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摘要：随着社会的发展与进步，重视动力触探方法的改进与研究对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍动力触探方法的改进与研究的有关内容。
关键词动力触探；改进；土阻力；土性参数；反演；
中图分类号：O313 文献标识码：A 文章编号：
引言
动力触探试验是利用一定的锤击能量，将一定规格的探头打人土中，根据每打人土中一定深度的锤击数来判定土的性质的一种原位测试方法。它运用动力触探锤击数建立与土层的力学性质多种相关关系和图表。具有设备简单、操作容易、应用历史较久等优点。因此，动力触探在土工测量中得到了广泛的应用 但是往的动力触探方法由于影响试验结果的因素较多，造成其测量结果离散性较大，因此它是一种较粗糙的原位测试方法。另外在动力触探试验开始之前都要先用钻机进行钻孔，这些都给试验带来了不便。对于标准贯人试验，又不能连续作业，每贯入45cm 必须提钴一次，然后换上钻头回转钻至下一试验深度，重新开始试验，而且标贯试验不宜在含有砾石的土层中进行，只宜在粘性土和砂土中进行 这样 ，标贯试验就显得较繁琐而且试验范围受到限制。
一、土阻力模型及土性参数的反演
1.1土阻力模型
目前公认比较好的土阻力模型是粘弹塑性模型。它认为触探杆侧摩阻力由两部分组成，一部分是静阻力Rs，另一部分是与质点速度成正比的粘性阻力。或称为动阻力Rd。于是总阻力为:R=Rd-Rs
其中：
式中J是阻尼系数;v为质点速度;Rm是最大静阻力;u是弹性位移;q是最大弹性位移。对于探杆尖端土阻力也采用相同的模型。但探杆尖端土阻力不能小于零，即不存在拉力。
1.2土阻力的确定
人们在用波动方程分析法确定桩的极限承载力时，发现当应力脉冲在桩中传播时将引起桩身质点位移、这时桩与桩周土之间会出现相对位移，由此产生摩擦阻力。这种瞬变的摩阻力可以认为是新的波源，它在桩中激发出两个波:上行的压缩波和下行的拉伸波(见图1)这样桩一土系统就可以用如下双曲型方程组来描述:
边界条件为:p(0,t)=F(t)，v(0,t)= Y(t);初始条件为:p(z，0)=0。这里讨论的是一种改进的动力触探方法，图1中的桩用探杆来表示，为了将杆一土系统参数化。假设探杆为均匀弹性杆和采用前述的粘弹塑性模型来描述土阻力，则模型参数可以选择为:杆长L、杆横截面面积A、弹性模量E、探杆材料密度p,阻尼系数J、最大弹性位移q和最大静阻力Rm等。一旦这些模型参数确定了，就可用波动方程来描述杆一土系统的动力响应。由于模型参数I,A,E,p为已知的，确定波源问题就变成了反演J、叮和Rm这三个参数。为了求得土阻力沿探杆的分布，反演杆一土系统的模型参数。必须获取杆一土系统的可观测的波动响应。在此可选择在探杆顶部测得的力和质点速度随时间变化的函数F（t)和V(t)，这两个可观测参数携带了充分的关于土阻力的信息。
一般步骤是，首先假定土阻力及其沿杆身分布是已知的，即给出一组土性参数的假定值，然后利用杆顶实测的边界条件力(或质点速度)时程曲线，求解控制方程，由此可计算得到杆顶的波动响应一质点速度时程曲线(或力的曲线)，再将计算得到的质点速度曲线与实测的相应曲线进行比较，然后修正土性参数的假定值，重复上面的求解过程，直到计算的和实测的曲线的拟合程度达到所要求的误差范围之内，这个计算过程即可终止。具体步骤如下:
(i)引进从空间变量到时间变量的旅行变换，这个变换将空间变量杆截面的深度z转化为旅行时间x。这样控制方程(1)就變成
边界条件为:p(x,t)=F(t),v(x，t)=V(t);初始条件为:p(x，0)=0,v(x,0)=0。
(ii)采用沿特征线逐步积分和局部迭代相结合的方法。求解方程（2）双曲型方程组(2)有两簇特征线
其中C1,C2是任意常数。
在图2中描绘了x一t平面中这两簇特征线。将x和t轴进行等间隔划分，∆t=∆x，相应的桩单元长度为∆l= c∆x。分别沿特征线(3)进行积分，可得
其中，积分路径AB和DB如图2中所示。根据长杆中纵波的达朗倍尔解，杆中任一截面的质点速度和应力都是右行波和左行波的叠加，这样杆中的右行波和左行波分别相对应于探杆中的下行波P下和上行波P上，则有:
利用上面两式，方程(4)和((5)也可写为
(iii)利用边界条件和初始条件，采用迭代法求解方程(6)和(7)，确定土阻力。
在探杆顶部x=0处，作用在探杆截面上的压力P(0,t}和截面速度v(0,t)可以直接由传感器测量，即F(t)和V(t)已知。这时探杆顶部的下行波和上行波均可计算出来。
从探杆顶端出发，利用边界条件(8)和(9),按照公式(6)和(7)，沿特征线逐步积分。然而，这里土阻力R是未知的，为此采用迭代的方法来确定土阻力。从探杆顶端下第一个单元开始，根据第一个单元周围土的类型，初步假设一组相应的土性参数:土的最大静阻力Rm.最大弹性位移q和阻尼系数J,利用粘弹塑性数学模型及边界上的质点速度，可以计算出作用在第一个单元上的土阻力随时间变化曲线，如果将实测的F(t)和}V (t)曲线以及计算出的F(t)-R(t),曲线同时描绘出来，除了对应于第一个单元曲线段拟合外，Fit)-R,it}曲线位于曲线F(t)和R1(t)之间。该曲线与F(t)曲线之间的差值就描述了由于第一个单元的摩阻力而引起的杆顶压力曲线与速度曲线的分离程度。
结束语
针对以往的动力触探方法在工程应用上存在的若干问题，根据波传播反问题理论，提出了一种改进的动力触探方法，即利用波动方程分析法确定土的土性参数，从而为确定土的承载力提供了新的思路。
参考文献
[1]王靖涛.桩基应力波检测理论及工程应用，北京:地震出版社，2011.
[2]王靖涛.桩基完整性动力检测的定量分析.施工技术，1990.
[3]江礼茂.一个以波动理论为基础计算单桩承载力的计算机程序.岩土工程学报,2009.
[4]陈凡.FEIPWAPC特征线桩基波动分析程序，岩土工程学报，2010.
[5]王靖涛.确定单桩承载力的新方法，施工技术，1991.
关键词动力触探；改进；土阻力；土性参数；反演；
中图分类号：O313 文献标识码：A 文章编号：
引言
动力触探试验是利用一定的锤击能量，将一定规格的探头打人土中，根据每打人土中一定深度的锤击数来判定土的性质的一种原位测试方法。它运用动力触探锤击数建立与土层的力学性质多种相关关系和图表。具有设备简单、操作容易、应用历史较久等优点。因此，动力触探在土工测量中得到了广泛的应用 但是往的动力触探方法由于影响试验结果的因素较多，造成其测量结果离散性较大，因此它是一种较粗糙的原位测试方法。另外在动力触探试验开始之前都要先用钻机进行钻孔，这些都给试验带来了不便。对于标准贯人试验，又不能连续作业，每贯入45cm 必须提钴一次，然后换上钻头回转钻至下一试验深度，重新开始试验，而且标贯试验不宜在含有砾石的土层中进行，只宜在粘性土和砂土中进行 这样 ，标贯试验就显得较繁琐而且试验范围受到限制。
一、土阻力模型及土性参数的反演
1.1土阻力模型
目前公认比较好的土阻力模型是粘弹塑性模型。它认为触探杆侧摩阻力由两部分组成，一部分是静阻力Rs，另一部分是与质点速度成正比的粘性阻力。或称为动阻力Rd。于是总阻力为:R=Rd-Rs
其中：
式中J是阻尼系数;v为质点速度;Rm是最大静阻力;u是弹性位移;q是最大弹性位移。对于探杆尖端土阻力也采用相同的模型。但探杆尖端土阻力不能小于零，即不存在拉力。
1.2土阻力的确定
人们在用波动方程分析法确定桩的极限承载力时，发现当应力脉冲在桩中传播时将引起桩身质点位移、这时桩与桩周土之间会出现相对位移，由此产生摩擦阻力。这种瞬变的摩阻力可以认为是新的波源，它在桩中激发出两个波:上行的压缩波和下行的拉伸波(见图1)这样桩一土系统就可以用如下双曲型方程组来描述:
边界条件为:p(0,t)=F(t)，v(0,t)= Y(t);初始条件为:p(z，0)=0。这里讨论的是一种改进的动力触探方法，图1中的桩用探杆来表示，为了将杆一土系统参数化。假设探杆为均匀弹性杆和采用前述的粘弹塑性模型来描述土阻力，则模型参数可以选择为:杆长L、杆横截面面积A、弹性模量E、探杆材料密度p,阻尼系数J、最大弹性位移q和最大静阻力Rm等。一旦这些模型参数确定了，就可用波动方程来描述杆一土系统的动力响应。由于模型参数I,A,E,p为已知的，确定波源问题就变成了反演J、叮和Rm这三个参数。为了求得土阻力沿探杆的分布，反演杆一土系统的模型参数。必须获取杆一土系统的可观测的波动响应。在此可选择在探杆顶部测得的力和质点速度随时间变化的函数F（t)和V(t)，这两个可观测参数携带了充分的关于土阻力的信息。
一般步骤是，首先假定土阻力及其沿杆身分布是已知的，即给出一组土性参数的假定值，然后利用杆顶实测的边界条件力(或质点速度)时程曲线，求解控制方程，由此可计算得到杆顶的波动响应一质点速度时程曲线(或力的曲线)，再将计算得到的质点速度曲线与实测的相应曲线进行比较，然后修正土性参数的假定值，重复上面的求解过程，直到计算的和实测的曲线的拟合程度达到所要求的误差范围之内，这个计算过程即可终止。具体步骤如下:
(i)引进从空间变量到时间变量的旅行变换，这个变换将空间变量杆截面的深度z转化为旅行时间x。这样控制方程(1)就變成
边界条件为:p(x,t)=F(t),v(x，t)=V(t);初始条件为:p(x，0)=0,v(x,0)=0。
(ii)采用沿特征线逐步积分和局部迭代相结合的方法。求解方程（2）双曲型方程组(2)有两簇特征线
其中C1,C2是任意常数。
在图2中描绘了x一t平面中这两簇特征线。将x和t轴进行等间隔划分，∆t=∆x，相应的桩单元长度为∆l= c∆x。分别沿特征线(3)进行积分，可得
其中，积分路径AB和DB如图2中所示。根据长杆中纵波的达朗倍尔解，杆中任一截面的质点速度和应力都是右行波和左行波的叠加，这样杆中的右行波和左行波分别相对应于探杆中的下行波P下和上行波P上，则有:
利用上面两式，方程(4)和((5)也可写为
(iii)利用边界条件和初始条件，采用迭代法求解方程(6)和(7)，确定土阻力。
在探杆顶部x=0处，作用在探杆截面上的压力P(0,t}和截面速度v(0,t)可以直接由传感器测量，即F(t)和V(t)已知。这时探杆顶部的下行波和上行波均可计算出来。
从探杆顶端出发，利用边界条件(8)和(9),按照公式(6)和(7)，沿特征线逐步积分。然而，这里土阻力R是未知的，为此采用迭代的方法来确定土阻力。从探杆顶端下第一个单元开始，根据第一个单元周围土的类型，初步假设一组相应的土性参数:土的最大静阻力Rm.最大弹性位移q和阻尼系数J,利用粘弹塑性数学模型及边界上的质点速度，可以计算出作用在第一个单元上的土阻力随时间变化曲线，如果将实测的F(t)和}V (t)曲线以及计算出的F(t)-R(t),曲线同时描绘出来，除了对应于第一个单元曲线段拟合外，Fit)-R,it}曲线位于曲线F(t)和R1(t)之间。该曲线与F(t)曲线之间的差值就描述了由于第一个单元的摩阻力而引起的杆顶压力曲线与速度曲线的分离程度。
结束语
针对以往的动力触探方法在工程应用上存在的若干问题，根据波传播反问题理论，提出了一种改进的动力触探方法，即利用波动方程分析法确定土的土性参数，从而为确定土的承载力提供了新的思路。
参考文献
[1]王靖涛.桩基应力波检测理论及工程应用，北京:地震出版社，2011.
[2]王靖涛.桩基完整性动力检测的定量分析.施工技术，1990.
[3]江礼茂.一个以波动理论为基础计算单桩承载力的计算机程序.岩土工程学报,2009.
[4]陈凡.FEIPWAPC特征线桩基波动分析程序，岩土工程学报，2010.
[5]王靖涛.确定单桩承载力的新方法，施工技术，1991.