CN111263839B - 土地勘测方法和带有叶片的圆锥体 - Google Patents

土地勘测方法和带有叶片的圆锥体 Download PDF

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Abstract

提供一种低成本的土地勘测方法和带有叶片的圆锥体，通过基于小的加载扭矩在土地内产生的叶片反作用力所引起的大的叶片推进力，即使是小的加载竖直力也能贯入硬且深的土地中，因此能利用重量轻且小型的施工机械而高精度且迅速的连续求出土地的贯入阻力。具有：带有叶片的圆锥体(1)，其具有向着贯入方向而缩径的圆锥部(2)和设于所述圆锥部(2)的外周面(2a)且向着前端(4)而宽度变窄的螺旋叶片部(3)；杆(7)，其在下端(5)安装所述带有叶片的圆锥体(1)；通过施加于所述杆(7)的上部(6)的加载扭矩和加载竖直力，使所述带有叶片的圆锥体(1)贯入勘测对象土地(9)，根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩和作用竖直力，或者根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体(1)的每一旋转的贯入量，评价所述勘测对象土地(9)的贯入阻力。

Description

土地勘测方法和带有叶片的圆锥体
技术领域
本发明属于使用了旋转贯入所需要的扭矩(Torque)的土地勘测方法(GroundSurveying Method)和适于该土地勘测方法的实施的带有叶片的圆锥体(Bladed Cone)的技术领域。
背景技术
以往，作为土地勘测方法，有在图6中示出概要的(A)标准贯入试验和(B)圆锥(Cone)贯入试验、(C)瑞典贯入试验。除此之外，(D)旋转触探试验是公知的，另外还有(E)使用旋转贯入桩的扭矩进行支撑层的确认的试验等。
另外，(F)在JP专利第3798281号的专利文献1中，公开有“一种土地勘测方法，对在前端部具有挖掘叶片的杆旋转压入土地(Ground)时的旋转载荷(Rotational Load)以及杆的前端深度连续测定，其特征是，通过在杆头部对压入时的旋转载荷进行测定，并且对反向旋转而拔出时的旋转载荷进行测定，从而将作用于杆轴部的旋转载荷分离开，仅计算出作用于杆前端部的旋转载荷”(参照该专利文献1的权利要求1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP专利第3798281号公报。
发明内容
发明要解决的问题
所述(A)的标准贯入试验，除了花费令人讨厌的费用和时间之外，在进行标准贯入试验时需要更换前端器具，因此花费时间和成本。由于是动力贯入试验，因此虽然不需要大型的施工机械，但是N值只能要求每次1m来作为锤的落下次数，并不是连续的值。另外，也存在动力贯入阻力的偏差很大这样的问题。
(B)的圆锥贯入试验，由于是仅通过静态竖直载荷进行贯入试验，因此在力学方面要求明确的值，但是需要大的压入力，不能对深且硬的土地进行勘测。由于杆的周面摩擦大，因此也难以进行深的土地勘测。
(C)的瑞典贯入试验，在圆锥部使用竖直力和加载扭矩，适于松软的表层土地的勘测，但是不具有大的推进力，不能进行深且硬的土地的勘测。另外，贯入阻力(PenetrationResistance)只能要求每次0.25m来作为旋转次数等，并不是连续的值。
(D)的旋转触探，使用加载竖直力(Loading Vertical Force)和加载扭矩(Loading Torque)，但是是施加了加载竖直力的“刮削贯入”，没有推进力。而且由于前端形状并不简单，因此没有根据加载竖直力和扭矩来评价圆锥贯入阻力和N值等的手段。而且，成本高而没有普及。
(E)的使用旋转贯入桩的扭矩来确认支撑层的试验，若用于土地勘测则成本很高。而且由于前端形状并不简单，因此没有根据加载竖直力和加载扭矩来评价圆锥贯入阻力、N值等的手段。
(F)的专利文献1的土地勘测方法，重点在于贯入扭矩与基于反向旋转的提升扭矩的差。由于前端部的贯入阻力大，因此需要大的加载扭矩，施工机械变大。因此存在成本提高、能够使用的场所受限这样的问题点。
本发明的目的在于提供一种低成本的土地勘测方法和带有叶片的圆锥体，通过使用带有叶片的圆锥体，通过基于小的加载扭矩而在土地(勘测对象土地)内产生的叶片(Blade)反作用力所带来的大的叶片推进力，从而即使是小的加载竖直力也能够贯入硬且深的土地中，利用重量轻且小型的施工机械，能够高精度且迅速的连续求出土地的贯入阻力。
另外，本发明的又一个目的在于提供一种土地勘测方法和带有叶片的圆锥体，根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩(Working Torque)和作用竖直力(WorkingVertical Force)，或者根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量，能够容易的评价圆锥贯入阻力、N值。
用于解决问题的手段
作为用于解决上述问题的手段，技术方案1中记载的发明的土地勘测方法，其特征在于，具有：带有叶片的圆锥体(1)，其具有向着贯入方向而直径缩小的圆锥部(2)、设置于所述圆锥部(2)的外周面(2a)且向着前端(4)而宽度变窄的螺旋叶片部(3)；杆(7)，其在下端(5)安装所述带有叶片的圆锥体(1)；通过施加于所述杆(7)的上部(6)的加载扭矩和加载竖直力，使所述带有叶片的圆锥体(1)贯入勘测对象土地(9)，根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩和作用竖直力，或者根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体(1)的每一旋转的贯入量，来评价所述勘测对象土地(9)的贯入阻力。
技术方案2中记载的发明，是在技术方案1所记载的土地勘测方法中，其特征在于，
在根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩和作用竖直力来评价所述勘测对象土地(9)的贯入阻力的情况下，
通过下式来评价圆锥贯入阻力(Cone Penetration Resistance)和标准贯入试验N值(Standard Penetration Test N-value)(以下简称为N值。)：
圆锥贯入阻力(qc)＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3)/(αAe)
N值＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3)/(αβAe)
C1＝sinθ+μcosθ，C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω
Tb作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩
Lb作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力
rw’叶片摩擦阻力矩(Blade Frictional Resistance Torque)的等效作用半径
η贯入摩擦阻力矩(Penetration Frictional Resistance Torque)的等效作用半径(re’)与叶片摩擦阻力矩的等效作用半径(rw’)之比
μ土地与叶片的摩擦系数
ω从圆锥前端的中心轴起的角度
θ叶片的等效倾斜角
Ae带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积
α根据qc与Rp(竖直贯入阻力)的关系而确定的系数
β根据qc与N值的关系而确定的系数。
技术方案3中记载的发明，是在技术方案1所记载的土地勘测方法中，其特征在于，
在根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体(1)的每一旋转的贯入量来评价所述勘测对象土地(9)的贯入阻力的情况下，
在所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的竖直贯入量(s)与叶片螺距(BladePitch)(P)相等或小于叶片螺距(P)时，
根据所述作用扭矩、所述作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量，通过下式来评价圆锥贯入阻力和N值：
圆锥贯入阻力(qc)＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/(C2cosθ))/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ))/(αAe)
N值＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/C2cosθ)/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ))/(αβAe)C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω
Tb作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩
Lb作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力
s每一旋转的竖直贯入量
rw’叶片摩擦阻力矩的等效作用半径
re’贯入摩擦阻力矩的等效作用半径
μ土地与叶片的摩擦系数
ω从圆锥前端的中心轴起的角度
θ叶片的等效倾斜角
Ae带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积
α根据qc与Rp(竖直贯入阻力)的关系而确定的系数
β根据qc与N值的关系而确定的系数。
技术方案4中记载的发明，是在技术方案1所记载的土地勘测方法中，其特征在于，
在根据作用于所述带有叶片的圆锥体(1)的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体(1)的每一旋转的贯入量来评价所述勘测对象土地(9)的贯入阻力的情况下，
在所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的竖直贯入量(s)比叶片螺距(P)大时，
根据所述作用扭矩、所述作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量，通过下式来评价圆锥贯入阻力和N值：
圆锥贯入阻力(qc)＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3)/(αAe)
N值＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3)/(αβAe)
C3＝sinω+μcosω
Tb作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩
Lb作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力
s每一旋转的竖直贯入量
re’贯入摩擦阻力矩的等效作用半径
μ土地与叶片的摩擦系数
ω从圆锥前端的中心轴起的角度
Ae带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积
α根据qc与Rp(竖直贯入阻力)的关系而确定的系数
β根据qc与N值的关系而确定的系数。
技术方案5中记载的发明的带有叶片的圆锥体(1)，是技术方案1～4中任一项所述的土地勘测方法中使用的所述带有叶片的圆锥体，其特征在于，包括有向着前端(4)而直径缩小的圆锥部(2)、设置于所述圆锥部(2)的外周面(2a)且向着前端(4)而宽度变窄的螺旋叶片部(3)。
技术方案6中记载的发明，是在技术方案5所记载的带有叶片的圆锥体(1)中，其特征在于，所述带有叶片的圆锥体的叶片螺距是圆锥最外径的0.5～1.5倍。
发明的效果
本发明的土地勘测方法，由于使用带有叶片的圆锥体，且该带有叶片的圆锥体在向着前端而外径变小的前端圆锥上设置有向着前端而宽度变窄的螺旋叶片，因此前端部的贯入阻力小。所以能够利用小的加载扭矩和加载竖直力，将带有叶片的圆锥体贯入土地中。另外，由于本形状的贯入性优良，每一旋转贯入叶片螺距以上，因此作用于带有叶片的圆锥体的力和阻力的平衡清楚明确，能够通过后述的评价式而精度良好的预测土地阻力(强度)。另外，由于在前端具有大的叶片推进力，因此能够不倾斜而竖直的贯入深且硬的土地。所以，不仅是不需要大的压入力，而且直进性高，能够进行前端位置的精度高的贯入。
由于通过旋转而使得杆周面的土地的强度下降，因此作用于杆的周面摩擦力非常小，能够有效的将加载扭矩和加载竖直力传递到杆下端。所以杆上部的“加载扭矩和加载竖直力”与作用于杆下端的带有叶片的圆锥体的“作用扭矩和作用竖直力”的差很小，能够进行精度高的前端土地的贯入阻力的评价。其结果是，技术方案2、3或4所记载的土地勘测方法能够将作用扭矩和作用竖直力精度良好的换算为在实际中使用的圆锥贯入阻力值和N值。
另外，本勘测方法获得的不是N值这样的每1m的离散的数据，而是能够获得与贯入阻力相关的连续的数据。
技术方案6所记载的带有叶片的圆锥体的叶片螺距是圆锥最外径的0.5～1.5倍(特别是0.5～1.0倍)时，实现成为最小的扭矩的最佳形状。其结果是，利用尺寸和能力小的施工机械就能够勘测，因此能够实现成本下降的同时，在狭窄的道路和地面也能够进行土地勘测。
另外，由于不用钻孔就能够勘测，以及旋转速度快，所以能够进一步迅速的进行勘测，由此能够大幅缩短勘测工期。
附图说明
图1是示出本发明的土地勘测方法的典型的施工方法的说明图。
图2是通过本发明的土地勘测而产生的力和扭矩的说明图。
图3是本发明的土地勘测方法中使用的带有叶片的圆锥体的前端形状和在此作用的应力强度及等效作用圆的说明图。
图4是示出等效圆锥与等效圆柱的关系以及作用于等效圆锥的应力强度与竖直贯入阻力的关系得说明图。
图5是示出带有叶片的圆锥体的“叶片摩擦阻力矩的等效作用圆”上的力的平衡的示意图。
图6是以往的土地勘测方法与本发明的比较表。
图7的右图是由本土地勘测求得的qc-深度关系的曲线图，左图是由以往的圆锥贯入试验求得的qc-深度关系的曲线图。
图8的右图是由本土地勘测求得的N值-深度关系的曲线图，左图是由以往的标准贯入试验求得的N值-深度关系的曲线图。
图9是示出带有叶片的圆锥体的作用扭矩与叶片螺距率的关系的曲线图。
具体实施方式
针对本发明的土地勘测方法和该土地勘测方法中使用的带有叶片的圆锥体的适宜的实施方式，根据以下的附图进行说明。
图4所示的本实施方式的带有叶片的圆锥体，用于土地勘测方法，该土地勘测方法是通过对杆7(参照图1)的上部6施加加载扭矩和加载竖直力，从而将带有叶片的圆锥体1贯入到土地9中来进行的。本实施方式的带有叶片的圆锥体的构成如下：最大圆锥直径Do为40mm，最大叶片外径Dw为60mm，全长为208mm，具有向着贯入方向上的前端4而直径缩小的圆锥部2，且在所述圆锥部2的外周面2a上具有螺旋叶片部3，该螺旋叶片部3形成为一边向着前端4而宽度变窄一边进行螺旋的叶片状。针对该螺旋叶片部3的最佳形状在后面记述。另外，为了慎重起见特此明确：所述各尺寸只不过仅仅是一个例子而已。
所述带有叶片的圆锥体1，如图1中例示的那样，安装于杆7的下端5，通过使施工机械8(的驱动装置)运转而对所述杆7的上端6施加加载扭矩和加载竖直力，从而旋转贯入到土地9中。能够根据此时的加载扭矩和加载竖直力的值来评价土地9的贯入阻力。
在本勘测方法中，在向杆7的上部施加了“加载扭矩”和“加载竖直力”时，“作用扭矩”、“作用竖直力”作用于带有叶片的圆锥体1。在能够忽略杆7的周面摩擦的影响(“杆周面摩擦扭矩”和“杆周面摩擦阻力”)的情况下，所述加载扭矩和加载竖直力就是作用扭矩和作用竖直力。
另一方面，在不能忽略杆7的周面摩擦的影响的情况下，从加载扭矩和加载竖直力分别减去杆7的周面摩擦的影响之后的值为作用扭矩和作用竖直力。通过所述作用扭矩和作用竖直力，在带有叶片的圆锥体1产生的力和扭矩是“竖直贯入阻力(VerticalPenetration Resistance Force)”、“贯入摩擦阻力矩”、“叶片推进力(Blade PropulsionForce)”及“叶片摩擦阻力矩”共计四个。
加载方法(Loading Methods)有进行控制以使得贯入量s与叶片螺距(BladePitch)P相等的位移控制方式和将加载竖直力控制为一定的载荷控制方式。在载荷控制方式的情况下，每一旋转的贯入量有下述的两种情况。
(1)s≦P的情况下(有叶片推进力的情况下)
在硬质土地等，竖直贯入阻力比作用竖直力大的情况下，产生叶片推进力，一般而言每一旋转的贯入量与叶片螺距相等。在土地强度急剧增加(急剧变硬)的情况下，存在每一旋转的贯入量比叶片螺距小的情况。
(2)s＞P的情况下(叶片推进力为零的情况下)
在松软土地等，竖直贯入阻力比作用竖直力小的情况下，叶片推进力为零，每一旋转的贯入量比叶片螺距大。
以下，针对旋转贯入时作用于带有叶片的圆锥体的“竖直贯入阻力”、“贯入摩擦阻力矩”、“叶片推进力”、“叶片摩擦阻力矩”以及力的平衡进行详细记述。
(1.竖直贯入阻力)
图3所示的带有叶片的圆锥体的竖直贯入阻力Rp是具有与圆锥贯入阻力qc相同特性的指标，被认为是与土地的刚性和强度以及排土体积高度相关的指标。所以，专注于带有叶片的圆锥体以每一旋转的贯入量s进行贯入的情况下的“每一旋转中带有叶片的圆锥体的最大直径部的叶片和轴部排土的总体积Vw”。Vw根据贯入量的不同，能够以下面的两个式子来表示。
s≦P时
Vw＝t(rw-ro)ls/P+Aos
s＞P时
Vw＝t(rw-ro)l+Aos+Aw(s-P)
t：叶片厚度；rw：叶片的最大半径；
ro：叶片的最大内径及圆锥轴部的最大半径；Ao：圆锥的最大截面积；
l：以与叶片圆锥轴部每一旋转的叶片中央部的螺旋长度
Figure BDA0002464826620000082
Figure BDA0002464826620000083
Vw相同的体积将高度P的圆柱定义为等效(Equivalent)圆柱，设定其截面积为等效贯入截面积Ae、其半径为re时，
Ae＝Vw/s；
Figure BDA0002464826620000081
将与前端圆锥相似且底面的半径为re的圆锥作为“等效圆锥”，考虑“等效圆锥”的力的平衡。假设在土地中的极限平衡状态下作用于圆锥周面的垂直应力(表面压力)为均匀分布，设定其每单位面积的垂直应力强度为pp。
竖直贯入阻力Rp是pp的轴向分量与作用于圆锥周面的摩擦应力强度μpp的轴向分量的和乘以等效圆锥的周面积Ac(＝πre2/sinω)而得到的值，所以：
Rp＝pp(sinω+μcosω)Ac
＝ppC3Ac (1-1)
C3＝sinω+μcosω
μ：摩擦系数；ω：自圆锥前端的中心轴起的角度。
(2.贯入摩擦阻力矩)
如图3所示，由于伴随着竖直贯入的旋转，在等效圆锥的圆周方向上产生摩擦应力强度μpp。由于与等效圆锥的中心轴距离为r的位置的圆锥周面的微小宽度dr的表面积是2πr·dr/sinω，因此作用于该表面积的摩擦力是2πr·dr/sinω·μpp，圆周方向摩擦阻力(摩擦力的合力)Fμp是将其从0至re积分的值，成为：
Fμp＝∫2πμpp/sinωrdr＝πμpp re 2/sinω＝πre 2/sinωμpp＝μppAc。
圆周方向上的贯入摩擦阻力矩Tp是将2πr·dr/sinω·μpp乘以圆锥各位置的半径r后得到的值2πr2·dr/sinω·μpp从0至re积分之后的值，成为：
Tp＝∫2πμpp/sinωr2dr＝2/3πμpp re 3/sinω＝2/3reμppAc
＝2/3re Fμp＝re’Fμp。
为了变换为扭矩，摩擦力的合力Fμp所作用的圆为等效作用圆，其半径称为等效作用半径。上述“re’”为等效作用半径，也是截面一次极矩除以面积得到的值(∫2πr2dr/(πre 2)＝2/3re)。
根据(2-1)式为pp＝Rp/(C3 Ac)，因此能够表示为：
Fμp＝μRp/C3 (2-1)。
所以，伴随着竖直贯入阻力的圆周方向上的贯入摩擦阻力矩Tp能够表示为：
Tp＝Fμpre’＝μRp re’/C3 (2-2)。
(3.叶片推进力)
假设带有叶片的圆锥体旋转贯入时由于楔入效应(wedge effect)而作用于叶片的力，如图4所示，假设由呈直角作用于叶片的上表面的叶片推进应力强度pa和由该推进应力强度产生的旋转方向上的叶片摩擦应力强度μpa构成，并且分别均匀分布。
叶片推进力Pw可近似于Pw＝pa(1/cosθ)pAw(pAw：带有叶片的圆锥体的叶片的投影面积的总和)。
为了计算基于推进压力的竖直方向上的分力(叶片推进力)和摩擦力在旋转方向上的分力，需要沿着叶片的圆周的竖直方向上的倾斜角和摩擦力的等效作用半径。在叶片有n周的情况下的叶片的倾斜角及其等效作用圆根据其位置而不同。所以，在考虑带有叶片的圆锥体的力的平衡时，使用以下所示的等效倾斜角和等效作用半径。
(4.叶片摩擦阻力矩及其等效作用半径和等效倾斜角)
如基于叶片推进力的摩擦力那样作用于圆周方向上的力的等效作用半径和等效倾斜角能够如以下那样求得。
叶片有n周的情况下的螺旋叶片的旋转角为ψ的叶片的外径以及内径，若最大外半径为rw而叶片圆锥轴部的最大半径为ro，则可使用极坐标(r-ψ)而如下述那样表示。
外半径：r＝rwψ/(2nπ)
内半径：r＝roψ/(2nπ)
旋转角ψ的位置的微小旋转角dψ的叶片的“扇形梯形”的微小投影面积dApw为：
dApw＝(1/2)(rwψ/(2nπ))2dψ-(1/2)(roψ/(2nπ))2dψ
＝(1/2)((rwψ/2nπ)2-(roψ/2nπ)2)dψ＝(rw 2-ro 2)/(8π2n2)ψ2dψ。微小叶片面积dAw当等效作用圆上的倾斜角为δ(与ψ成反比例的值)时，则
dAw＝d pAw/cosδ＝(rw 2-ro 2)/(8π2n2)/cosδdψ，
因此作用于微小叶片面积dAw的叶片摩擦应力强度的圆周方向分力dFw为：
dFw＝μpa dAwcosδ＝μpa(rw 2-ro 2)/(8π2n2)/cosδcosδψ2dψ
＝μpa(rw 2-ro 2)/(8π2n2)ψ2dψ。
由叶片推进力产生的叶片摩擦应力强度在圆周方向上的总和Fw通过将上式以0→2nπ进行积分而成为：
Fw＝∫μpa(rw 2-ro 2)/(8π2n2)ψ2dψ＝μpa(rw 2-ro 2)/(8π2n2)(8n3π3/3)
＝μpanπ(rw 2-ro 2)/3。
由于外径为rwψ/(2nπ)、内径为roψ/(2nπ)的环的等效作用半径rwd’为：
rwd’＝2((ψrw/(2nπ))3-(ψro/(2nπ))3)/(3((ψrw/(2nπ))2-(ψro/(2nπ))2))(参照(补充))，作用于微小叶片面积dAw的叶片摩擦阻力矩dTw为：
dTw＝dFwrwd’＝μpa(rw 2-ro 2)/(8π2n2)ψ2dψ(2((ψrw/(2nπ))3-(ψro/(2nπ))3)/(3((ψrw/(2nπ))2-(ψro/(2nπ))2)))
＝μpa(rw 2-ro 2)/(8π2n2)2(rw 3-ro 3)/(2nπ)/(3(rw 2-ro 2))ψ3dψ
＝μpa(rw 3-ro 3)/(24π3n3)ψ3dψ。
作为其总和的叶片摩擦阻力矩Tw通过将上式以0→2nπ进行积分而成为：
Tw＝∫μpa(rw 3-ro 3)/(24π3n3)ψ3dψ＝μpa(rw 3-ro 3)/(24π3n3)(2nπ)4/4
＝μpa(rw 3-ro 3)/(24π3n3)(2nπ)4/4
＝μpa nπ(rw 3-ro 3)/6。
由于叶片摩擦阻力矩的等效作用半径rw’为Tw/Fw，则
rw’＝Tw/Fw＝(μpa nπ(rw 3-ro 3)/6)/(μpa nπ(rw 2-ro 2)/3)
＝(rw 3-ro 3)/(2(rw 2-ro 2)) (4-1)。
在本形状的情况下，rw’并不随n变化而是一定值，为下述(补充)的(补-1)式所示的面包圈状(Doughnut-shaped)的环的等效作用半径rw1’＝2(rw 3-ro 3)/(3(rw 2-ro 2))的3/4的值。
由此，等效倾斜角θ成为：
θ＝P/(2πrw’)＝P(rw 2-ro 2)/(π(rw 3-ro 3)) (4-2)。
＜补充＞叶片为1周的面包圈状的环的情况下的等效作用半径
在针对叶片，对外径为rw、内径为ro的面包圈状的环沿着圆周方向作用均匀分布摩擦应力τ的情况下，作为其总和的叶片摩擦阻力矩的等效作用半径rw1’为：
rw1’＝2(rw 3-ro 3)/(3(rw 2-ro 2)) (补-1)。
(5.力的平衡)
将作用于按照叶片螺距进行贯入的情况下的带有叶片的圆锥体的扭矩和力的平衡，变换为等效作用半径为rw’、等效倾斜角为θ的螺旋叶片模型的等效作用圆上的力的平衡来进行研究。
如图4所示，“叶片摩擦阻力矩的等效作用圆”的圆周方向为Ψ轴。图5是将Ψ轴作为水平(x)方向，表示将杆摩擦忽略的情况下的竖直(Z轴)方向和水平(Ψ轴)方向的力的平衡的图。符号的说明以下记述。
·Ht是将作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩Tb置换为“等效作用圆”上的水平力之后的值Tb/rw’。
·Lb是作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力。
·叶片推进力Pw是叶片推进应力强度pa的合力，可近似于Pw＝pa(1/cosθ)pAw。
(pAw：带有叶片的圆锥体的叶片的投影面积的总和)
·Fw是作用于“叶片摩擦阻力矩的等效作用圆”的叶片摩擦阻力μPw，是由叶片推进力产生的叶片摩擦应力强度的圆周方向分力的总和。
·Rp是竖直贯入阻力。
·η是贯入摩擦阻力矩的等效作用半径(re’)与叶片摩擦阻力矩的等效作用半径(rw’)之比。
·Fp是将由竖直贯入阻力产生的圆周方向上的贯入摩擦阻力Fμp换算为叶片摩擦阻力Fw的等效作用半径rw’上的摩擦力之后的值，是Fp＝ηFμp＝μηRp/C3。
力的平衡如以下所示：
·水平(Ψ轴)方向上的平衡
Ht＝Tb/rw’＝μηRp/C3+Pwsinθ+μPwcosθ (5-1)
·竖直(Z轴)方向上的平衡
Rp＝Pwcosθ+Lb-μPwsinθ (5-2)
着眼于Pw而得到下式：
Pw＝(Ht-μηRp/C3)/(sinθ+μcosθ) (5-3)
Pw＝(Rp-Lb)/(cosθ-μsinθ) (5-4)
消除Pw，设定C1＝sinθ+μcosθ，C2＝cosθ-μsinθ时，得到以下的关系式：
Rp＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3) (5-5)
能够将带有叶片的圆锥体的竖直贯入阻力(Rp)用加载扭矩(Tb)和加载竖直力(Lb)表示。
带有叶片的圆锥体的竖直贯入阻力Rp也能够根据能量的平衡来表示，并将其在以下示出。
带有叶片的圆锥体能够通过施加扭矩和竖直力来贯入。此时每一旋转的输入能量Ei与贯入所消耗的能量Ec相等，成为Ei＝Ec。
(6.每一旋转的输入能量Ei)
Ei能够通过下式来表示。
Ei＝Lbs+2πTb (6-1)
(7.每一旋转的贯入所消耗的Ec)
Ec能够通过下式来表示。
Ec＝Es+Eμ
Es：基于竖直贯入而每一旋转所消耗的能量
Eμ：基于旋转摩擦而每一旋转所消耗的能量
基于旋转摩擦而消耗的能量Eμ能够通过下式来表示。
Eμ＝Eμp+Eμa
Eμp：基于伴随着旋转的贯入摩擦而每一旋转所消耗的能量
Eμa：基于伴随着旋转的叶片摩擦而每一旋转所消耗的能量
(7-1.基于竖直贯入而消耗的能量Es)
Es能够通过下式来表示。
Es＝Rps (7-1)
(7-2.基于伴随着旋转的贯入摩擦而每一旋转所消耗的能量Eμp)
Eμp能够通过下式来表示。
Eμp＝2πTp
根据(3-2)式Tp＝Fμpre’＝μRpre’/C3
所以Eμp＝2πre’μRp/C3 (7-2)
(2-3.基于伴随着旋转的叶片摩擦而每一旋转所消耗的能量Eμa)
Eμa针对以下的两种情况进行考虑。
s≦P时
基于伴随着旋转的叶片摩擦而每一旋转所消耗的能量Eμa，由于每一旋转的摩擦面的位移量是2πrw’(1/cosθ)，因此
Eμa＝Fw·2πrw’(1/cosθ)＝2πrw’μPw(1/cosθ)
根据(9)式Pw＝(Rp-Lb)/C2
所以Eμa＝2πrw’μ(Rp-Lb)/C2(1/cosθ)
＝2πrw’μ(Rp-Lb)/C2/cosθ (7-3)
s＞P时
由于Pw＝0，所以Eμa＝0。
(8.能量的平衡)
(8-1.s≦P时)
根据能量的平衡Ei＝Ec
Lbs+2πTb
＝Rps+2πre’μRp/C3+2πrw’μ(Rp-Lb)/C2/cosθ
＝Rp(s+2πre’μ/C3+2πrw’μ/(C2cosθ))-2πrw’μLb/C2cosθ
根据上述内容而得到
Rp＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/C2cosθ)/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ)) (8-1)
C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω。
(8-2.s＞P时)
根据能量的平衡Ei＝Ec
Lbs+2πTb＝Rps+2πμRp/C3 re’
＝Rp(s+2πμ/C3 re’)
根据上述内容而得到
Rp＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3) (8-2)
C3＝sinω+μcosω。
(9.N值、qc及Rp)
Rp由于是土地的竖直贯入阻力，所以与圆锥贯入阻力qc性质几乎相同，具有以下这样的关系。
Rp＝αqc Ae (9-1)
α：根据qc与Rp的关系确定的系数，qc：圆锥贯入阻力
Ae：带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积
N值与圆锥贯入阻力具有以下这样的关系。
qc/N＝β
N：N值，β：qc与N值的关系由此，
Rp＝αβN Ae (9-2)
N值与Rp也能够建立关系。
所以，技术方案2中记载的基于“力的平衡”的评价式根据(9-1)式、(9-2)式及(5-5)式，成为：
圆锥贯入阻力(qc)＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3)/(αAe)
N值＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3)/(αβAe)
C1＝sinθ+μcosθ，C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω。
技术方案3中记载的基于“能量的平衡”的评价式根据(9-1)式、(9-2)式及(8-1)式，成为：
在每一旋转的竖直贯入量(s)与叶片螺距(P)相等的情况下(技术方案3记载的发明)
圆锥贯入阻力(qc)＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/(C2cosθ))/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ))/(αAe)
N值＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/C2cosθ)/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ))/(αβAe)
C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω。
技术方案4中记载的基于“能量的平衡”的评价式根据(9-1)、(9-2)式及(8-2)式，成为：
在每一旋转的竖直贯入量(s)比叶片螺距(P)大的情况下(技术方案4记载的发明)
圆锥贯入阻力(qc)＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3)/(αAe)
N值＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3)/(αβAe)
C3＝sinω+μcosω。
(勘测结果的例子)
利用本勘测方法实施的勘测结果的一个例子在图7以及图8中示出。
图7示出在本勘测位置的附近两个地方进行的圆锥贯入试验结果(左图)和根据μ＝0.5、α＝1的情况下的基于“能量的平衡”的评价式而求得的qc-深度关系(右图)。
根据图7，可知在α＝1时具有良好的相关性。这种情况表明圆锥贯入阻力与带有叶片的圆锥体的竖直贯入阻力Rp几乎为相同的值。圆锥贯入试验在深度约17m时两个地方都不能贯入而中断，但是本勘测方法没有问题而勘测到了深度约25m。
图8中同样示出附近的标准贯入试验结果(左图)和根据μ＝0.5、α＝1、β＝600kPa的情况下的基于“力的平衡”的评价式而求得的N值-深度关系(右图)。这里也有良好的相关性。β＝600kPa与有关N值和qc的相关关系的以往的研究结果并不矛盾。另外，本发明的“N值”能够作为图示那样的连续数据而获得。
(最佳的叶片螺距率)
图9是针对Do＝48mm、Dw＝60、72、96mm三种的情况，分别求得t＝3、4、6mm的情况下的叶片螺距率(P/Do)与作用扭矩的关系。叶片螺距率为0.5-1.5时，作用扭矩变小，因此可知带有叶片的圆锥体的叶片螺距为圆锥的最大直径的0.5-1.5时，能够以小的作用扭矩而有效的贯入。
＜上述算式中的符号的说明＞
Ao圆锥的最大直径部的截面积(杆部的面积、最大叶片部的内面积)
Ac等效圆锥的周面积
Ae带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积
At杆面积与最大的叶片的投影面积的和
Aw带有叶片的圆锥体的叶片面积的总和
dAw带有叶片的圆锥体的叶片的微小面积
Apw带有叶片的圆锥体的叶片的投影面积的总和
dApw带有叶片的圆锥体的叶片的微小投影面积
Do杆的直径(圆锥的最大直径)
Dw最大叶片的直径
Ei每一旋转的贯入所输入的能量
Ec每一旋转的贯入所消耗的能量
Es基于竖直贯入而每一旋转所消耗的能量
Eμ基于旋转摩擦而每一旋转所消耗的能量
Eμp基于伴随着旋转的贯入摩擦而每一旋转所消耗的能量
Eμa基于伴随着旋转的叶片摩擦而每一旋转所消耗的能量
Fp将贯入摩擦阻力矩Tb(等效作用半径re’)换算成叶片摩擦阻力Fw的等效作用半径rw’下的摩擦力之后的值
Fw叶片摩擦阻力
dFw由叶片产生的叶片摩擦应力强度的圆周方向分力
Fμp由竖直贯入阻力产生的圆周方向上的贯入摩擦阻力(摩擦力的合力)
Ht将作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩置换为叶片推进力的等效作用圆上的水平力之后的值＝Tb/rw’
l每一旋转的叶片的中央部的螺旋长度
Lb作用竖直力
N N值
P叶片螺距(叶片在一周期间在Z方向上移动的量)
Pw叶片推进力
Pa由于楔入效应而作用于叶片上表面的叶片推进应力强度
Pp作为贯入阻力而作用于圆锥周面的垂直应力强度
qc圆锥贯入阻力
ro圆锥轴部的最大半径(杆的半径、叶片的最大内径)
re带有叶片的圆锥体的等效贯入半径
re’贯入摩擦阻力矩的等效作用半径
rw叶片的最大半径
rw’叶片摩擦阻力矩的等效作用半径
rw1’面包圈状的螺旋叶片一周的情况下的等效作用半径
rwd’外径rwψ/(2nπ)、内径roψ/(2nπ)的环的等效作用半径
Rp竖直贯入阻力
s每一旋转的竖直贯入量
t叶片的平均厚度
Tb作用扭矩
Td在一片面包圈状的叶片的情况下基于叶片推进力的叶片摩擦阻力矩
Tp由竖直贯入阻力产生的贯入摩擦阻力矩
Tw由叶片推进力产生的叶片摩擦阻力矩
dTw由微小要素的叶片推进力产生的叶片摩擦阻力矩
Vw叶片的每一旋转的排土体积和圆锥的排土体积的和
Z竖直方向坐标轴
α根据qc与Rp的关系而确定的系数
β根据qc与N值的关系而确定的系数
δ叶片的微小要素的倾斜角
ψ极坐标的旋转角
μ土地与叶片的摩擦系数
τ圆周方向上的摩擦应力强度
θ叶片的等效倾斜角
ω从圆锥前端的中心轴起的角度
Ψ叶片摩擦阻力矩的等效作用圆的圆周方向上的坐标轴
η贯入摩擦阻力矩的等效作用半径(re’)与叶片摩擦阻力矩的等效作用半径(rw’)的比
以上根据附图以及算式针对本发明的实施例进行了说明，但是慎重起见特此声明：本发明并不限于图示例，在不脱离其技术构思的范围内，包含本领域技术人员通常进行的设计变更、应用的变更的范围。
附图标记的说明
1 带有叶片的圆锥体
2 圆锥部
2a 圆锥外周面
3 螺旋叶片部
4 圆锥前端
5 杆下端
6 杆上部
7 杆
8 施工机械
9 土地(勘测对象土地)

Claims (6)

1.一种土地勘测方法，其特征在于，设置有：带有叶片的圆锥体，其具有向着贯入方向而直径缩小的圆锥部和设置于所述圆锥部的外周面且向着前端而宽度变窄的螺旋叶片部；杆，其在下端安装所述带有叶片的圆锥体；通过施加于所述杆的上部的加载扭矩和加载竖直力，使所述带有叶片的圆锥体贯入勘测对象土地，根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩和作用竖直力，或者根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量，评价所述勘测对象土地的贯入阻力。
2.根据权利要求1所述的土地勘测方法，其特征在于，
在根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩和作用竖直力来评价所述勘测对象土地的贯入阻力的情况下，
通过下式来评价圆锥贯入阻力和标准贯入试验N值，且以下将标准贯入试验N值简称为N值：
圆锥贯入阻力(qc)＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3)/(αAe)
N值＝(TbC2/rw’+LbC1)/(C1+C2μη/C3)/(αβAe)
C1＝sinθ+μcosθ，C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω
Tb：作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩；
Lb：作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力；
rw’：叶片摩擦阻力矩的等效作用半径；
η：贯入摩擦阻力矩的等效作用半径(re’)与叶片摩擦阻力矩的等效作用半径(rw’)的比；
μ：土地与叶片的摩擦系数；
ω：从圆锥前端的中心轴起的角度；
θ：叶片的等效倾斜角；
Ae：带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积；
α：根据qc与Rp的关系而确定的系数，其中Rp为竖直贯入阻力；
β：根据qc与N值的关系而确定的系数。
3.根据权利要求1所述的土地勘测方法，其特征在于，在根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量来评价所述勘测对象土地的贯入阻力的情况下，
在所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的竖直贯入量(s)与叶片螺距(P)相等或者小于叶片螺距(P)时，
根据所述作用扭矩、所述作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量，通过下式来评价圆锥贯入阻力和N值：
圆锥贯入阻力(qc)＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/(C2cosθ))/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ))/(αAe)
N值＝(2πTb+Lbs+2πμrw’Lb/C2cosθ)/(s+2πμre’/C3+2πμrw’/(C2cosθ))/(αβAe)
其中，C2＝cosθ-μsinθ，C3＝sinω+μcosω
Tb：作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩；
Lb：作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力；
s：每一旋转的竖直贯入量；
rw’：叶片摩擦阻力矩的等效作用半径；
re’：贯入摩擦阻力矩的等效作用半径；
μ：土地与叶片的摩擦系数；
ω：从圆锥前端的中心轴起的角度；
θ：叶片的等效倾斜角；
Ae：带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积；
α：根据qc与Rp的关系而确定的系数，其中Rp为竖直贯入阻力；
β：根据qc与N值的关系而确定的系数。
4.根据权利要求1所述的土地勘测方法，其特征在于，在根据作用于所述带有叶片的圆锥体的作用扭矩、作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量来评价所述勘测对象土地的贯入阻力的情况下，
在所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的竖直贯入量(s)大于叶片螺距(P)时，
根据所述作用扭矩、所述作用竖直力及所述带有叶片的圆锥体的每一旋转的贯入量，通过下式来评价圆锥贯入阻力和N值：
圆锥贯入阻力(qc)＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3)/(αAe)
N值＝(2πTb+Lbs)/(s+2πμre’/C3)/(αβAe)
C 3＝sinω+μcosω
Tb：作用于带有叶片的圆锥体的作用扭矩；
Lb：作用于带有叶片的圆锥体的作用竖直力；
s：每一旋转的竖直贯入量；
re’：贯入摩擦阻力矩的等效作用半径；
μ：土地与叶片的摩擦系数；
ω：从圆锥前端的中心轴起的角度；
θ：叶片的等效倾斜角；
Ae：带有叶片的圆锥体的等效贯入截面积；
α：根据qc与Rp的关系而确定的系数，其中Rp为竖直贯入阻力；
β：根据qc与N值的关系而确定的系数。
5.一种带有叶片的圆锥体，是使用于权利要求1～4中任一项所述的土地勘测方法的所述带有叶片的圆锥体，其特征在于，包括有：向着前端而直径缩小的圆锥部；设置于所述圆锥部的外周面且向着前端而宽度变窄的螺旋叶片部。
6.根据权利要求5所述的叶片的圆锥体，其特征在于，所述带有叶片的圆锥体的叶片螺距是圆锥最外径的0.5～1.5倍。
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