超深型动力触探试验用探杆的杆长修正方法及探杆与流程

1.本发明涉及深层岩土勘察试验技术领域，尤其涉及一种超深型动力触探试验 用探杆的杆长修正方法及探杆。


背景技术：

2.动力触探是工程勘察领域应用非常普遍的一种原位勘察方法，其具有操作简 便、成本低、适应面广的特点，被广泛应用于建筑、交通、水利等各领域的地质 勘察工作。动力触探分为轻型、重型和超重型三种，其中，重型动力触探应用最 为广泛。根据现行规范(《岩土工程勘察规范》gb50021-2001 2009年版)要求， 在使用重型和超重型动力触探进行原位勘察时，需进行杆长修正，即根据动力触 探使用的探杆长度对锤击数进行调整。
3.目前规范给出的重型动力触探杆的杆长修正系数表中的杆长最长为20m，因 此限定了在进行超过20m深度的重型动力触探操作时，无依据对杆长进行修正， 进而将重型动力触探的适用范围限制在20m以内。
4.随着国家基础建设的进一步发展，各种大型工程、巨型工程不断出现，20m 深度限制已无法满足工程勘察工作的深度要求。
5.因此，需要提供一种探杆的长度超过20m的杆长修正方法，以得出适用于超 过20m探杆的杆长修正系数。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种超深型动力触探试验用探杆的杆长修正方法及 探杆，通过改变重型动力触探的制作材料，进而获取全新的修正系数表，间接增 加重型动力触探的使用深度。
7.本发明的技术方案是：一种超深型动力触探试验用探杆的杆长修正方法包 括：
8.1)材料选型
9.重新选择密度小于常规探杆的轻质材料制作新的探杆，且采用新材料制作 探杆的结构力学性能不低于常规探杆；
10.2)材料探杆验证
11.依据荷兰动力公式得出杆长修正与探杆自身质量有关；即在不改变探杆质 量，采用相同杆长的修正系数的前提下，得出由轻质材料制作的探杆的实际长度 超过常规探杆，从而间接实现针对更长探杆的修正；
12.3)杆长修正系数表的修正
13.根据荷兰动力公式对《岩土工程勘察规范》(gb50021) 附录b重型动力触探杆长修正系数表进行修正，其中，m为落锤质量，其为固定 值；m为探杆质量由此获得该轻质材料制作的探杆的杆长修正系数表。
14.利用探杆质量与锤击能量之间的数学关系，采用一种轻型材质制作触探探 杆，同
时保证探杆的结构力学性能不低于常规探杆，这样当探杆质量m与常规探 杆质量相同时，根据修正原理，可采用相同的杆长修正系数，而此时由轻质材料 制作的探杆实际长度超过常规探杆，从而间接的实现针对更长探杆的修正。
15.优选的，步骤1)中，所述结构力学性能指新材料探杆的承载力和稳定性。
16.优选的，所述步骤1)还包括对轻质材料制作的探杆与常规探杆的进行抗压 承载力和抗弯刚度复核。
17.优选的，步骤3)中，可忽略《岩土工程勘察规范》附录b重型动力触探杆 长修正系数表中不需进行修正的2m杆长的影响。本发明提及的《岩土工程勘察 规范》为gb50021-2001版本。
18.优选的，用所述轻质材料制作的探杆的杆长修正系数表如下：
[0019][0020]
本发明还提供一种探杆，由密度小于常规探杆的轻质材料制作探杆。
[0021]
优选的，所述轻质材料选用高模量铝合金。
[0022]
优选的，所述高模量铝合金含量为：mg:4.1％，ce:1.2％， mn:3.0％,cr:4.0％,v:3.0％；其密度为2.7g/cm3，杨氏模量为94.5gpa，屈服强度 214mpa。
[0023]
与相关技术相比，本发明的有益效果为：
[0024]
一、本发明紧密结合规范，以规范中对该试验原理的说明为依据，设计了 一种对锤击数修正系数表的修正方法，又利用高模量铝合金密度低的性质，制作 探杆，在符合规范的理论体系和修正系数表的基础上，将重型圆锥动力触探修正 系数由杆长20m扩展到杆长43.7m；
[0025]
二、根据《岩土工程勘察规范》(gb50021-2001)(2009年版)中对圆锥 动力触探荷兰公式的要求，将探杆的质量作为变量引入锤击数修正系数表，采用 高模量铝合金材料制作探杆，在满足探杆强度和刚度要求的前提下，减小探杆单 位长度质量，从而对规范中的锤击数修正系数表进一步修正，使其可以涵盖更长 的探杆，从而在满足规范要求的前提下增加重型动力触探的试验深度。
具体实施方式
[0026]
本实施例提供的一种超深型动力触探试验用探杆的杆长修正方法包括：
[0027]
步骤s1，理论分析
[0028]
动力触探是将重锤打击在一根细长杆件(探杆)上，锤击会在探杆和土体中产生应力波，若略去土体震动的影响，那么动力触探锤击贯入过程，可用弹性杆波动理论或牛顿弹性碰撞理论描述。国内现行的规范《岩土工程勘察规范》(gb50021-2001)(2009年版)是依据牛顿弹性碰撞理论对动力触探进行分析的。
[0029]
根据能量守恒原理，一次锤击作用下的功能转换，其关系可写成：
[0030]em
＝ek+ec+ef+e
p
+ee(1)
[0031]
式中：
[0032]em
——穿心落锤下落能量，单位：j；
[0033]ek
——锤与触探器碰撞时损失的能量，单位：j；
[0034]
ec——触探器弹性变形所消耗的能量，单位：j；
[0035]ef
——贯入时用于克服杆侧壁的摩阻力所消耗的能量，单位：j；
[0036]ep
——由于土的塑性变形而消耗的能量，单位：j；
[0037]
ee——由于土的弹性变形而消耗的能量，单位：j。
[0038]
落锤能量来自于势能：
[0039]em
＝mghη(2)
[0040]
式中：
[0041]
m——落锤质量，单位：kg；
[0042]
h——落锤落距，单位：m；
[0043]
g——重力加速度，单位：m/s2；
[0044]
η——落锤效率(受绳索、卷筒等摩擦的影响，当采用自动脱钩装置时取1)。
[0045]
步骤s2，材料选型与新材料探杆验证
[0046]
落锤下落碰撞触探器时，认为其发生完全非弹性碰撞，机械能损失最大，将探杆假定为刚性体，不考虑摩擦影响，不考虑土发生弹性变形。取圆锥探头及探杆质量为m(kg)，探头截面积为a(cm2)，每击贯入度为e(cm)，设落锤与触探器碰撞前速度为v1，发生完全非弹性碰撞后，落锤与探杆速度具有相同速度，系统的速度为v2，由动量守恒和机械能守恒原理可知：
[0047][0048]
mv1＝(m+m)v2(4)
[0049][0050]
式中：
[0051]
qd——动贯入阻力，单位：mpa；
[0052]
将上三式联立，可推得：
[0053][0054]
上式(6)即为规范(《岩土工程勘察规范》(gb50021-2001)(2009年版))10.4.1条文说明中所列荷兰动力公式，由此公式可知，当探杆较长，探杆质量m较大时，qd会减小，所
以需要对锤击数进行杆长修正。规范(《岩土工程勘察规 范》(gb50021-2001)(2009年版))中的锤击数修正系数是以牛顿非弹性碰撞 理论为基础，兼顾考虑锤击数n后形成的，由此可知，现行规范对重型动力触探 的杆长修正是基于探杆自身质量确立的。
[0055]
因此得出采用一种轻型材质制作触探探杆，同时保证探杆的结构力学性能不 低于常规探杆，这样当探杆质量m与常规探杆质量相同时，根据修正原理，可采 用相同的杆长修正系数，而此时由轻质材料制作的探杆实际长度超过常规探杆， 从而间接的实现针对更长探杆的修正。
[0056]
常规圆锥重型动力触探的探杆材质为普通空心钢管，外径42mm，内径31mm， 单位长度质量为4.92kg，在选择替代材料制作探杆时，除了要求质量更轻外， 力学性能和结构性能必须不低于原探杆。经过比选，选用高模量铝合金(mg:4.1％， ce:1.2％，mn:3.0％,cr:4.0％,v:3.0％)制作探杆，其密度为2.7g/cm3，杨氏模量 为94.5gpa，屈服强度214mpa。经过计算，最终确定铝合金探杆为中空杆，其外 径为58mm，内径为48mm。
[0057]
使用高模量铝合金制作探杆，尚需使其力学性质不低于常规设备使用的普通 钢制探杆，主要针对承载力和稳定性进行对比分析。
[0058]
步骤s2.1，探杆承载力计算
[0059]
常规设备的普通探杆采用q235钢材，屈服强度235mpa，与高模量铝合金探 杆的力学性能和承载力对比计算见表1。由对比结果可知，按设计截面尺寸(外 径为58mm，内径为48mm)制作的高模量铝合金探杆，承载能力是常规探杆的1.20 倍。
[0060]
表1常规探杆与高模量铝合金探杆承载力计算表
[0061][0062]
步骤s2.2，探杆稳定性计算
[0063]
根据材料力学压杆稳定欧拉临界力计算公式：
[0064][0065]
式中：
[0066]
ei——材料的弯曲刚度，单位：kn
·
m2；
[0067]
μ——探杆压曲稳定系数，将探杆整体简化为2端铰支的杆系结构。
[0068]
由公式(7)可知，在两端约束情况和长度相同的情况下，探杆稳定的临界 力与ei成正比，对于使用高模量铝合金制作的探杆，为保证其稳定性不低于常 规探杆，只需要与常规探杆进行抗弯刚度ei的比较即可，具体计算见表2。
[0069]
表2常规探杆与高模量铝合金探杆截面参数对比表
[0070][0071]
由上表中的对比结果可知，按设计截面尺寸制作的高模量铝合金探杆，抗弯 刚度ei是常规探杆的1.24倍。
[0072]
根据常规探杆和高模量铝合金探杆力学性质的对比，可知外径58mm、内径 48mm的高模量铝合金探杆无论是承载力还是稳定性均优于常规钢制探杆，可满 足试验需要。
[0073]
步骤s3，杆长修正系数表的修正
[0074]
由荷兰动力公式可知，在一定的贯入度下，动贯入阻 力与成正比。重型动力触探的落锤质量m＝63.5kg，为固定值；再忽略《岩 土工程勘察规范》(gb50021-2001)附录b重型动力触探杆长修正系数表中不需进 行修正的2m杆长的影响，即根据常规探杆的单位长度质量计算相应杆长时的探 杆质量，再按照高模量铝合金探杆的单位长度质量换算杆长，将此杆长替代表中 杆长。按常规探杆和高模量铝合金探杆的截面尺寸(外径为58mm，内径为48mm) 及密度计算，常规探杆的单位长度质量为4.92kg/m，高模量铝合金探杆的单位 长度质量为2.25kg/m，二者质量对比见表3。
[0075]
表3常规探杆与高模量铝合金探杆质量对比表
[0076][0077][0078]
将高模量铝合金探杆的杆长替换《岩土工程勘察规范》(gb50021-2001)附录 b中的杆长，最终得到适用于高模量铝合金探杆的重型动力触探杆长修正系数 表，见表4。
[0079]
表4高模量铝合金探杆对应的杆长修正系数表(重型动力触探)
[0080][0081]
至此，通过使用高模量铝合金材料制作重型动力触探探杆，并根据《岩土工 程勘察规范》(gb50021-2001)条文说明中的杆长修正原理，依据探杆的物理力学 参数对原重型动力触探修正系数表进行了调整，从而得到43.7m以内的重型动力 触探杆长修正系数。使用本发明的重型动力触探探杆，配合修正系数表，可完成 43.7m范围内的重型动力触探试验。
[0082]
本发明还提供一种采用密度小于常规探杆的轻质材料制作而成的探杆，根据 上述修正方法的验证，轻质材料优选为高模量铝合金，所述高模量铝合金含量为： mg:4.1％，ce:1.2％，mn:3.0％,cr:4.0％,v:3.0％；其密度为2.7g/cm3，杨氏模量为 94.5gpa，屈服强度214mpa。
[0083]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用 本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相 关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。