动力触探测试法的基本原理

Question

如题所述

Answer 1

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，如果略去土体震动的影响，那么动力触探锤击贯入过程可用一维波动方程来描述。

图3—1　DPT能量平衡示意图

1—导杆；2—穿心锤；3—锤座；4—探杆；5—探头

动力触探基本原理也可以用能量平衡法来分析。动力触探能量平衡模型如图3—1所示。在一次锤击作用下的功能转换，按能量守恒原理，其关系可写成：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：E_m——穿心锤下落能量；

E_k——锤与触探器碰撞时损失的能量；

E_c——触探器弹性变形所消耗的能量；

E_f——贯入时用于克服杆侧壁摩阻力所耗能量；

E_p——由于土的塑性变形而消耗的能量；

Ee——由于土的弹性变形而消耗的能量。

各项能量的计算式如下：

落锤能量：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：M——重锤质量；

h——重锤落距；

g——重力加速度；

η——落锤效率（其受绳索、卷筒等摩擦的影响，当采用自动脱钩装置时，η＝1）。

碰撞时能耗，根据牛顿碰撞理论得：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：M,g,h——意义同（3—2）式；

m——触探器质量；

k——与碰撞体材料性质有关的碰撞作用恢复系数。

触探器弹性变形的能耗：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：l——触探器长度；

E——探杆材料弹性模量；

a——探杆截面积；

R——土对探头的贯入总阻力。土的塑性变形能：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：R——意义同（3—4）式；

S_p——每锤击后土的永久变形量（可按每锤击时实测贯入度e计）。土的弹性变形能：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：R——意义同（3—4）式；

S_e——每锤击时土的弹性变形量。

S_e值在试验时未测出，可利用无限半空间上点荷载明德林（Mindlin）的解，并通过击数与土的刚度建立的如下关系确定。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：R意义同（3—4）式；

D——探头直径（m）;

A——探头截面积（m²）；

N——永久贯入量为0.1m时的击数；

P₀——基准压力，Po=1kPa；

β——土的刚度系数（经验值：粘性土，β＝800；砂土，β＝4000）。

将式（3—1）至式（3—6）合并整理得：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：f为土对探杆侧壁摩擦力（kN）；其他符号意义同（3—1）至（3—6）式。

如果将探杆假定为刚性体（即杆无变形），不考虑杆侧壁摩擦力影响，则（3—8）式变成海利（Hiley,A.）动力公式：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

考虑在动力触探测试中，只能量测到土的永久变形，故将和弹性有关的变形略去。因此，土的动贯入阻力R_d也可表示为（3—10）式，称荷兰动力公式。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：e——贯入度（mm），即每击的贯入深度；

，△S为每一阵击贯入深度（mm）;n为相应的一阵击锤击数；

A——圆锥探头底面积（m²）。