,得出了各自的经验拟合关系。为进一步扩展旋转触探在实际硬质地层中的应用,进而为室内旋转触探试验最终走向现场迈出了坚实的一步。
Cone penetration test (CPT) has been gradually used more than 50 years in China in a wide area of engineering, and now is accepted by geotechnical engineers as an in-situ testing measure. Compared with traditional drilling testing, CPT has many advantages, such as its continuum of data obtain, intuitive, reliability and repeatability. CPT, as a common by used in-situ testing measure, has a very important status in engineering reconnaissance, and has been applied widely into the actual projects. However, the limitation of penetration capability of cone penetration apparatus sets an obstacle on accurate determination in hardpans, such as hard loess and soft rock layers.
In this paper, the accuracy and rationality of the newly developed rotary penetration apparatus have been verified, and the conclusion is that this apparatus can control the penetration force, the velocity of penetration or rotary velocity respectively. In addition, it is concluded that the apparatus can simulate the sample compressed by layers in different depth by controlling and imposing the lateral pressure and vertical pressure on the sample.
The research focuses mainly on the rotary penetration in Xi'an Loess in laboratory. Through the comparison of the domestically common-used testing approach and the rotary penetration approach, it is proved that the rotary penetration apparatus can improve the penetration capability. The analysis shows that, the main penetration ability is influenced by the effect factors as follows: the diameter of cone probe, the velocity of penetration, and velocity of rotary. With the comparison of Probe resistance results calculated with different parameters, the analysiss, has given strong evidences to support that the apparatus can improve the capacity of penetration.
The probe resistance in the rotary penetration has a closed relationship with the sample property, and another important outcome in this paper is about the quantitative analysis on the relationship between loess shear strength strength and key testing parameters, such as probe resistance and rotating torque, which is on the foundation of the new apparatus's veracity and rationality. This work significantly extends the application of rotary penetration from laboratory test to actual applications.
引文
[1]徐超等.岩土工程原位测试[M].同济大学出版社.2005
[2]孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用[M].地质出版社.1997
[3]徐金明等.岩土工程实用原位测试技术[M].中国水利水电出版社.2007
[4]高颂东.静力触探技术在天津软土地区的应用研究[D].硕士学位论文,天津大学研究生院,2006,8
[5]中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范(GB50021—2001).中国建筑工业出版社,2001
[6]刘祖典.黄土力学与工程[M].陕西科学技术出版社.1997
[7]杨鹏.应力路径对饱和原状黄土的变形强度特性的影响[D].硕士学位论文,西安理工大学,2007,3
[8]毛玉坤.旋转触探阻力影响因素分析与室内仪器研制方案设计[D].硕士学位论文,西安理工大学大学,2007,3
[9]毛玉坤,刘奉银,李宁.CPT理论分析及提高触探能力的新思路[J].西北地震学报,2007,3(1):40-44
[10]孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用[M].地质出版社.1997
[11]J.J.M.Brouwer,Guide to cone penetration testing[M].2002
[12]唐贤强,叶启民.静力触探[M].北京:中国铁道出版社,1981
[13]袁聚云,徐超,赵春风等.土工试验与原位测试[M].同济大学出版社.2004
[14]陈强华,俞调梅.静力触探在我国的发展[J].岩土工程学报,1991,13(1):84-85
[15]Janbu N & Sennest K.Effective stress interpretation of in-situ static penetration tests.In:Robertson P K,ed.Proc European Symp.On Penetration Testing,ESOPT I A A Balkema,1974-12-06-12.Rotterdam:AA Balkema Publisher,1974.479-488
[16]黄兴鹊.无电缆全自动连续贯入静力触探试验[J].岩土工程界,2003,6(6):75-77
[17]刘松玉,吴燕开.论我国静力触探技术(CPT)现状与发展[J].岩土工程学报,2004,26(4):553-556
[18]Rad N S,Tumay,M T.Effect of Cementation on the Cone Penetration Resistance of Sand[C].In Use of In Situ Tests in Geotechnical Engineering,Proceedings of In Situ 86 Blacksburg,Rotterdam:AA Balkem a Publisher,1986:926-948
[19]Kurup P U.Calibration of a Miniature Cone Penetrometer for Highway Applications[J].Transportation Research Record,1998,2(1614):8-13
[20]Mohammad L N,TitiH H,Herath A.Evaluation of Resilient Modulus of Subgrade Soil by Cone Penetration Tests[J].Transportation Research Record.1999,1(1652):236-245
[21]崔新壮,丁桦,金青,等.微型触探仪的研制与粉质粘土中的静力触探试验研究[J].实验力学,2005,20(2):207-212
[22]施斌,刘志彬,蔡奕.超微型贯入仪的研制及其应用[J].岩土力学,2005,(26)8:1211-1215
[23]高颂东.静力触探技术在天津软土地区的应用研究[D].硕士学位论文,天津大学研究生院,2006,8
[24]高颂东.静力触探技术在天津软土地区的应用研究[D].硕士学位论文,天津大学研究生院,2006,8
[25]李永乐.岩土工程勘察[M].黄河水利出版社.2004
[26]陈维家,汪火旺.静力触探中土层界面效应试验研究[J].水文地质工程地质,2003(2):25-27
[27]徐华.孔压静力触探试验在上海地区的应用[J].岩土工程技术,1999(3):57-59
[28]鲁少宏,姜珂.用孔隙水压力静力触探划分地基土的土层及土类[J].公路,2006(6):62-65
[29]邓志辉,王岳.运用静力触探曲线特征划分松软土层的探讨[J].西部探矿工程,2005(7)19-21
[30]程建军,郭桂仁.静力触探在管道勘察中的划分土层应用实践[J].西部探矿工程,2005(6):18-19
[31]唐贤强,叶启民.静力触探[M].中国铁道出版社,1981
[32]A.C.Meigh:Cone Penetration Testing methods and interpretation[M].(CIRIA)Butterworth,1987
[33]Robertson,P.K.,et al.,Use of piezometer cone date[J],in-situ 1986,ASCE Speciality conference,Blacksburg,Va.1986
[34]中华人民共和国行业标准.铁路工程地质原位测试规程[S].中国建筑工业出版社,2003
[35]中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范(GB50021—2001)[S]..中国建筑工业出版社,2001
[36]Z.Cheng-hou,G..Greeuw J.Jekel and W.Rosenbrand.A new classification chart for soft soils using the piezocone test[J].Engineering Geology,1990
[37]聂守智.用XC—1型袖珍触探仪测定液塑限的新方法[J].岩土工程学报,1995,17(5):74-79
[38]赵树德主编.土力学[M].高等教育出版社,2001
[39]王钟琦.岩土工程测试技术[M].中国建筑工业出版社.1986
[40]孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[M].中国建筑工业出版社.1984
[41]陈维佳,姚锋杰.砂土比贯入阻力s P与相对密度r D的关系[J].水文地质工程地质,2003(1):36-38
[42]叶观宝,汤竞,徐超等.利用孔压静力触探试验估算沉桩过程中产生的超孔隙水压力[J].工程力学,2005,22(增):194-198
[43]叶观宝,汤竞,徐超等.利用孔压静探估算粘土的土性参数[J].公路交通科技,2005,22(4):23-26
[44]于元峰,张喜发,李芳.沙漠砂变形模量和地基承载力试验研究[J].岩土工程界,2003
[45]杜学玲,杨广庆,陈明长等.塔克拉玛干沙漠砂静力触探试验研究[J].岩土力学,2006,27(4):673-676
[46]石明生,张智勇,魏杰.静力触探确定地基承载力的理论公式[J].郑州工学院学报,1994,15(3):34-40
[47]王传焕.用静力触探确定天然地基的极限承载力[J].铁道勘察,2006(3):34-36
[48]陈兴长,陈慧.应用静力触探试验确定粉质粘土承载力的研究[J].四川建筑,2005,25(1):62-64
[49]林之航,黄真萍,蔺保云.应用双桥静力触探试验确定淤泥承载力[J].岩土工程界,2006,9(4):30-34
[50]王俊奇,高成雷,李健.静力触探方法确定细粒土承载力的研究[J].石家庄铁道学院学报,1999,12(2):62-65
[51]程强,罗书学,黄绍槟.地基承载力经验公式的变异性分析[J].岩土力学,2005,26(3):423-426
[52]赵春风,蒋东海,崔海勇.单桩极限承载力的静力触探估算法研究[J].岩土力学,2003,26(增):408-410
[53]陈国政,景英仁.用静力触探试验指标估算黄土地基单桩承载力[J].勘察科学技术,1995,(1):12-16
[54]南京水利科学研究院土工研究所编著,土工试验技术手册[M].人民交通出版社.2003
[55]郭培军,李克钏.用静力触探判别饱和砂土的液化势[J].岩土工程学报,1989.1
[56]杨灿文,沈纹,贾祥云.南京大桥可液化地基的加固标准和加固范围的试验研究和分析及加固试验实例.第三届全国土动力学学术会议论文集[C].1990.5
[57]唐贤强、谢瑛等,地基工程原位测试技术[M],北京:中国铁道出版社,1993
[58]岩土工程手册编写委员会,岩土工程手册[M],北京:中国建筑工业出版社,1995
[59]高颂东.静力触探参数与地基土物理力学指标(天津地区)相关分析研究[J].岩土工程界,第6卷第7期
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[62]铁道科学院铁建所.铁道部《几种原位测试技术研究》课题研究资料[M].北京:铁道科学院,1988
[63]静力触探协作组.静力触探机理的模型试验[J].长沙铁道学院学报,第一期,1984
[64]林在贯,高大钊.岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.
[65]赵伟民,诸文农.对土的三维掘削模式的分析[J].吉林工业大学学报,1998,3
[66]赵伟民,国内外螺旋钻孔机发展概况[J].吉林工业大学学报,1998,3
[67]赵伟民,陆念力,施引蕃,梁武.回转斗掘削岩土的功率消耗计算[J].建筑机械,2000(10)
[68]赵伟民,顾迪民,迟大华,牛红.螺旋钻具上的土的动力分析[J].哈尔滨工业大学学报,第32卷第4期,1999,8
[69]赵伟民,吴雪梅,顾迪民,诸文农.螺旋钻孔机的最近动态[J].建筑机械化,1998,No.5
[70]赵伟民,吴雪梅,牛红,诸文农.螺旋钻孔机合理提钻方式的研究[J].建筑机械化,2000(1)
[71]赵伟民,顾迪民,诸文农.土的基本掘削形态及分析[J].哈尔滨工业大学学报,第31卷第1期,1998,2
[2]孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用[M].地质出版社.1997
[3]徐金明等.岩土工程实用原位测试技术[M].中国水利水电出版社.2007
[4]高颂东.静力触探技术在天津软土地区的应用研究[D].硕士学位论文,天津大学研究生院,2006,8
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[23]高颂东.静力触探技术在天津软土地区的应用研究[D].硕士学位论文,天津大学研究生院,2006,8
[24]高颂东.静力触探技术在天津软土地区的应用研究[D].硕士学位论文,天津大学研究生院,2006,8
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[50]王俊奇,高成雷,李健.静力触探方法确定细粒土承载力的研究[J].石家庄铁道学院学报,1999,12(2):62-65
[51]程强,罗书学,黄绍槟.地基承载力经验公式的变异性分析[J].岩土力学,2005,26(3):423-426
[52]赵春风,蒋东海,崔海勇.单桩极限承载力的静力触探估算法研究[J].岩土力学,2003,26(增):408-410
[53]陈国政,景英仁.用静力触探试验指标估算黄土地基单桩承载力[J].勘察科学技术,1995,(1):12-16
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[62]铁道科学院铁建所.铁道部《几种原位测试技术研究》课题研究资料[M].北京:铁道科学院,1988
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[66]赵伟民,国内外螺旋钻孔机发展概况[J].吉林工业大学学报,1998,3
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[68]赵伟民,顾迪民,迟大华,牛红.螺旋钻具上的土的动力分析[J].哈尔滨工业大学学报,第32卷第4期,1999,8
[69]赵伟民,吴雪梅,顾迪民,诸文农.螺旋钻孔机的最近动态[J].建筑机械化,1998,No.5
[70]赵伟民,吴雪梅,牛红,诸文农.螺旋钻孔机合理提钻方式的研究[J].建筑机械化,2000(1)
[71]赵伟民,顾迪民,诸文农.土的基本掘削形态及分析[J].哈尔滨工业大学学报,第31卷第1期,1998,2