无缆触探给水系统的结构设计与应用

董永刚

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



无缆触探给水系统的结构设计与应用

董永刚

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

静力触探是一种在铁路工程勘察中广泛应用的地质原位测试方法，常规测试深度浅，使其推广受到限制。从影响触探深度因素之一的侧壁摩阻力出发，采用注入润滑剂的方法减小探杆与孔壁之间的摩擦力。通过设计及分析，在探头上部50cm处加设具有向上返水功能的给水结构，并进行试验检验，最终实现深层触探的目的。通过与常规测试数据对比，该结构对测试数据无影响。

静力触探给水系统结构设计

触探技术是工程勘察中的一种常用手段，具有快捷、经济、测试资料连续、可靠度高等优点，尤其适用于高速铁路及公路这种条带形分布、范围宽广的大型工程。现有触探设备受探入深度上的限制，极大地制约了其应用领域和范围。为解决上述问题，通过工艺研发最终实现了深层静力触探的目的。主要目标为：①穿透硬砂层，满足地质要求；②与常规测试数据一致，无须进行修正。

1　设计思路

在静力触探测试过程中，探头、探杆会与土层之间产生摩擦，阻碍探头、探杆的贯入，且此摩擦力会随着深度的增加而增大，这一规律符合一般的认识。静力触探设备提供的贯入力用于抵消探头端面积的端阻力和探头探杆周面积的摩阻力，即

T=Q+F

因为探头的长度较短，在深孔静探中可忽略其侧壁摩擦对静探深度的影响，此处只着重分析探杆侧壁摩擦对触探深度的影响。在遇到砂层时，摩阻力一般可达fs=300kPa，以一根1m的φ40探杆为例，探杆周面积的摩阻力为

Fs=fs×Π×d×l=300 kPa×3.14×

40 mm×1 m×10-3=37.68 kN

当触探车提供的贯入力有37.68 kN用来抵消探杆周面积的摩阻力时，相应的触探车就要拥有相当于3.8 t的反力来稳定设备，而这仅仅是1 m探杆所需的反力。

随着触探深度的加深，会给触探车的反力系统带来沉重的负担。现工程中使用的触探车的自重再加上地锚等作用，可提供的反力不超过15 t。因此，探杆侧壁摩阻力对触探深度有非常大的影响。

由上述分析可知，随着触探深度的增加，触探设备提供的贯入力大部分都消耗在探杆的周面积摩擦力上，应该采取必要措施降低探杆周面积摩阻力，使触探设备的贯入力集中到克服探头的端面积阻力上，提高触探设备的贯入能力。

在探头上部加设具有返水功能的给水结构，泥浆泵通过探杆、给水结构使其润滑剂注入孔壁与探杆之间，降低探杆与孔壁之间的摩擦力，从而增加有效贯入力。但要注意的是，此方法虽可以增加有效贯入深度，但是取得的测试数据需与常规数据要有一致性。因此，需要考虑给水结构在探头上部的具体位置。如果给水结构的位置过于靠近探头，在整根探杆没有全部贯入或者加接探杆时，渗流速度大于贯入速度或者渗流速度大于加接探杆时间，润滑剂就有可能渗透到探头位置处，将影响测试数据的准确性；如果给水结构的位置过于远离探头，对降低摩擦力的效果不明显。

为实现最大贯入深度，降低给水结构对测试数据的影响，从给水结构需要满足的功能出发，通过设计及分析，并经过外业试验验证，最终验证了给水结构的应用效果和数据的一致性。

2　给水结构设计及分析

2.1给水结构设计

给水结构应具备以下功能：(1)通过泥浆泵、探杆、出水孔注入的润滑剂不应直接冲刷土体，避免塌孔；(2)注入到孔壁与探杆之间的润滑剂应向上反喷，如在水压力作用下直接向下流向探头本体将会对测试数据造成一定影响，无法使用现有的静力触探规范和经验；(3)反复上提或下压探杆，土或砂不能堵塞出水孔，从而实现润滑效果。设计的给水结构如图1～图3所示。

注：1—出水接头；1-1轴心盲孔；1-2出水孔；1-3环形凸台；2—挡水套；2-1环形册槽；2-2缩径下表面；3—存储杆；4—探头本体图1　无缆触探给水结构半剖面

图2　图1A部放大视图

图3　挡水套上行状态示

该结构的特点：(1)在贯入过程中，润滑剂在给水结构的作用下改变流向，润滑剂经探杆、出水孔向上反喷到孔壁与探杆之间，保证了润滑效果；(2)探杆上提时，给水结构中的挡水套下行，出水孔封闭，避免堵塞。

2.2确定给水结构加设位置

润滑剂经给水结构向上流向探杆与孔壁之间，向上一定高度后泥浆或水向下渗入。在土砂层中，砂层的渗透系数相对于土层较大，水相对于泥浆阻力小，按照最不利因素考虑，设定为水在砂层中渗流。渗透系数的经验数据见表1。

表1　渗透系数经验数据

按润滑剂在出水口时压力为100 kPa，粗砂地层渗透系数为0.6 mm/s，探头处无水的最不利情况组合，可得润滑剂的渗透速度

要保证润滑剂不影响触探头所测试地层，润滑剂的渗透速度v润滑剂小于静力触探探头贯入速度v触探=20 mm/s即可，因此可得

考虑一定的安全系数，初步确定在探头50cm后增设给水结构。

3　试验检验

在确定探头后部50cm处加设给水结构的设计方案后，在多个项目中采用不同工艺进行了测试工作。结果表明，新技术的测试深度有了较大的提高。项目组在邯黄线、保税区、空港和临港工业区等项目中做了四组现场试验，对静探的干湿情况进行对比，选取有代表性的曲线如图4所示，从图4中可以看出，加入循环水作为润滑剂后，对触探的参数测试没有影响，实现了深层静力触探研发的目的。

图4　空港深层静力触探干湿对比曲线

4　结论

(1)提出在静力触探贯入过程中通过给水结构采用注入润滑剂的方法减小侧壁摩阻力。

(2)从给水结构应具备的功能综合考虑，同时进行理论分析，并考虑一定的安全系数，确定在探头上部50cm处加设给水结构。

(3)通过外业试验，采用此方法后测试深度有了较大的提高。

(4)通过在多个项目进行的多组干湿对比试验，注入润滑剂的测试数据与常规静力触探试验数据基本一致，无须进行修正。

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Wireless Cone Penetration Test Water Supply System Design and Application

DONG Yonggang

2016-05-10

董永刚(1983—)，男，2008年毕业于中国地质大学(武汉)勘查技术与工程专业，工程师。

1672-7479(2016)04-0052-03

TU413

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