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快速、稳定、可靠地确定广泛分布于我国西部地区的结构性黄土、多年冻土和季节冻土及软岩的力学参数是岩土工程的基本科学问题与工程问题,也是当前岩土力学与工程研究中的难点与焦点问题。本文就所提出的新原位测试方法——圆锥探头的旋压触探和带有切削的探头的旋切触探两种旋进式触探进行了研究。对它们的力学机理、触探参数(扭矩、钻压、转速和钻速)之间的内在关系、旋切触探参数和软岩力学参数的内在关系以及依据软岩的旋切触探参数确定其力学参数的理论方法等基础科学问题,开展了深入的理论分析与试验研究。利用西安黄土重塑土样、墙体填充砌块、特级石膏和模具石膏试样等,系统地进行了这两种触探方式下的室内触探试验研究。研究了两种方式触探时触探荷载参数(扭矩和钻压)与运行参数(钻速和转速)的关系、旋切触探时相同运行参数控制条件下触探荷载参数与触探试样的力学参数间的内在关系。得到以下主要研究成果:
(1)对于旋压触探,根据探头钻进过程中力的平衡原理,建立了含有运行参数在内的锥尖阻力、总锥尖阻力、扭矩、锥-土间的摩擦系数的数学模型;掌握了探入速度、转速对锥尖阻力和扭矩的影响规律。
(2)对于旋切触探,考虑旋切过程中探头上的切刀所受软岩的抗力影响,建立了探头的形状参数、软岩的力学参数、钻进的运行参数对钻头的钻压、扭矩影响规律的数学力学模型。
(3)通过旋切探头的系统室内试验研究及对探头运动的细观分析,建立了旋切触探荷载参数与触探样的力学参数的直接力学关系。
(4)基于旋切触探的理论研究和试验研究,提出了一种软岩力学参数的旋切触探确定方法。