应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤及试验方法与流程

1.本发明涉及工程钻探测试技术领域，更具体地说它是一种应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤，更具体地说它是一种体积小，可在钻孔内运动完成标准贯入试验的标准贯入试验锤。本发明还涉及应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤的标准贯入试验方法。


背景技术：

2.不管是修建水库大坝还是深埋隧道都经常遇到深厚覆盖层问题，覆盖层的性状是影响大坝的安全运行和隧道施工安全的关键因素，所以，必须查明深厚覆盖层的性状。现有的覆盖层测试技术有：采取原装土样，静力触探试验，标准贯入试验，十字板剪切试验，旁压试验。采取原装土样、静力触探试验、十字板剪切试验和现有的标准贯入试验均不适用于深部地层的测试，特别是深部砂层、砂卵石的测试。旁压试验对钻孔孔壁的完整性要求高，砂层、砂卵石地层孔壁多不完整，因此，旁压试验对地层深部的砂层、砂卵石地层也不适用。
3.目前，在工程地质勘察领域，进行钻孔标准贯入试验的地层埋深一般小于20m，国内相关规范明确的标准贯入杆长修正最大深度为21m。此外，标准贯入器采用钻杆下入孔底，通过钻杆将地面以上标准贯入锤冲击能传递到孔底的标准贯入器，杆长越大，冲击能损耗越大，取得的试验数据不能代表深部地层的真实性状，无法应用。
4.深部地层测试是一个长期困扰大型工程勘察的难题。目前没有合适的测试技术对深部地层进行测试。
5.因此，开发一种能实现深部地层测试的孔内标准贯入试验锤很有必要。


技术实现要素：

6.本发明的第一目的是为了提供一种应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤，体积小，可在钻孔内运动完成标准贯入试验，适用性强，本发明通过孔内导向装置和孔内标准贯入锤的结合使用，使其适用于各种地质条件下的深厚覆盖层的测试，尤其适用于地层深部的砂层、砂卵石地层。
7.本发明的第二目的是为了提供应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤的标准贯入试验方法，将标准贯入试验锤由地表运动完成试验转变为由钻孔内运动完成试验，试验数据准确、不用进行杆长换算，操作简便。
8.为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤，其不同之处在于：应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤在钻孔内使用；
9.应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤包括孔内标准贯入试验锤和孔内导向装置；
10.孔内标准贯入试验锤为穿心锤；
11.孔内标准贯入试验锤包括孔内标准贯入锤和贯入锤内杆；
12.贯入锤内杆贯穿孔内标准贯入锤；贯入锤内杆的上端向上伸出孔内标准贯入锤与测绳连接，下端向下伸出孔内标准贯入锤、且通过锤击底座与连接杆连接；连接杆与标准贯入器连接；
13.孔内导向装置用于使标准贯入器和贯入锤内杆完全位于钻孔中心；孔内导向装置分别设置在贯入锤内杆的上端、连接杆与标准贯入器的连接处；
14.孔内导向装置呈两端内凹、中部外凸的结构；孔内导向装置的外凸部分的直径小于钻孔孔径、且紧贴钻孔孔壁；
15.内凹部分位于连接杆的外侧、且分别紧贴连接杆。
16.在上述技术方案中，孔内标准贯入锤两侧设置呈对称的月牙形结构，为孔内标准贯入锤在孔内运动时，为孔内浆液提供流动通道，中部设置贯穿孔；贯入锤内杆位于贯穿孔内。
17.在上述技术方案中，孔内标准贯入锤外径80mm，内杆直径小于25mm，长1760mm，行程760mm；孔内标准贯入锤，锤重67.43kg；
18.孔内标准贯入锤的材料选用钨、铂、锇等高密度金属。
19.在上述技术方案中，孔内导向装置包括弹性金属簧片和簧片底座；
20.簧片底座呈圆形结构；
21.多个弹性金属簧片呈环状镶嵌于簧片底座上；
22.簧片底座的中部设置带有丝扣的圆孔，簧片底座通过丝扣连接于孔内标准贯入锤上端和标准贯入器上端
23.弹性金属簧片呈两端内凹、中部外凸的弹性结构；
24.弹性金属簧片外凸部位直径小于钻孔孔径；弹性金属簧片外凸部位与钻孔孔壁密贴。
25.在上述技术方案中，每个弹性金属簧片的宽1cm，长15cm。
26.在上述技术方案中，孔内导向装置包括第一孔内导向装置和第二孔内导向装置；
27.第一孔内导向装置位于贯入锤内杆的上端；
28.第二孔内导向装置位于标准贯入器上端；
29.测绳连接在第一孔内导向装置的底座上表面；
30.标准贯入器连接在第二孔内导向装置的底座下表面。
31.在上述技术方案中，锤击底座采用直径6cm的金属底座。
32.在上述技术方案中，孔内标准贯入锤和标准贯入器采用钢丝绳连接下入钻孔；
33.钻机卷扬中部设置环状钢板，一部分环状钢板缠绕钻探用粗钢丝绳、另一部分环状钢板缠绕深孔标准贯入试验用的细钢丝绳。
34.为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤的标准贯入试验方法，其特征在于：包括如下步骤，
35.当对软土层采用重力触探进行测试时，应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤采用标准贯入器、孔内标准贯入试验锤和孔内导向装置；
36.当对砂砾石层采用重力触探进行测试时，将标准贯入器换为重力触探探头，即应用于深部地层测试采用重力触探探头、孔内标准贯入试验锤和孔内导向装置；
37.步骤一，将带有孔内导向装置的孔内标准贯入试验锤(包括孔内标准贯入锤、贯入
锤内杆、锤击底座等)和标准贯入器连接；
38.步骤二，用钢丝绳将连接好的孔内标准贯入锤和标准贯入器下放至钻孔底部；
39.步骤三，用测绳测试标准贯入器底部深度，用钢丝绳反复提升孔内标准贯入锤击打锤击底座，至标准贯入器进入钻孔底部土层15cm深度；每次提升高度小于70cm；
40.步骤四，用钢丝绳将孔内标准贯入锤缓缓放至锤击底座处，并在钢丝绳孔口处做好标记，提升钢丝绳，使钢丝绳标记处上升76cm，快速放下，击打锤击底座，记录贯入深度；
41.重复步骤四，至贯入总深度为30cm；
42.步骤五，将孔内标准贯入试验锤(包括孔内标准贯入锤、贯入锤内杆、锤击底座等)和标准贯入器从钻孔内取出。
43.在上述技术方案中，在步骤三中，孔内标准贯入锤击打锤击底座时每次提升高度小于70cm。
44.本发明中的“深部地层”是指深度大于或等于200m的地层；本发明可测试深度大于或等于200m。
45.本发明具有如下优点：
46.(1)本发明体积小，可以在钻孔内部上下运动(本发明所述应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤的体积为3.47升，直径约8厘米，钻孔一般只有11厘米，因此，本发明可在钻孔内部上下运动)；利用钢丝绳完成标准贯入试验；采用导向装置使标准贯入器、贯入锤内杆竖直于钻孔中心；孔内标准贯入试验锤由高密度金属材料制作，重约67kg，体积约3500cm3，采用钢丝绳(不用钻杆)完成深部地层标准贯入试验；解决了深部地层标准贯入试验能量损耗大造成的试验数据不准问题，也解决了深部地层标准贯入试验无法准确修正的问题，对于深厚覆盖层地区工程建设勘察具有重要的意义；克服了现有技术标准贯入试验采用钻杆连接标准贯入器放至试验地层，体积大(现有标准贯入试验锤试验时位于地表，通过钻杆与标准贯入器相连，穿心锤体积8.14升，直径约20厘米，而钻孔一般只有11厘米，现有标准贯入试验锤穿心锤不能下入钻孔进行试验)导致无法测量或深部地层标准贯入试验能量损耗大，取得的试验数据无法利用的缺陷；
47.(2)本发明将标准贯入锤在地面以上冲击钻杆进行地层测试，转变为在钻孔内孔底以上一定高度冲击标准贯入器进行地层测试，提高了测试的准确度，不用进行杆长修正计算；此外，本发明采用钢丝绳完成试验(不用钻杆)，不用下钻、提钻，大幅提高了工作效率。
附图说明
48.图1为本发明的结构示意图。
49.图2为本发明中的孔内标准贯入锤的结构示意图。
50.图3为本发明中的孔内导向装置的结构示意图。
51.图中1-钢丝绳，2-测绳，3-孔内导向装置，3.1-弹性金属簧片，3.2簧片底座，3.21-带有丝扣的圆孔，3a-第一孔内导向装置，3b-第二孔内导向装置，4-孔内标准贯入锤，4.1-贯穿孔，4.2-月牙形结构，5-贯入锤内杆，6-锤击底座，7-连接杆，8-标准贯入器。
具体实施方式
52.下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
53.本发明中的孔内标准贯入试验锤自下而上分别为：连接丝扣、贯入锤底座、穿心锤内杆及其外围的穿心锤(即孔内标准贯入锤4)、连接于穿心锤上的钢丝绳1；孔内标准贯入试验锤上部、下部各连接一个孔内导向装置3，下部孔内导向装置3的下端连接标准贯入器8。本发明体积小，可以在钻孔内部上下运动；利用钢丝绳完成标准贯入试验；采用导向装置使标准贯入器、贯入锤内杆竖直于钻孔中心。本发明通过修改标准贯入锤的材质、形状、大小和其它辅助设施，实现将标准贯入试验的锤击运动由地面以上，转移到钻孔深部的目的，解决深度地层测试数据不准和无法修正难题。
54.本发明采用密度大的重金属制作穿心锤，其重量与现有标准贯入锤基本一致，落距一致，与现有准确的标准贯入试验相比，偏差较小；本发采用密度大的重金属制作穿心锤(重约67kg)与现有标准贯入锤基本一致，且落距与现有标准贯入锤基本一致(本发明的落距约为为0.76m)，落距较短，可以很大程度减少钻孔倾斜对试验结果的影响，因此本发明适用于倾角小于或等于4度的钻孔(即本发明适用于倾斜钻孔)；克服了现有技术穿心锤重量(一般为重10kg或15kg)小于现有标准贯入锤的重量(重约63.5kg)，以及现有技术穿心锤落距(约为3.217m)远大于现有标准贯入试验锤重的落距(落距约为0.76m)，现有技术由于落距大，穿心锤在下落过程中，受钻孔斜影响，孔内穿心锤难以保持自由落体状态，与钻孔孔壁和穿心锤中心杆碰撞、摩擦，减少了实际冲击能，对试验成果的准确性影响大，与现有准确的标准贯入试验相比偏差较大，导致现有技术试验成果准确性低的缺陷；同时，本发明仅增加的设备较少，仅需增加地面卷扬系统和应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤，结构简单，便于操作和推广应用；克服了现有技术需要增加的设备较多(需要额外增加泥浆脉冲器、电池、电机等)，在实际应用中难以推广应用的缺陷。
55.参阅附图可知：一种应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤，其特征在于：在钻孔内使用；
56.应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤包括孔内标准贯入试验锤和孔内导向装置；
57.孔内标准贯入试验锤为穿心锤；
58.孔内标准贯入试验锤包括孔内标准贯入锤4和贯入锤内杆5；
59.贯入锤内杆5贯穿孔内标准贯入锤4；贯入锤内杆5的上端向上伸出孔内标准贯入锤4、与测绳2连接，下端向下伸出孔内标准贯入锤4、且通过锤击底座6与连接杆7连接；连接杆7与标准贯入器8连接；
60.孔内导向装置3用于使标准贯入器8和贯入锤内杆完全位于钻孔中心，在采用钢丝绳将试验设备放置于钻孔底部时，为了避免标准贯入试验锤摩擦孔壁，减少有效冲击能；孔内导向装置3设置在连接杆7与标准贯入器8的连接处，且分别位于贯入锤内杆5上端和标准贯入器8上端；
61.孔内导向装置3呈两端内凹、中部外凸的结构；孔内导向装置3的外凸部分的直径小于钻孔孔径、且紧贴钻孔孔壁；
62.内凹部分位于连接杆7的外侧、且紧贴连接杆7，测绳2采用悬挂钢丝绳，本发明采
用测量悬挂钢丝绳的长度实现对试验贯入深度的量测，操作简便，满足深度大于或等于200m地层的测量需求。
63.进一步地，孔内标准贯入锤4两侧设置呈对称的月牙形结构4.2，增大贯入锤与孔壁之间的间隙，减少试验时地下水相对运动对标准贯入试验锤的阻力，中部设置贯穿孔4.1；贯入锤内杆5位于贯穿孔4.1内。本发明的标准贯入锤两侧设置为月牙形，为贯入锤先下运动时，孔内浆液向上运动提供通道。
64.进一步地，孔内标准贯入锤4外径为80mm，内杆直径小于25mm，长1760mm，行程760mm；孔内标准贯入锤4考虑地下水浮力的影响，锤重67.43kg；
65.孔内标准贯入锤4的材料选用钨、铂、锇等高密度金属，钻孔内空间狭小，标准贯入试验锤的体积受到限制，在保证足够的重量的前提下，只能采用高密度金属，如钨，密度19.32g/cm3。本发明采用密度高的重金属制作标准贯入锤，减少了锤的体积，便于在狭小的钻孔内运动，便于进行锤击试验。
66.进一步地，孔内导向装置3包括弹性金属簧片3.1和簧片底座3.2；
67.簧片底座3.2呈圆形结构，直径8cm；
68.多个弹性金属簧片3.1呈环状镶嵌于簧片底座3.2上；
69.簧片底座3.2的中部设置带有丝扣的圆孔3.21，簧片底座3.2通过丝扣连接于贯入锤内杆5上端和标准贯入器8上端；
70.弹性金属簧片3.1呈两端内凹、中部外凸的弹性结构；
71.弹性金属簧片3.1外凸部位直径小于钻孔孔径(外凸部位直径比钻孔孔径小0.5cm)；弹性金属簧片3.1外凸部位与钻孔孔壁密贴，使其中部的孔内标准贯入锤内杆保持居中竖直；当遇孔壁凸凹不平处，簧片变形保证标准贯入试验装置能顺利到达试验位置。
72.进一步地，每个弹性金属簧片3.1的宽约1cm，长约15cm，具有一定的刚度和较好的弹性。本发明设置了弹性金属簧片，保证在不用钻杆连接的情况下，贯入锤垂向击打锤击底座。
73.进一步地，孔内导向装置3包括第一孔内导向装置3a和第二孔内导向装置3b；
74.第一孔内导向装置3a位于贯入锤内杆5上端；
75.第二孔内导向装置3b位于标准贯入器8上端；
76.测绳2连接在第一孔内导向装置3a的底座上表面，采用测绳计量贯入的深度。
77.标准贯入器8连接在第二孔内导向装置3b的底座下表面。
78.进一步地，锤击底座6采用直径6cm的金属底座；适当减少锤击底座的面积，减少孔内泥沙沉淀于底座上面机率，尽量避免底座上部有泥沙对试验效果的影响。
79.进一步地，孔内标准贯入锤4和标准贯入器8采用钢丝绳连接下入钻孔；
80.钻机卷扬中部设置环状钢板，一部分环状钢板缠绕钻探用直径约1cm粗钢丝绳、另一部分环状钢板缠绕深孔标准贯入试验用的直径约0.5cm的细钢丝绳；必要时，两种钢丝绳可连接使用，满足本发明的测试深度要求；本发明采用钢丝绳完成标准贯入试验，不采用钻杆传力，与常规标准贯入试验相比，工效高。本发明中的粗钢丝绳用于正常钻探使用，细钢丝绳专用于孔内标准贯入试验使用，因为孔深大，采用细钢丝绳体积小、重量轻，便于让操作人员准确感知标准贯入器抵达钻孔底部的时间，提高测量准确性。
81.现有技术标准贯入试验采用钻杆连接标准贯入器放至试验地层，而本发明采用钢
丝绳将标准贯入器及其上连接的标准贯入锤放至测试地层；本发明采用钢丝绳代替钻杆减少了现有技术下入时钻杆连接和提出时钻杆拆卸工序，特别是深孔测试，现有技术采用钻杆每次下入钻杆和拆卸钻杆耗时3～4小时，而本发明采用钢丝绳下入和提起耗时在1小时以内，大大提高了工效。
82.参阅附图可知：应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤的标准贯入试验方法，其特征在于：包括如下步骤，
83.当对软土层采用重力触探进行测试时，应用于深部地层测试的孔内标准贯入试验锤采用标准贯入器8、孔内标准贯入试验锤和孔内导向装置3；
84.当对砂砾石层采用重力触探进行测试时，将标准贯入器8换为重力触探探头，即应用于深部地层测试采用重力触探探头、孔内标准贯入试验锤和孔内导向装置3；
85.步骤一，将带有孔内导向装置3的孔内标准贯入试验锤(包括孔内标准贯入锤4、贯入锤内杆5、锤击底座6等)与标准贯入器8连接；
86.步骤二，用钢丝绳1将连接好的孔内标准贯入锤4和标准贯入器8下放至钻孔底部；
87.步骤三，用测绳2测试标准贯入器8底部深度，用钢丝绳1反复提升孔内标准贯入锤4击打锤击底座6，至标准贯入器8进入钻孔底部土层15cm深度；每次提升高度应小于70cm；
88.步骤四，用钢丝绳1将孔内标准贯入锤4缓缓放至锤击底座6处，并在钢丝绳1孔口处做好标记，提升钢丝绳1，使钢丝绳1标记处上升76cm，快速放下，击打锤击底座6，记录钢丝上标记向下移动的深度(即下部标准贯入器8向下贯入的深度)；
89.重复步骤四，至贯入总深度为30cm；
90.步骤五，将孔内标准贯入试验锤(包括孔内标准贯入锤4、贯入锤内杆5、锤击底座6等)与标准贯入器8从钻孔内取出；
91.当遇砂砾石层采用重力触探进行测试，将标准贯入器8换为重力触探探头，按上述步骤操作即可。
92.进一步地，在步骤三中，孔内标准贯入锤4击打锤击底座6时每次提升高度小于70cm。
93.其它未说明的部分均属于现有技术。