TW388780B - A hitting way of drop hammer with an energy-transfer device used in the Standard Penetration Test (SPT) - Google Patents

Description

五、發明説明（f ) 經濟部中央榇準局WC工消費合作社印製 本發明係關於一種標準貫入試驗落錘打擊方法與能量 傳遞裝置，尤指一種可使標準貫入試驗落錘打擊方法之打 擊能量輸入提高且更加穩定與準確的設計。 鑽探技術廣泛應用於海域及陸地，無論是海域的錢油 開採領域須藉助鑽探技術來預測原油的蘊含量，或是陸地 建築物的基礎工程也須藉助鑽探技術來了解地質的狀況， 因此鑽探技術的應用於土木工程界即相當普遍。准鑽探技 術之應用須藉由各種探測法來反覆量測地質狀況，因此於 鐵探技術領域中’即發展出數種不同的探測法，以供鑽探 人員視環境、地質、氣候等等因素的考量而選用。例如應 用於海上油氣探測時之震測探測法，即是將震波反射後之 記錄分析整理，來重建地下地質構造圖。 而於陸地上較常見之現場土層探測法，則以標準貫入 '式驗法為土木工程界最為普遍及較迅速、有效的調杳方 法，該方法係在鑽探取樣過程中，每間隔約15公尺或地 層有變化之處施作，並由劈管採取擾動樣品。而操作方法 係將重量約63·5公斤之鐵錘揚起76公分然後落下，將試 驗用劈管打入地層，記錄每貫入三十公分深度時所需的打 擊次數，此次數即為標準貫入法中所稱之「Ν值」，藉由 「Ν值」之大小即可初步判定地層軟硬或緊密程度。 而因標準貫入試驗法操作簡便，且可獲得地層深處之 土層樣品’ S此主要被廣泛制於―般性地f調查及建築 物基礎設計。藉由這種試驗法所得>^值， 降了可了解地層 之變化’以推斷土層之工程強度與壓縮性，提供建築物基 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

I ,1Τ n^i m —if · 3 析與设計所需之各種土壤參數外，且能提供作 !^液化潛能分狀用。因此若綠得精相N值，定 月b有助於對各種土壌性質的推斷。 美國準貫人法有其—定之規範’較為常見之規範為 ΐ國肅M D·1586·84及日本國™ Α-1219·1961二種規 粑，试驗規範之内容區分為五大部份，即： 1.規範名稱 2 .適用範圍 3. 試驗設備 4. 試驗步驟 5.試驗結果紀錄及報告 如附件一所示之比較表，即是二種規範之差異，我國 土木工程界中大多依照美國ASTM來執行。而由上述試驗 規範中不難發現，標準貫入法實施之結果，除受地下土層 種類及地下水之自然因素影響外，也會因試驗設備操作步 驟及資料記錄及處理方法之不同，而有不同程度的變化。 由於標準貫入試驗Ν值對工程應用深具意義。一般觀 念認為’堅硬土層Ν值高，軟弱土層is[值低。而按照工程 常^之Ν值與土層軟硬程度間之關係可如丁： 砂土 _ _ 枯 土 Ν值 緊密程廑 Ν值 堅會程疳 0-2 非當敕弱 0-4 非常鬆散 2-4 敕弱 4-10 鬆散 4-8 中算 10-30 中等緊密 8-15 堅實 30-50 緊密 15-30 非常堅管 >50 非常緊密 >30 堅硬 B7 五、發明説明（彡） 因此，在計算N值時，落錘所傳入鑽桿的打擊能量便 成了檢測的重點。因為倘使落錘打擊效率不佳，所輸入的 能量較少，在探測軟土層時，反倒使試驗所得]^值偏高， 在工程應用時，將容易出現嚴重誤導的情形。所以，應對 有效的㈣打擊方法以及傳遞能量之裝置等兩方面提出正 確有效之方案。

經 濟 部 中 央 揉 準 局 % X 消 费 合 作 社 請參看第八圖所示，該圖中即為目前工程應用一般採 用標準貫入法實施之態樣，其中鑽桿（8〇)上端為钻板（82) 與一段加裝之導桿（81)。用於引導錘體落下打擊钻板 (82)。另於鑽桿（8〇)正上方處即設置錘體（86)，該錘體（86) 為中心開孔之圓柱體，由上部吊拉繩索（85)向上拉至76公 分高度後釋放落下後由導桿（81)導正落下方向，然後於钻 板（82)上形成打擊力。在實際工程中，倘若欲量測打擊能 量時，係於鑽桿（80)適當處裝設荷重計（83)，荷重計（83)以 訊號線路與電腦（84)銜接。因此，荷重計（83)所感受之力量 即會傳遞至電腦（84)處。而打擊時，瞬間錘體（86)與鈷板（82) 即會產生碰撞之壓力波。此時於錘體（86)與鑽桿（8〇)間，即 因力量之傳遞，使荷重計（83)量測錘體傳至鑽桿之力與時 間的關係。藉此計算壓力波之能量，並瞬間將訊號送出， 即可由電腦（84)中程式計算出打擊能量。 上述方式於土木工程界中稱之為圈餅式落錘打擊法。 而能量量測方式則稱為荷重計量測法，藉由一定公式的配 合各種條件’可計算出Ν值所相對應之打擊能量。這種落 錘打擊方式十分普遍，唯於各種試驗、實際操作過程中發 本纸峨用中㉛ 五、發明説明（ A7 B7 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製

現，雖然規範要求落錘應以、自由落下夕方式打擊鑽桿， 但由於落錘必須藉由吊拉繩索拉昇，在釋放落下時，亦連 著繩索拖矣落下，其所形成者僅是、、近似〃自由落下之狀 態。除此之外，更因外接引導落錘路徑之導桿傳遞、摩擦 以及人為操作等情況造成能量的損失，實際傳至鑽桿的能 量通常十分不穩定。一般大約為理論值4840公斤公分 (kg-cm)之40%〜90%，上下差距甚大’且無形中也存在: 確定多募之打擊能量傳輸效率損失。 因此業者便針對錘體之結構再深入的研究’以不同規 格的錘體反覆試驗。例如，以夾爪抓拉之中空筒狀錘（俗 稱圈餅式自由落錘）或者倒蓋中空桶形（俗稱安全式落錘） 的錘體來打擊鑽桿。但發現並未有多大的助益，實際傳達 的旎量值以及傳遞能量之穩定性兩方面並未有多大的改 善。而本創作者於反覆試驗中發現這些作為無法有效改善 之主要原因在於：⑴當鐘體落下時，㈣吊拉繩索以及; 導桿滑動時摩擦損耗能量’⑺錘體打擊時與鑽桿上端钻板 的打擊接觸點為不特定狀態，如第九圖所示之各箭頭處， 即可能為各次不同打擊時，錘體分別打擊於钻板（82)上時 的打擊接觸點。試想’當加諸於平面上之外力著力點為不 特定處時，自平面處往下傳達的能量（能量傳遞效率）自 然會有相當差異。因此錘體落下後輸入鑽桿的能量會因錘 體落下過程中能量損耗以及打擊點不確定，而呈現極不穩 定’甚或偏差。 因此為降低落錘傳至錢桿的損失能量，鐘體的規格、 請 先 聞 背 面 之 注 3 旁 訂

____ 6 ( CNS ) Α4ΜΜ· ( 210X297^* J ：.；.^λ^：·；·· ./ ι·| 經濟部中央梯準局負工消费合作社印 五、發明説明（f) 為主要的考量重點。而是應著重於錘體落下方 鑽桿之純間之接㈣係。若能使錘體依據 動上SI:方式，首先⑴改善過去吊拉繩索，依附導桿滑 =上下專措施所產生打擊前之能量摩擦損耗。同時，⑺在 洛鐘自由落下後’打擊接觸點能集中於某一特.定小範圍 内，乃至於集中於鎮桿的中心處，即可減少位移差距所產 ^荷重計量測的㈣。藉此—方面提高打擊能量傳輸效率 窃(即每次打擊輸入之能量提高），另一方面亦提高固定能 篁穩定輸入之精確程度（即每次打擊輸入之能量盡量相 同）。相對的，即可因此更精準地計算出Μ，使鑽探技 術更加提昇-。 故本發明者乃研發出本發明標準貫入試驗落錘打擊方 法與能量傳遞裝置，希藉由本發明的應用達到以下的目 的： 本發明設計的主要㈣，健供一種標準貫入試驗落 錘打擊方法與能量傳遞裝置，來提昇標準貫入試驗之打擊 效率，該方法主要一方面藉落下時使錘體以真正自由落下 減少能量損耗，另一方面，使錘體與鑽桿之鈷板間以平面 與曲面接觸的型態或以曲面或曲面的型態，使鐘體落下的 打擊接觸點集中於鑽桿中央部位，使鑽桿承受穩定的輸入 能量。因此，可提高輸入能量以及穩定傳遞的能量，改善 標準貫入試驗法以往的缺失。

本發明設計的一項主要目的，係以吸附、夹取或其他 等效之方式固定錘體，而使錘體真正自由落下，提高能

本紙張峨用 ( cns ) A4m- 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印裝 (10)支撐架 (12)荷重計 (14)信號制約器 (16)鈷板 (18)安全索 五、發明説明（ 人Μ目的’m曲面狀的钻板可與不同規格的 錘-口 L括曲面底端之錘體，均可達到傳遞穩定能量 的目的。 為使貝審查委員能更進一步了解本發明的落錘打擊 方法、裝置及試驗結果，特配合圖式加以說明： (一） 圖式部份： .第圖係本發明试驗時各部份裝置之平面圖。 第二圖係本發明錘體打擊钻板之平面圖。 第三圖係本發明試驗時各構件的規格表。 第四圖係本發明試驗時所測得之比值比較表。 第五圖係本發明試驗時，平面型钻板與曲面型钻板之 能量誤差值座標圖。 第六圖係本發明試驗時曲面型钻板與各型式錘體配合 之座標圖。 第七圖係本發明試驗時平面型钻板與各型式錘體配合 之座標圖。 第八圖係習用量測裝置之平面圖。 第九圖係平面型钻板之受力圖。 (二） 圖號部份： (11)鑽桿 (13)剪斷拋棄式吊掛線 (15)示波器 (17)錘體 (19)防護架 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 Οχ297公着）

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A7 B7 五、發明説明（*7 (20)防護網 (80)镄桿 （81)支撐架 (82)钻板 （83)荷重計 (84)信號制約器 （85)示波器 (86)錘體 (三）附件： 一、 美國 ASTM D-1586-84 及日本國 JIS A-1219-1961 二種規範之比較表。 二、 本發明試驗之裝置相片乙份。 本發明主要係提供一種以錘體自由落下減少損耗並藉 平面與曲面，或以曲面與曲面的接觸來提高並穩定傳遞打 擊能量的打擊方法，以及一種創新的自由落錘撞擊钻板有 效傳遞能量之裝置’第一圖所示，即為本發明實際試驗自 由落鐘裝置的一種態樣’其具有一置於地面上的支撐架 U〇) ’支撐架（ίο)用以支撐鑽桿（u)，鑽桿（u)上方銜接荷 重計桿（12)，以及钻板（16)。而鑽桿（11)下方則與地層接觸 (可另接取樣器），藉由上端的打擊提供能量給下端之取 樣器貫入土層，而深入地層中。其中，量測打擊能量與現 行採用之荷重計量測法相同，由荷重計（13)以訊號線路與 信號制約器（14)銜接，信號制約器（14)並再以訊號線路與示 波器（15)銜接’荷重計（13)所感受之力量即會傳遞至示波器 (15)處。另外，鑽桿（11)之最上端為鈷板（16)，該钻板〇6) 頂端面為曲面之設計。而鈷板（16)、鑽桿（u)與荷重計桿（12) 二者可為一體之設計。此外，錘體（17)底部可為平面曲 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張肅用 ) 面之設計，其可以吸附、夾取或其他等效方式固定於上端 掛鉤處，以使錘體（17)以自由落體方式落下，而第一圖所 示之型態，係本發明於試驗階段係以剪斷拋棄式吊掛線（13) 將錘體（17)懸掛於掛鉤上，藉由繫索配合滑輪而定位於钻 板（16)上端76公分處。而打擊過程之安全性則藉由附加之 安全索（18)，防護架（19)以及防護網（20)來達成。 以本發明試驗時採用之吊掛線，於打擊時剪斷，錘體 可不受任何束缚約束真正、、自由落下〃。這種作法，直接 自由落下之方式改正現行繫索圈餅落錘方式，或者中空套 筒式的錘體，愛到滑輪、繩索以及導桿等摩擦阻力的困擾， 因此’首先便能提高錘體能量的輸入。 其次，本發明採用之曲面鈷板，係當錘體（17)以自由 落體方式下落時，請配合參看第二圖所示。打擊瞬間，鐘 體（17)與鈷板（16)間即以平面與曲面，或曲面與曲面接觸的 狀態完成能量的傳遞，此時二者間之壓力波傳遞，係被侷 限於平面與曲面，或曲面與曲面的打擊接觸點處，而此打 擊接觸點係被控制在鈷板的中心，因此當錘體（17)反覆進 饤打擊時，打擊接觸的範圍即被明顯被限制於鈷板中心點 ，近的一小範圍區域中，故每次的打擊均能以較穩定的能 置往下傳遞至荷重計（12)處，並瞬間將訊號送出至示波器 (15)顯示立即由顯示板直接觀察打擊成效，同時藉外接電 腦’即可由電腦程式計算出能量。 而特為證明能量的損失確實係因钻板與錘_間的打擊 接觸區域不穩定而造成，本發明者特以附件二相片示之 五 發明説明（ 打擊架進行各種試驗，試驗中’以一般規袼之鑽桿配 二面式钻板及曲面式钻板，且配合四種型式之落錘進行 不同的试驗’如第三圖所示，即是落鐘及鑽桿系統的尺寸 規格表，其中平面式钻板與曲面式钻板所選用的直徑盘重 量均相同，差別僅在於頂端面之形狀，而試驗結果之比值 即如第四圖所不之比較表。必須強調的是，本試驗所有落 鐘打擊均依剪斷吊掛線（13)方式，使諸真正自由落下。 Z此，本試驗已首先排㈣鐘是否依自纟落下方式打擊所 造成之影響’因此數據精確程度已遠比-般試驗或工程實 務數據為高。 ’. 試驗結果請參看第五圖所示之座標比較圖，可依兩方 面，比較曲面㈣板所達到之績效；⑴能量傳輸效率⑺ 能量傳遞穩定性。其中，（1)能量傳輸效率方面，由第五圖 可以看出平面型钻板所得之能量傳輸平均比值為51%β而 曲面型鈷板所得之能量傳輸平均比值則為59%，增加約8% 之效果。值得再進一步說明的是，本試驗所採用之鑽桿長 度僅為3m，按ASTM規範要求需將所測得之能量修改成 無限長之桿長。同時亦對荷重計位置進行修正。因此，修 正後平面型鑽^干之平均比值為88%，而曲面型鑽桿之比值 則為100%，此即一般工程界所慣常用以描述打擊能量比值 之數字；亦即前述一般常見鑽桿能量4〇%〜90%所對應之 比較值請參考第四圖所示恥結果。因此，明顯為曲面型钻 板優於平面型姑板。 而在（2)能量傳遞穩定性方面，平面型姑板所得之數據 π

五、發明説明（丨〇)

變化約在±9%(變化範圍約為18%)。而曲面型钻板所得 I 數據變化約在土2〇/。（變化範圍約為4%)，改善約為14% I.丨 之不穩定性。而在撞擊力過程波形方面，第六圖所示為肖$ I | 面型鈷板之撞擊力過程波形之座標圖，由此座標圖中可看 |丨丨| 出，不論選用何種塑式之鐘體與曲面型钻板配合，其絲 | j | 的重覆性均相當高，而第七圖所示為平面型鈷板之撞擊力 |丨―| 過程波形之座標圖，由此座標圖中可看出，不論選用何種| I . ^ 型式之錘體與平面型钻板配合，其波形的重覆性均明顯肖誉 第六圖所示之各座標圖為差，此差異，也是因為曲面型#含丨 板能量傳遞誤差範圍較小之緣故[ 因此由上述之試驗可明顯看出钻板與錘體間以曲面與 [ 平面，或曲面與曲面為接觸的型態，不但可以提高打擊能 ^ 量輸入，同時，可使錘體打擊的落點控制在钻板中心處， β|Τ

而使能量的傳達更加穩定，使誤差值降至最低程度，因此 J

於標準貫入試驗法的鑽探技術中，藉由本發明量測方法及 J

此一裝置之改善，即可解決以往標準貫入法無法試驗標準 I 的缺失’故本發明之應用極具產業上利用價值，應符合發 丨j 經濟部中央橾準局男工消费合作社印製

明專利要件’乃依法提出申請。 I 12 本紙張適财HS家標準（CNS ) Α4胁（21Gx297公兼）

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 . -種標準貫入試驗落鐘打擊方法，該方法係以鐘 體自由落體方式落下’而錘體打擊鈷板時係以錘體的底平 面與钻板的頂端曲面接觸，即可使打擊接觸部位集中於钻 板的中心處的小範圍區域中，其特徵在於：錘體不受拘束 自由落下以及打擊時錘體與钻板撞擊過程集中於平面與曲 面之接觸點。‘ 2 . —種標準貫入試驗落錘打擊方法，該方法係以錘 體自由落體方式落下，而錘體打擊鈷板時係以錘體的底曲 面與钻板的頂端曲面接觸，即可使打擊接觸部位集中於鈷 板的中心處的小範圍區域中，其特徵在於：錘體不受拘束 自由落下以及打擊時錘體與鈷板撞擊過程集中於曲面與曲 面之接觸點。 3 · —種標準貫入試驗落錘能量傳遞裝置，該裝置以 落錘與鑽桿配合，鑽桿上端為钻板，中段適當處裝置荷重 計桿’钻板、鑽桿與荷重計桿三者間可為一體之設計，其 特徵在於.钻板頂端為曲面設計。 經濟部中央揉準局身工消费合作社印製 — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 4 ·如申請專利範圍第3項所述標準貫入試驗落錘能 量傳遞裝置，其中落錘底部可為平面之設計。 5 ·如申請專利範圍第3項所述標準貫入試驗落錘能 量傳遞裝置，其中落錘底部可為曲面之設計。 13