06靜力觸探試驗(yàn)

第六講

靜力觸探試驗(yàn)巖土工程測(cè)試原理及技術(shù)講義靜力觸探試驗(yàn)概念靜力觸探試驗(yàn)(CPT)(conepenetrationtest)是用準(zhǔn)靜力(沒有或少有沖擊荷載)將一個(gè)內(nèi)部裝有傳感器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的探頭勻速壓入土中，同時(shí)量測(cè)探頭阻力，測(cè)定土的力學(xué)特性。由于地層中各種土的狀態(tài)和密實(shí)度不同，探頭所受的阻力也不一樣，傳感器將這些大小不同的貫入阻力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，借助電纜傳送到記錄儀并記錄下來，通過貫入阻力與土的工程地質(zhì)特性之間的定性關(guān)系和統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)獲取土層剖面、提供淺根底承載力、選擇樁尖持力層和預(yù)估單樁承載力等巖土工程勘察的目的。§6.1靜力觸探試驗(yàn)概念靜力觸探試驗(yàn)概念靜力觸探試驗(yàn)就是利用貫入阻力的大小與土層的性質(zhì)相關(guān)的特點(diǎn)，通過貫入阻力的變化情況，到達(dá)了解土層的工程性質(zhì)的目的。靜力觸探試驗(yàn)兼有勘探和測(cè)試雙層功能。既可以對(duì)地基土進(jìn)行力學(xué)分層并判斷土的類型，又可以確定地基土的參數(shù)(強(qiáng)度、模量、狀態(tài)、應(yīng)力歷史)、砂土液化可能性、淺根底承載力、單樁豎向承載力等。靜力觸探試驗(yàn)適用于軟土、一般粘性土、粉土、砂土和含少量碎石的土。靜力觸探試驗(yàn)對(duì)碎石類土和較密實(shí)砂土難以貫入，也不能直接地識(shí)別土層。靜力觸探試驗(yàn)一般和鉆探一起配合運(yùn)用?！?.1靜力觸探試驗(yàn)概念靜力觸探試驗(yàn)概念§6.1靜力觸探試驗(yàn)概念圖6-6靜力觸探示意及其曲線〔a〕靜力觸探示意及土層剖面〔b〕靜力觸探曲線靜力觸探試驗(yàn)特點(diǎn)靜力觸探試驗(yàn)具有快速、精確、經(jīng)濟(jì)和節(jié)省人力等特點(diǎn)。特別是對(duì)于地層變化較大的復(fù)雜場(chǎng)地以及不易取得原狀土樣的飽和砂土和高靈敏度的軟粘土地層的勘察。另外，靜力觸探試驗(yàn)還能夠準(zhǔn)確地確定樁尖持力層，這是其余勘探手段難以比較的?！?.1靜力觸探試驗(yàn)概念靜力觸探貫入設(shè)備靜力觸探貫入設(shè)備包括加壓裝置和反力裝置兩局部，其目的是將探頭壓入土中。§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備一.加壓裝置其作用是將探頭壓入土中。一般有“手搖式、齒輪機(jī)械式、全液壓傳動(dòng)式〞等，詳見下頁圖。手搖式——用于較大設(shè)備難以進(jìn)入的狹小場(chǎng)地的淺層地基土的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。齒輪機(jī)械式——可單獨(dú)落地組裝，也可裝在汽車上，貫入阻力小，貫入深度有限。全液壓傳動(dòng)式——普遍應(yīng)用的貫入設(shè)備，最大貫入阻力可達(dá)200kN。靜力觸探貫入設(shè)備包括“利用地錨作反力、利用重物作反力、利用車輛自重作反力〞等方法。利用地錨作反力——用于地表有一層較硬的粘性土覆蓋時(shí)。利用重物作反力——用于地表土為砂礫、碎石土等地錨難以下入時(shí)。利用車輛自重作反力——貫入設(shè)備裝在汽車上時(shí)?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備二.反力裝置靜力觸探貫入設(shè)備§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探貫入設(shè)備§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探貫入設(shè)備§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探貫入設(shè)備§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭靜力觸探試驗(yàn)將探頭壓入土中時(shí)，由于土層的阻力，會(huì)使探頭受到壓力。土層的強(qiáng)度越高，探頭所受到的壓力越大。探頭內(nèi)置由傳感器，通過探頭內(nèi)的阻力傳感器，會(huì)將土層的阻力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由儀表測(cè)量出來。探頭就是這樣工作的，再利用材料變形的胡克定律、電量變化的電阻率定律和電橋原理，而實(shí)現(xiàn)巖土原位勘察功能的?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備一.探頭的工作原理靜力觸探探頭1.材料變形的胡克定律傳感器受力后要產(chǎn)生變形。根據(jù)彈性力學(xué)原理中的胡克定律，如果應(yīng)力不超過材料的彈性范圍，其應(yīng)變的大小與土的阻力大小成正比，而與傳感器的截面積成反比。因此，只要能夠?qū)鞲衅鞯膽?yīng)變變化的大小測(cè)量出來，即可知道土阻力的大小，從而求得土的有關(guān)指標(biāo)?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭2.電量變化的電阻率定律如果在傳感器上貼上應(yīng)變片，當(dāng)傳感器受力變形時(shí)，應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，從而引起應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化。根據(jù)電量變化的電阻定律，應(yīng)變片的阻值變化與電阻絲的長(zhǎng)度變化成正比，與電阻絲的截面積變化成反比，這樣就能將傳感器的變形轉(zhuǎn)化為電阻的變化。此時(shí)，只要能夠?qū)?yīng)變片的電阻變化的大小測(cè)量出來，就可知道傳感器的應(yīng)變變化的大小?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭3.電橋原理傳感器在彈性范圍內(nèi)的變形很小，引起的傳感器上貼的應(yīng)變片的電阻變化也很小，不容易被測(cè)量出來。此時(shí)，可以在傳感器上貼一組應(yīng)變片，組成一個(gè)電橋電路，使電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過放大，就可以測(cè)量出來。此時(shí)，只要測(cè)出放大了電橋電路的電壓的變化，就可以測(cè)量出來應(yīng)變片的電阻變化?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭靜力觸探試驗(yàn)就是通過探頭傳感器而實(shí)現(xiàn)的一系列的能量轉(zhuǎn)換：土的強(qiáng)度→土的阻力→傳感器的應(yīng)變→電阻的變化→電壓的輸出。最后由電子儀器將“電壓的輸出〞的電信號(hào)放大和記錄下來，經(jīng)過換算，就可到達(dá)獲取土的強(qiáng)度和其他指標(biāo)的目的?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭靜力觸探的探頭的構(gòu)造根本差不多，主要是根據(jù)電橋電路的不同，區(qū)分為：?jiǎn)螛蛱筋^、雙橋探頭、孔壓探頭(在單橋或雙橋探頭的根底上增加了能夠量測(cè)孔隙水壓力的功能)這幾種，詳見下頁圖?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備二.探頭的結(jié)構(gòu)靜力觸探探頭§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探探頭§6.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備靜力觸探量測(cè)儀器目前我國(guó)常用的靜力觸探試驗(yàn)測(cè)量裝置主要有電阻應(yīng)變儀、自動(dòng)記錄儀、靜探微機(jī)等三種類型。其中靜探微機(jī)能采用人機(jī)結(jié)合的方法整理資料，能自動(dòng)計(jì)算靜力觸探分層力學(xué)參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算單樁承載力，提供qc、fc、Es等地基參數(shù)，是目前常用的靜力觸探測(cè)量?jī)x器?！?.2靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

靜力貫入試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作包括以下一些內(nèi)容：1.設(shè)置反力裝置(或利用車裝重量)。2.安裝壓入和量測(cè)裝備。將觸探機(jī)就位后，應(yīng)調(diào)平機(jī)座底板，并用水準(zhǔn)尺校核，使貫入壓力保持豎直方向，并使機(jī)座與反力裝置銜接、鎖定。3.檢查電源電壓是否符合要求。4.檢查儀表是否正常。5.將探頭接上測(cè)量?jī)x器(應(yīng)與探頭標(biāo)定時(shí)的測(cè)量?jī)x器相同)，并對(duì)探頭進(jìn)行試壓，檢查頂柱、錐頭、摩擦筒是否能正常工作。§6.3靜力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的主要工作需要注意的主要有§6.3靜力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)一.探頭歸零將探頭壓入地表下0.5m左右，經(jīng)過一定時(shí)間后，將探頭提升10~25cm，使探頭在不受壓的狀態(tài)下與地溫平衡，以設(shè)法消除溫度變化對(duì)傳感器的影響。待讀數(shù)漂移穩(wěn)定后，將儀表調(diào)零，然后可以開始貫入。開始貫入后，應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行探頭歸零工作，以消除溫度變化對(duì)傳感器的影響。具體做法是：每貫入一定深度(一般2m左右)，提升探頭5~10cm，并記錄探頭不歸零數(shù)，隨即將儀器歸零?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作觸探機(jī)的貫入必須勻速，其貫入速率一般控制在1.2±0.3(m/min)。§6.3靜力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)二.貫入速率孔深超過6m后，可根據(jù)不歸零數(shù)大小，放寬歸零檢查的深度間隔。終孔起拔時(shí)和探頭拔出地面后，都應(yīng)記錄不歸零數(shù)。不歸零數(shù)也稱為“初讀數(shù)〞，是指探頭在不受土層阻力的條件下，傳感器初始應(yīng)變的讀數(shù)(即零點(diǎn)漂移)。初讀數(shù)的主要用途是后面進(jìn)行讀數(shù)修正?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作一般要求每10cm左右記錄一次讀數(shù)，也可根據(jù)土層情況增減，但不能超過0.2cm；使用自動(dòng)記錄儀時(shí)，應(yīng)注意橋壓、走紙和劃線情況。深度記錄誤差不超過±1%，當(dāng)貫入深度超過30m或穿過硬土層后，應(yīng)有傾斜數(shù)據(jù)。§6.3靜力觸探試驗(yàn)要點(diǎn)三.貫入讀數(shù)四.終止貫入當(dāng)貫入到達(dá)預(yù)定深度或出現(xiàn)以下情況之一時(shí)，應(yīng)停止貫入：(1)觸探主機(jī)到達(dá)最大容許貫入能力；(2)探頭阻力到達(dá)最大容許壓力；(3)探桿出現(xiàn)明顯彎曲；(4)反力裝置失效。《巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(GB-50021-2001)的第條：“靜力觸探試驗(yàn)成果分析應(yīng)包括以下內(nèi)容：1.繪制各種貫入曲線：?jiǎn)螛蚝碗p橋探頭應(yīng)繪制ps-z曲線、qc-z曲線、fs-z曲線、Rf-z曲線；孔壓探頭尚應(yīng)繪制ui-z曲線、qt-z曲線、ft-z曲線、Bq-z曲線和孔壓消散曲線ut-lgt曲線；2.根據(jù)貫入曲線的線型特征，結(jié)合相鄰鉆孔資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，劃分土層和評(píng)定土類；計(jì)算各土層靜力觸探有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提供靜力觸探數(shù)據(jù)的空間變化規(guī)律。§6.4靜力觸探資料整理原始記錄的修正包括讀數(shù)修正、曲線脫節(jié)和深度修正三個(gè)內(nèi)容。1.讀數(shù)修正——消除溫度影響：

自動(dòng)記錄儀讀數(shù)時(shí)，在觸探前和觸探過程中，每每貫入一定深度(一般2m左右)，提升探頭一次，并將儀器的初讀數(shù)調(diào)零，這樣得到的數(shù)據(jù)可以不做修正。如果初讀數(shù)不歸零，仍然需要每貫入一定深度(一般2m左右)，提升探頭一次，不調(diào)零但記錄初讀數(shù)，然后根據(jù)歸零檢查的深度間隔按線性內(nèi)插法對(duì)測(cè)試值加以修正。ε=ε1-ε0一.原始記錄的修正§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理2.曲線脫節(jié)修正：非連續(xù)貫入觸探儀每一行程結(jié)束和新的行程開始時(shí)，自動(dòng)記錄儀的自動(dòng)記錄的曲線會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階或喇叭口狀，如右以下圖所示。對(duì)于這種情況，一般以停機(jī)前曲線位置為準(zhǔn)，順應(yīng)曲線變化趨勢(shì)，將曲線較圓滑地連接起來，見右圖中的虛線所示?！?.4靜力觸探資料整理單孔資料整理3.深度修正：靜力觸探過程中，由于導(dǎo)輪磨損、導(dǎo)輪與觸探桿打滑，以及觸探孔傾斜、觸探桿彎曲等原因，會(huì)造成記錄曲線上記錄深度與實(shí)際深度不符。對(duì)于觸探桿打滑、速度比不準(zhǔn)等原因造成的深度誤差，應(yīng)在貫入過程中隨時(shí)注意，做好標(biāo)記，在整理資料時(shí)，按深度線性修正誤差或在漏記處補(bǔ)全。對(duì)于導(dǎo)輪磨損引起的誤差，應(yīng)及時(shí)更換導(dǎo)輪。對(duì)于孔傾斜引起的誤差，則應(yīng)在觸探的同時(shí)量測(cè)探桿的傾斜角(相對(duì)鉛垂線)，則可以按下式對(duì)貫入量進(jìn)行修正。§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理觸探時(shí)，量測(cè)到的某段探桿傾斜角(相對(duì)鉛垂線)為△hi，則該段的貫入修正量為：式中△hi——第i段深度修正值；

θ,θi

——第i次和第i-1次實(shí)測(cè)的傾斜角。觸探結(jié)束時(shí)的總修正量為∑△hi，則實(shí)際的貫入深度應(yīng)為：

§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理單橋探頭的比貫入阻力、雙橋探頭的錐頭阻力及側(cè)壁摩阻力按以下公式計(jì)算：ps=Kp·εpqc=Kq·εq；fs=Kf·εf式中：ps——單橋探頭的比貫入阻力(MPa)；qc——雙橋探頭的錐頭阻力(MPa)；fs——雙橋探頭的側(cè)壁摩阻力(MPa)；Kp、Kq、Kf——分別為單橋探頭、雙橋探頭的標(biāo)定系數(shù)(MPa/με)；εp、εq、εf——分別為單橋探頭、雙橋探頭貫入的應(yīng)變量(με)。二.貫入阻力的計(jì)算§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理摩阻比α是以百分率表示的各對(duì)應(yīng)深度的錐頭阻力和側(cè)壁摩擦力的比值：α=fs/qc×100%式中α——雙橋探頭的摩阻比。三.摩阻比的計(jì)算§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理使用微機(jī)觸探時(shí)，可由微機(jī)自動(dòng)完成需要的單孔靜探曲線。人工讀數(shù)記錄時(shí)，需要根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制單孔靜探曲線。需要繪制的曲線一般包括：ps-h曲線、qc-h曲線、

fs-

h曲線、α-h曲線等，詳細(xì)可見下頁圖形。其中：ps——單橋探頭的比貫入阻力(MPa)；

qc——雙橋探頭的錐頭阻力(MPa)；

fs——雙橋探頭的側(cè)壁摩阻力(MPa)；

α——雙橋探頭的摩阻比。四.繪制單孔靜探曲線§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理§6.4靜力觸探資料整理單孔資料整理如前所述，靜力觸探試驗(yàn)就是用靜力將裝有傳感器探頭勻速壓入土中，同時(shí)量測(cè)探頭的阻力。由于地層中各種土的狀態(tài)和密實(shí)度不同，探頭所受的阻力也不一樣，因此可以通過貫入阻力的變化，了解土層的工程性質(zhì)，查明地基土在水平方向和垂直方向的變化，以此來劃分土層。分層時(shí)應(yīng)首先考慮靜探曲線形態(tài)變化的趨勢(shì)，再結(jié)合考慮本地區(qū)地層情況或鉆探資料進(jìn)行。劃分土層時(shí)，劃分的詳細(xì)程度應(yīng)滿足實(shí)際觀測(cè)的需要，對(duì)主要受力層以及對(duì)觀測(cè)有影響的軟弱夾層和下臥層應(yīng)詳細(xì)劃分。§6.4靜力觸探資料整理劃分土層劃分分層界限時(shí)，需要考慮貫入阻力曲線中有超前和滯后現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在探頭由密實(shí)土層進(jìn)入軟土層或由軟土層進(jìn)入堅(jiān)硬土層時(shí)，幅度一般為10~20cm。其原因既有觸探機(jī)理的原因，也有儀器反映緩慢的原因，也有土層本身在軟硬土交界處具有漸變性的原因，在分層時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況分析?！?.4靜力觸探資料整理劃分土層土層分界線劃分后，就可以計(jì)算單孔分層平均貫入阻力。計(jì)算時(shí)，應(yīng)剔除記錄中的異常點(diǎn)以及超前和滯后值。計(jì)算的貫入阻力是各土層的平均貫入阻力，根本計(jì)算方法為厚度的加權(quán)平均法：式中n為各土層參與統(tǒng)計(jì)的靜探孔數(shù)，其余參數(shù)同前。§6.4靜力觸探資料整理土層貫入阻力的計(jì)算靜力觸探的成果應(yīng)用，一般是根據(jù)各地經(jīng)驗(yàn)來確定相應(yīng)的地基參數(shù)的，而這些經(jīng)驗(yàn)很多是建立在單橋探頭上的。即根本上是用ps或來進(jìn)行的。而ps根本是單橋探頭得到的數(shù)據(jù)，雙橋探頭得到的是qc、fs的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行換算，換算成ps的數(shù)據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，ps/qc的比值大致在1.0~1.5之間。對(duì)于非飽和土或地下水位以下的硬-堅(jiān)硬粘性土和強(qiáng)透水性砂土，可以用下式換算：ps=qc+6.41fs§6.4靜力觸探資料整理貫入阻力的換算《巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(GB-50021-2001)的第條：“根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)資料，利用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)行力學(xué)分層，估算土的塑性狀態(tài)或密實(shí)度、強(qiáng)度、壓縮性、地基承載力、單樁承載力、沉樁阻力，進(jìn)行液化判別等。根據(jù)孔壓消散曲線可估算土的固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)。〞關(guān)鍵是“利用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)〞。§6.5靜力觸探成果應(yīng)用靜力觸探的結(jié)果存在著地區(qū)差異，因此各地都有特定的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。靜力觸探的成果的應(yīng)用，需要特定地區(qū)或特定土性的經(jīng)驗(yàn)公式。在利用靜力觸探確定淺根底承載力、選擇樁尖持力層和預(yù)估單樁承載力等巖土工程特性時(shí)，需要用到ps、qc和fs等資料。概述§6.5靜力觸探成果應(yīng)用靜力觸探的比貫入阻力ps是反映地基土實(shí)際強(qiáng)度及變形性質(zhì)的力學(xué)指標(biāo)，可以反映不同成因、不同年代和地區(qū)的土的力學(xué)指標(biāo)的差異。由于不同類型的土可能有相同的ps，因此可以用靜力觸探指標(biāo)劃分土層，但要據(jù)此對(duì)巖土體直接分類就比較困難。在利用貫入阻力對(duì)地基土分層時(shí)，需要結(jié)合鉆孔取土的資料對(duì)土進(jìn)行判別分類。與單橋探頭僅有ps指標(biāo)不同，使用雙橋探頭時(shí)可以得到qc和fs，而不同的土的qc和fs不可能都相同，因而可以利用qc和fs/qc(摩阻比)這兩個(gè)指標(biāo)來區(qū)分土層類別。劃分土類別§6.5靜力觸探成果應(yīng)用下面是利用qc和fs/qc對(duì)土進(jìn)行分類的一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。劃分土類別§6.5靜力觸探成果應(yīng)用劃分土類別§6.5靜力觸探成果應(yīng)用利用靜力觸探確定地基土的承載力，國(guó)內(nèi)外都是根據(jù)比照試驗(yàn)結(jié)果提出經(jīng)驗(yàn)公式。建立經(jīng)驗(yàn)公式的途徑主要是將靜力觸探結(jié)果與載荷試驗(yàn)求進(jìn)行比照，并通過比照數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，得到用于特定地區(qū)或特定土性的經(jīng)驗(yàn)公式。(1)對(duì)于粉土，可采用以下公式。fak=36ps+44.6式中fak——地基承載力特征值，單位為kPa；ps——單橋探頭的比貫入阻力，單位為MPa。確定地基土承載力§6.5靜力觸探成果應(yīng)用(2)對(duì)于粘性土，可采用下表的公式，式中fak的單位為kPa；ps和qc的單位為MPa。確定地基土承載力§6.5靜力觸探成果應(yīng)用(3)對(duì)于砂土，可采用下表的公式，式中fak的單位為kPa；ps和qc的單位為MPa。確定地基土承載力§6.5靜力觸探成果應(yīng)用砂土的密實(shí)度的界限值可見下表，其中ps的單位為MPa。確定砂土的密實(shí)度§6.5靜力觸探成果應(yīng)用確定砂土內(nèi)摩擦角和粘性土狀態(tài)§6.5靜力觸探成果應(yīng)用砂土的內(nèi)摩擦角和粘性土的狀態(tài)可見下表，其中ps的單位為MPa。土的Es-qc關(guān)系式為下式：Es=1.5qc利用比貫入ps確定E0和Es的方法見下表。確定土的變形性質(zhì)指標(biāo)§6.5靜力觸探成果應(yīng)用靜力觸探估算單樁承載力可采用《建筑樁基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ94-2