岩土工程原位测试技术.ppt

1,岩土工程原位测试技术,2,绪 论,一、岩土工程的发展历史 二、岩土工程原位测试的内容及在工程建设中的地位 三、本课程的内容和学习要求,3,一、岩土工程的发展历史,1岩土工程的含义 岩土工程以土力学、岩石力学和工程地质学为理论基础的土 木工程中与岩土体直接相关的工程。 岩土工程的工程属性。它是处理工程问题，以工程问题为工作对象的学科。作为一门工程，应包括勘察、设计、施工和检测4个方面才是完整的。 岩土工程隶属于土木工程学科，是由地基与基础工程、边坡工程、深基坑工程、路基工程、地下洞室工程、岩土爆破工程、灌浆工程和地质灾害防治工程等分支构成的，其涉及到的领域有：能源、交通、城市建设、矿山、江河海洋和环境工程等等。,4,三峡库区的滑坡,5,德昌沙坝的昔格达地层滑坡,6,2006年2月17日发生于菲律宾特大型泥石流,7,我国第一座外海跨海大桥东海大桥的雄姿,8,三峡大坝夜景,二滩电站,9,新中国成立后自己独立设计和施工的第一座长江大桥,驰名中外的赵州桥,10,预应力锚索抗滑桩,11,贵阳乌当行政中心白云岩边坡工程植被恢复前后的对照（贵州）,12,2岩土工程的发展历史 1925年，太沙基的经典著作土力学问世，这既是现代土力学的诞生之年，也奠定了岩土工程的理论基础。 1948年，英国的岩土工程杂志（Geotechnique）创刊。 20世纪60年代以后，澳大利亚、新西兰和印度等国家相继把他们的土力学地基和基础学会改名为岩土工程学会。美国的ASCE杂志的土力学基础工程分册也于1974年改名为岩土工程分册。 近二十年来，岩土工程在科学理论和工程技术方面有了很大进展。 岩土工程是一门实践性很强的学科，由于岩土体构成的复杂性、地域性和易受施工扰动的多变性，与其他学科相比，它还处于不够成熟和不够完善的状况。,13,14,15,试验工作在工程（地质）勘察中占有很重要的位置。它不仅为学科理论的研究与发展所必需，而且也为岩土工程设计提供资料所必需。 就土工试验而论，可分为室内试验和原位试验 （或原位测试）。两者合称为实验土力学（experimental soil mechanics）。 虽然土的室内试验具有很多优点，但由于室内试验需要取样，样品小，受扰动，代表性差，所测力学指标严重“失真”，且费时费力。为了克服室内试验的致命弱点，土的原位测试技术就应运而生了。 土的原位测试（insite testing of soils），一般指的是在工程地质勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层的一种土工勘察技术。 这里的土层包括粘性土、粉土、砂性土、碎石土及软弱岩层等。,土的原位测试概念,16,岩土工程中的原位测试技术包含如下种类： 1基本测试技术： （1）载荷试验（平板、螺旋板）； （2）静力触探试验； （3）圆锥动力触探试验； （4）标准贯入试验； （5）十字板剪切试验； （6）旁压试验； （7）现场剪切试验； （8）波速试验； （9）基桩的静力测试和动力测试； （10）锚杆抗拔试验；,17,土的原位测试方法很多，但可以归纳为下列两类： （1）土层剖面测试法（logging or stratigraphic profiling methods）：可获得连续的土层剖面，具有可连续进行测试、快速、经济的优点。它主要包括静力触探、动力触探、土的压入式板状膨胀仪测试及电阻率法等。 （2）专门测试法（specific test methods）。可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用，其精度一般可超过钻探和室内试验成果的精度。它主要包括载荷测试、旁压测试、标准贯入测试、抽水和注水实验及十字板剪切测试等。 土的专门测试法和土层剖面测试法，经常配合使用，点面结合，既提高了勘测精度，又加快了勘测进度。 在所有土体原位测试技术中，静力触探测试和旁压测试应用得最广，精度也高,18,2工程应用： （1）岩土工程勘察； （2）地基基础的质量检测； （3）基坑开挖的检测与监测； （4）岩体原位应力测试； （5）公路、隧道、大坝、边坡等大型工程的监测和检测。 和室内试验相比，原位测试的代表性好、测试结果精度较高，因而较为可靠。在岩土工程中，选用正确的参数远比选用计算方法重要，加之岩土工程的工作对象多属隐蔽工程，因而岩土工程的原位测试在岩土工程中占据了重要的地位。,19,工程设计中的土工计算成果的可靠性，主要取决于所选计算参数，所选参数精度的重要性远比所选的计算方法要重要得多。而正如沈珠江院士认为，可靠的土质参数，只能通过原位测试取得。因此，在工程勘察中，不进行原位测试是没有质量保证的；特别是在大型工程勘察中，它是不可缺少的手段。原位测试技术的重要性正在逐渐被广泛承认，测试技术逐渐成熟，相应法规日趋完善，它将发挥越来越大的作用。,20,21,22,原位测试与现场试验,两者的相同点都是在现场进行的，与土体的原始物理状态、应力状态等有关。 原位测试是在土体的局部施加荷载测定土的反应以估计土的指标，如强度指标、变形指标等。 现场试验是在比较大的范围内施加荷载测读土的综合反应，用于检验设计计算的正确性，测定施工过程中地基土的反应，估计宏观的指标范围以校正原位测试或室内试验的结果。,23,室内岩土试验可分为土体的室内试验和岩石的室内试验。 土体的室内试验（Laboratory Soil Test）包括土的物理性质指标的测定、土的力学性质指标的测定、土的动力特性试验、粘土矿物分析等等。 岩石的室内试验（Laboratory Rock Test）包括岩石水理性质试验、岩石强度和变形试验、岩石结构面抗剪强度试验、岩石软弱夹层剪切蠕变试验、岩石点荷载强度试验等等。 优点:土的室内试验，历史较久，经验也比较丰富，其主要优点是，试验时的边界条件和排水条件都很易控制，清楚明了，试验中的应力路径可事先选定；对小应变来说，土样中的应变场是均一的，所测土的物理力学性质指标已得到公认。,室内试验,24,实验室一般使用小尺寸试件，不能完全确切地反映天然状态下的岩土性质，特别是对难于采取原状结构样品的岩土体。因而有必要在现场进行试验，测定岩土体在原位状态下的力学性质及其他指标，以弥补实验室测试的不足。许多试验方法是随着对岩土体的深入研究而发展起来的。 野外试验亦称现场试验、就地试验、原位测试。 In-situ Testing or Field Testing 原位测试：是指在岩土体原有的位置上，在保持岩土的天然结构、天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质。 原位测试可分为土体原位测试和岩体原位测试。,原位试验,25,原位测试是在土层原来所处的位置基本保持土体的天然结构、天然含水量及天然应力状态下，测定土的工程力学性质。主要包括静力载荷试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、十字板剪切试验、扁铲侧胀试验、旁压试验、波速测试、现场大型直剪试验、块体基础振动试验。对难于取得原状土样的岩土层如砂土、碎石土、软土等宜采用原位试验。,1. 原位测试与现场试验的基本原理大部分基于土力学的理论 2. 原位测试与现场试验的分析计算为土力学的计算提供参数 3. 原位测试与现场试验的发展离不开土力学的支撑,两种试验与土力学的关系,26,27,28,原位测试的优点 （1）可在拟建工程场地进行测试，不用取样。避免由于钻探取样产生的不同程度扰动（取样时的应力解除、样品运输中的碰撞及制样中的扰动等）。因此，室内试验所测“原状土”的物理力学性质指标往往不能代表土层的原始状态指标，大大降低了所测指标的工程应用价值。 （2）原位测试涉及的土体积比室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构（如裂隙、夹层等）对土的性质的影响。 （3）很多土的原位测试技术方法可连续进行，因而可以得到完整的土层剖面及其物理力学性质指标，因而它是一门自成体系的实验科学。 （4）土的原位测试，一般具有快速、经济的优点。如用静力触探车进行测试8h可触探120-300m，并可自动记录、打印和处理成果，速度之快是钻探、取样、室内试验所无法比拟的。,29,30,土的原位测试技术的主要缺点： （1）难于控制测试中的边界条件，如测试周围土层的排水条件和应力条件。 （2）测试成果和边界条件的关系和测试机理的科学解释有待于进一步明确，但到目前为止，土的原位测试技术所测出的数据和土的工程性质之间的关系，仍是建立在大量统计的经验关系之上的。 3土的原位测试与传统的钻探、取样、室内试验的关系 在工程地质勘测中，可以大量使用土的原位测试技术，只须对需要做对比的土层或关键部位配以少量钻探和室内试验即可。这样做的目的是，可以建立很多适合勘测现场的经验关系，提高土的原位测试精度，大量减少工程地质钻探和室内试验费用，缩短勘测周期。,31,32,33,34,35,36,37,三、本课程的内容和学习要求,本课程的教学目的在于培养研究生： （1）了解岩土工程中各种测试技术的最新进展； （2）掌握岩土工程中各种测试技术的基本方法； （3）掌握测试结果的基本分析方法； （4）能较为熟练地运用各种测试方法解决工程实际问题。 本课程的主要内容： 除绪论外，还包含了岩土工程测试的主要方面，以通用的测试技术为主，同时纳入了一些应用于特定工程领域的测试技术。,38,参考书目 祝龙根等地基基础测试新技术北京：机械工业出版社1999 孟高头土体原位测试 机理、方法及其工程应用北京：地质出版社1997 陈凡等基桩质量检测技术北京：中国建筑工业出版社2003 唐贤强等地基工程原位测试技术北京：中国铁道出版社1993 赵善锐旁压试验及其工程应用峨嵋：西南交通大学出版社1987,39,40,第一章 静力载荷测试,载荷试验是确定地基承载力的最主要方法，按试验深度分为浅层和深层载荷试验；按承压板形状有平板与螺旋板之分；按用途可分为一般载荷测试和桩载荷试验；按荷载性质又可分为静力和动力载荷测试，本章主要讨论浅层平板静力载荷测试。 平板静力载荷测试，简称载荷测试，是指在保持地基土天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性，是模拟建筑物基础工作条件的一种测试方法。,41,静力载荷测试,概述 载荷测试是目前世界各国用以确定地基承载力的最主要方法，也是比较其他土的原位测试成果的基础。 平板静力载荷测试（PLT：plate load test），简称载荷测试。它是模拟建筑物基础工作条件的一种测试方法，起源于30年代的苏、美等国。其方法是在保持地基土的天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性。 平板静力载荷测试所反映的是承压板以下大约1.52倍承压板宽的深度内土层的应力应变时间关系的综合性状。 载荷测试的主要优点是对地基土不产生扰动，利用其成果确定的地基容许承载力最可靠、最有代表性，可直接用于工程设计。其成果还可用予预估建筑物的沉降量，效果也很好。因此，在对大型工程、重要建筑物的地基勘测中，载荷测试一般是不可少的。,42,平板静力载荷测试,螺旋板静力载荷测试,43,测试设备及方法,载荷测试的设备由承压板、加荷装置及沉降观测装置等部件组合而成。 （一）仪器设备 1、承压板 有现场砌置和预制两种，一般为预制厚钢板（或硬木板）。 承压板要有足够的刚度，在加荷过程中本身的变形要小，中心和边缘不能弯曲，其形状一般为方形和圆形。 对密实粘性土和砂土，承压板面积一般为10005000cm2，对一般土为25005000cm2。,44,加荷装置包括压力源、载荷台架或反力构架。 加荷方式有重物加荷和油压千斤顶反力加荷两种。 重物加荷是在载荷台架上放置重物，如铅块等，此方法比较笨重，劳动强度大，但荷载稳定。 油压千斤顶反力加荷是用油压千斤顶加荷，用地锚提供反力，此方法比较方便，劳动强度小，应用广泛。 油压千斤顶反力加荷要注意，油压千斤顶的行程要满足地基沉降量的要求，下在土中的地锚反力要大于最大荷载。,加荷装置,45,沉降观测仪表有百分表、沉降传感器或水准仪等，要满足精度要求。,沉降观测装置,46,载荷台式加压装置 a木质或铁质载荷台； b低重心载荷台； 1载荷台； 2钢锭；3混凝土平台； 4测点； 5承压板,47,千斤顶式加压装置 a钢桁架式装置； b拉杆式装置； 1千斤顶；2地锚；3桁架；4立柱； 5分立柱；6拉杆,48,试验方法,1载荷测试一般在方形坑中进行 该方形坑的宽度应不小于承压板宽度（或直径）的三倍，以消除侧向土自重引起的超载影响。 2安装设备 安装承压板，在安装承压板之前，应平整坑底，铺12cm厚的中砂层，并用水平尺找平，以保证承压板与试验面的平整均匀接触。 尽量保持原状土，方法有少挖2030cm对软粘土、饱和松散砂，在承压板周围预流2030cm 保护层地下水（可先将水降至承压板以下，铺砂，安承压板，待水位恢复） 安装千斤顶、载荷台架或反力构架。保持其中心与承压板一致。 安装沉降观测装置。沉降观测点应对称放置。,49,加荷原则 第一级为坑底原有重力，后每级按：中低压缩性土50kPa，高压缩性土25kPa,特软土为10kPa（为测试土层极限压力的1/101/8） 观测每级荷载下的沉降 观测时间间隔：加荷开始后，第一个30min内，每10min观测沉降1次；第二个30min内，每15min观测1次；以后每30min进行一次。 稳定的标准 连续4次观测的沉降量，每小时累计不大于01mm，对于软粘土最好观测24h以上，对于正常固结粘土要8h，对于老粘土、砂土、砾石等要4h。,分级加荷,50,尽可能使最终荷载达到地基土的极限承载力，以评价承载力的安全度。 结束试验的标准：当下述情况出现时即可停止实验 a）承压板周围的土体出现裂缝或隆起，沉降的很快； b）在荷载不变的情况下，沉降速率加速发展或接近一个常数。压力沉降曲线出现明显拐点； c）总沉降量超过承压板宽度（或直径）的1/10。 当需要卸载观测回弹时，每级卸荷量可为加荷量的2倍，历时1h，每隔15min观测一次。荷载完全卸除后，继续观测3h。,分级加荷,51,测试资料的整理及测试成果,1绘制压力沉降量关系曲线 （1）首先，应对载荷测试的原始数据进行检查和校对，整理出荷载与沉降量、时间与沉降量汇总表。然后，绘制压力P与沉降量S关系曲线。该曲线是确定承载力、地基土变形模量和土的应力应变关系的重要依据。 （2）在载荷试验中，由于各种因素的影响，会使PS曲线偏离坐标原点。这时，应对PS关系曲线加以校正，也就是校正沉降量观测值。,52,载荷试验曲线偏离坐标原点的校正方法,1图解法 在按原始试验数据绘制的PS关系曲线上找出比例界限点。从比例界限点引一直线，使比例界限前的各沉降点均匀靠近直线，直线与纵坐标交点的截距即为 S0 。将直线上任一点的S、P和 S0 代入下式，求得PS曲线直线段的斜率C 。 因 S= S0 cP 故,53,2最小二乘法,其计算式如下： （2） 解（2）方程组，得： （3） （4） 式中，N为直线段加荷次数；其他符号意义同前。 以上两式中，除S为变数外，其余均可预先计算成现成表格，用时可查表,54,（3）根据校正后的 值绘制 PS（压力沉降量）关系曲线，即一般称的PS曲线。,P0比例界限； PL 极限界限；压实阶段；剪变阶段；破坏阶段,55,2曲线特征值的确定 PS曲线的三段：I段直线段（压实阶段）、II段曲线段（剪变阶段）、III段直线段（破坏阶段） 具有两个特征值：比例界限值、极限界限值,56,特征值的确定方法如下： （1）当PS曲线具有明显的直线段及转折点时，一般将转折点所对应的压力定为比例界限值，将曲线陡降段的渐近线和横坐标的交点定为极限界限值。 （2）当曲线无明显直线段及转折点时（一般为中、高压缩性土），可用下述方法确定比例极限。 在某一级荷载压力下，其沉降增量 Sn超过前一级荷载压力下的沉降增量 Sn-1的2倍（即 ）的点所对应的压力，即为比例界限。 绘制 （lgP lgS或P S/ P ）曲线，曲线上的转折点所对应的压力即为比例界限。其中，P为荷载增量，S为相应的沉降增量。,57,3计算变形模量 E0 土的变形模量是指土在单轴受力，无侧限情况下的应力与应变之比。可由PS曲线的直线变形段，按弹性理论公式求得，下式适用于同一层位的均匀地基。 当承压板位于地表时：,式中： 承压板形状系数 （刚性方形板 =0.886，刚性圆形板 =0.785）； 泊松比，见表41； B承压板的宽度或直径（cm）； P、s为曲线直线段内一点的压力值（kPa）及相应的沉降值（cm）。,58,当承压板位于地表以下时：,式中 深度修正系数， 当承压板埋深hB 时， ； 否则,59,表41 土的泊松比 值（侧膨胀系数）,60,第四节 影响载荷试验成果精度的主要因素,不同的承压板尺寸对试验土层的沉降量和极限压力值均有一定影响，载荷测试研究结果表明，在不超过直线变形阶段的荷载作用下，当承压板边长或直径（B）小于某值时，S（沉降量）与B成反比；当B大于某值时，S与B成正比。 不同面积承压板的对比试验表明，对圆形承压板，此值（直径）为30cm；对方形承压板，此值（边长）为50cm（见表42）。,61,表42 方形承压板边长与沉降量数据的关系,62,由于载荷测试是模拟基础工作条件的一种试验方法，基础宽度一般均超过30 cm，因而承压板不宜过小。但是，如承压板面积过大，势必所加总荷载也随之增大，这又增加了测试的困难。在大多数情况下，用面积为10005000的承压板进行试验，所获得的成果是可靠的。,63,2沉降稳定标准 每级压力下的沉降稳定标准不同，则所观测的沉降量及所得出的PS曲线和变形模量等也不相同。为了消除这种影响，就要统一稳定标准。在载荷试验中，广泛应用的是相对稳定法，即每施加一级荷载，待沉降速率达到相对稳定后再加下一级荷载。有的规程在规定相对稳定标准的同时，还提出了在不同土层中观测时间的附加规定。如每级荷载下的观测时间，对软粘性土，应不少于24h；对一般粘性土，不少于8h；对碎石土、砂土、老粘性土，不少于4h。 如果按上述标准做一个载荷试验，所需时间，少则2d，多则10d以上。试验周期长是载荷试验的主要缺点。为了改变这种状况，对可塑至坚硬状态的粘性土、砂类土、碎石类土可采用快速法，即自每级加荷操作历时（按经验估算）的一半开始，每隔15min观测一次，每级荷载保持2h。按10级荷载计算，做一个载荷试验只需20h，不足一天。经过一些单位的实践和研究表明，按快速法经外推计算的成果，可用于评价地基的容许承载力。（点击了解快速试验外推计算方法）。,64,快速试验外推计算方法,快速法外推计算的目的是求沉降达到相对稳定标准时的沉降值Sn 。其基本原理是假定沉降与时间为一对数关系，即,为了求得相对稳定标准的沉降值 Sn ，就需要知道达到相对稳定标准所需的时间 tn 。一般取沉降速率达到相对稳定标准的时间增量 tw =1h，沉降增量 Sw =0.1mm，则,只要求出n 和n两个未知数，就可求出 tn 和 Sn,65,n 和n,66,式中： 第n级荷载下第i次观测值中应扣除的剩余沉降量（cm）； k第n级前的荷载级数（k=1，2，n1）； t沉降观测的时间间隔（min）； N每级荷载下沉降观测的次数； n荷载级数。,为了使快速法的成果与相对稳定法一致，必须从施加第二级荷载开始，从沉降观测值中扣除其以前各级沉降未稳定而产生的剩余沉降量。其值按下式计算。,67,例 :,注：沉降观测值应为本级荷载下的实际沉降量（即沉降增量）。,68,第一级荷载。因无其他级荷载，不需要计算应扣除的剩余沉降量。,计算:10.052 ，1 0.014 。,计算沉降达相对稳定标准时所需时间tl及沉降量Sl ：,将117min增大为30的整倍数，即 tl =120min,则：,第二级荷载是在第一级荷载已达相对稳定标准后（即120min）施加的，因而没有剩余沉降产生，其推算方法与第一级一样。计算结果为：2=0.108，2=0.024， t2 =180min，S=0.232cm。 第三级荷载。由于第二级 t2 =180min，即尚有60min按Slnt线性关系的沉降量影响到第三级荷载的14次观测值，应予扣除。,69,计算 n 、 n 值用表,70,计算各次观测值中应扣除的剩余沉降量：,71,在计算 3 、3 时，应将第三级荷载下的第14次的沉降观测值减去 至 ，才能作为计算依据。经计算得 3=0.003，3 =0.067；并依次计算出t3、S3，以及 n 、n和 tn 、 Sn 。其结果列于表。,72,计算结果表,注：表中 tn 值，分子为实际计算值，分母为30的整倍数值。,73,3承压板埋深 承压板埋深应与基础埋深一致，这样求出的地基容许承载力等才比较符合实际。相同面积的承压板，埋深不同，所求出的PS曲线上的比例界限值也不一样。根据土力学基础埋深原理，一般来讲，埋深越浅，PS曲线的比例界限值越小。埋深如过大，会增加试验的困难。,74,4地基土的均匀性 载荷测试的影响深度一般为1.52倍承压板宽度（或直径）。在这个影响深度内，土层的时代、成因、类型及含水量一般应是相同的。只有这样，载荷测试成果才能反映同一土层的真实指标（土的工程性质），达到载荷测试的目的。 如果建筑场地土层较多，又都是重要建筑物的持力层，则要分层做载荷测试。如果土层较薄，达不到2倍承压板宽度（直径）的厚度，所求出的载荷测试成果就很难应用，满足不了基础设计的需要。这时，就要考虑采用符合要求的小承压板或做其他类型的试验，以满足设计要求。,75,第五节 静力载荷测试成果的应用,（一）确定地基容许承载力（或承载力标准值 ） 在确定地基土的容许承载力时，通常要考虑两个因素，即：在多大荷载作用下地基土的变形达到逐渐稳定状态；所产生的变形是否影响建筑物的正常使用。 地基的容许承载力可用下述方法确定：,76,1）以压力为依据（整体剪切破坏） 利用载荷测试成果确定地基承载力时，当地基土为低压缩性土，地基受压破坏形式为整体剪切破坏，曲线上拐点明显，可以以PS曲线的特征点所对应的压力作为基本依据的。 PS曲线上的两个特征点 比例极限 P0 （临塑荷载Pcr）： PS曲线上第一直线段的终点对应的荷载，可以作为砂