（土木工程专业论文）静力触探技术在天津软土地区的应用研究.pdf

中文摘要 静力触探作为一种日臻完善的原位测试技术已经越来越为广大岩土工程技术 人员所接受。我国应用静力触探技术已经有5 0 多年的历史。与传统的钻探相比， 静力触探具有资料连续、直观、可靠和重复性好的特点。 本文首先对静力触探技术的发展、现状及其理论基础进行了分析与介绍。结 合在天津地区完成的勘察资料，对静力触探的应用从以下几个方面进行了深入探 讨和研究： 1 分析天津软土地区不同成因时代的地基土静力触探曲线的特征； 2 验证贯入阻力的换算； 3 验证利用静力触探参数确定地基土的名称； 4 研究静力触探参数与地基土物理力学指标的相关分析，得出经验公式，包 括静力触探参数与地基土的重度、压缩模量、标准贯入击数和剪切波速的相关经 验公式； 5 通过静力触探参数与桩静载荷试验结果的对比，研究利用静力触探参数估 算桩基承载力的经验公式。 研究方法是：搜集整理天津市区和塘沽地区岩土工程项目勘察、设计、施工、 测试等大量资料，进一步搜集有关文献、资料后，结合生产实际进行综合分析与 研究；利用计算机程序对数据进行一元和多元回归，回归形式力求全面，具有普 遍性和实用性；得出经验公式；勘察回访。通过回访调研，将勘察报告中所提的 岩土参数与实际进行对比分析，积累资料，对经验公式进行完善。 经过分析研究，归纳总结了天津地区的地基土静力触探曲线的特征，为利用 静力触探资料进行土层划分和土性分析等提供了区域经验；得出了关于比贯入阻 力与静探端阻的换算关系；得出了q 。与土的天然重度r 、压缩模量最、标贯击数 6 ”和剪切波速k 的相关公式：得出了利用静力触探估算钻孔灌注桩和沉管灌注 桩极限承载力的经验公式。经实际工程对比验证，这些公式均具有一定的适用性。 关键字：静力触探天津软土地区相关分析经验公式桩承载力修j f ! 系数 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ti n s i t us o i lt e s t i n gm e t h o d c p t ( c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ) h a sb e e n a c c e p t e db ym o r ea n dm o r eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r s c h i n ah a sah i s t o r yo fm o r et h a n5 0 y e a r si na p p l y i n gc nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t o n a l d r i l l i n g m e t h o d c p ti s c h a r a t e r i z e db yc o n t i n u o u sa n dv i s i b l ed a t a , r e l i a b i l i t ya n dg o o d r e p e t i t i v e n e s s t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e sa n di n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t ，s t a t u sq u oa n dt h e o r e t i c b a s i so fc p t b a s e do nt h es u r v e yd a t ac o m p l e t e di nt i a n j i n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n d s t u d i e si nd e p t ht h ea p p l i c a t i o no f c p ti nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc p tc u r v e so ft h es u b s o i l sw i t hd i f i e r e n t o r i g i np e r i o d si nt i a n j i ns o f ts o i la r e a 2 v e i l f yt h ec o n v e r s i o nf o r m u l a so ft h es p e c i f i cp e n e t r a t i o nr e s i s t a n c ea n d c o n et i pr e s i s t a n c e 3 v e r i r yt h en a m i n go fs u b s o i l sb yc p tp a r a m e t e r s 4 c o r r e l a t i o na n a l y s i so fc p tp a r a m e t e r sa n dp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l i n d e x e so fs u b s o i l s ，e m p i r i c a lf o r m u l a se d u c t i o nb e t w e e nc p t p a r a m e t e r s a n ds u b s o i ls p e c i f i cw e i g h t ，m o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t y , b l o wn u m b e r so f s t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s ta n ds h e a rw a v e v e l o c i t y 5 d i s c u s sh o wt ou s ec p tp a r a m e t e r st oe s t i m a t et h eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo fas i n g l ep i l ea n de m p i r i c a lf o r m u l a se d u c t i o nt h r o t i g l lt h e c o m p a r i s o no f c p tp a r a m e t e r sa n dt h er e s u l t so fp i l es t a t i cl o a d i n gt e s t s t h em e t h o de m p l o y e di nt h i s p a p e ri n c l u d e s ( 1 ) c o l l e c t i o no ft h ed a t aa n d i n f o r m a t i o no fs u r v e y , d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dt e s t i n go ft h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p r o j e c t si nt i a n j i nu r b a na r e aa n dt e d a ( 2 ) c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n ds t u d y ； o n e - v a r i a t ea n dm u l t i v a r i a t ec o r r e l a t i o na n a l y s i so ft h ec o l l e c t dd a t ab y c o m p u t e r p r o g r a m m e ；e m p i r i c a lf o r m u l a se d u c t i o n ；v e r i f i c a t i o no ft h ee m p i r i c a lf o r m u l a s ，m a k e c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ee s t i m a t e dv a l u e sa n dt h ea c t u a lv a l u e s ，p e r f e c tt h e e m p i r i c a lf o r m u l a s b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e da n a l y s i sa n ds t u d y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so f c p tc u r v e so f t h es u b s o i l sw i t hd i f f e r e n to r i g i np e r i o d si nt i a n j i ns o f t s o i la r e a ，w h i c hc a np r o v i d er e g i o n a le x p e r i e n c e sf o rc p ts o i ic l a s s i f i c a t i o na n dl a y e r d i v i s i o na n ds u g g e s t sac o n v e r s i o nf o r m u l af o rt h es p e c i f i cp e n e t r a t i o nr e s i s t a n c ea n d c o n et i pr e s i s t a n c e ；e s t a b l i s h e st h ec o r r e l a t i v ef o r m u l a sb e t w e e nt h ec o n et i pr e s i s t a n c e q c a n ds u b s o i ls p e c i f i cw e i g h ty ，m o d u l u so f c o m p r e s s i b i l i t y 最，b l o wn u m b e r s 6 35 0 f s t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s ta n ds h e a rw a v ev e l o c i t y 圪；e s t a b l i s h e st h ee m p i r i c a lf o r m u l a s f o re s t i m a t i o nb yc p t p a r a m e t e r so ft h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fc a s t i n s i t ub o r e d p i l ea n dv i b r o s i n k i n gp i l e t h e s ef o r m u l a sh a v eb e e nv e r i f i e di na c t u a le n g i n e e r i n g p r o j e c t sa n dh a v ep r o v e dr a t i o n a ja n da p p l i c a b l e k e yw o r d s ：c p t ；t i a n j i ns o f ts o i la r e a ，c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，e m p i r i c a lf o r m u l a ，u l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t yo f as i n g l ep i l e ，m o d i f i c a t i o nf a c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天 蓬盘堂或其他教育机构的学位或汪书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中作了明确的说明 并表示了谢意。 哆 学位论文作者签名：，易躬尊 签字日期：易嵋年r 月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完争了解叁注基堂有关保留、使) 7 - j 学位论 文的规定。特授权丕注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。川虑学校向国家有关部门或机构送变沦文的 复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：莨：记乱 导师签名 签字日期1 力汤年胴谚 签字同期：游6 月7 a - 闩 第一章综 述 第一章综述 工程勘察依靠钻探、取样和室内试验，土样的扰动是不可避免的。上世纪7 0 年代有人提出：只能求助于大口径的钻探取样，方能避免扰动的缺陷。不过在一 般工程实践中，这种方法难以实现，取大径士样，也仍然有扰动问题。近几十年 来迅速发展的原位测试技术，希望克服钻探取样带来的各种弊端。 土工原位测试方法很多，触探是广泛使用的一种多快好省的方法，目的是在 不取样的情况下，在地基土中直接测试土的强度和变形指标。 触探是将一种金属的探头压入或打入土层中，根据贯入时的阻力或贯入一定 深度的锤击数来划分土层及确定土的物理力学性质的一种工程地质勘探方法和土 的原位测试手段。 触探按其贯入方式不同分为静力触探和动力触探，( 前者简称静探：后者简称 动探) ，采用静压方式的叫静力触探，在国外通常称为圆锥贯入试验( c o n e p e n e t r a t i o nt e s t ，简称c p t ) ，采用落锤打入方式的称为动力触探。 静力触探仪按贯入能力大致分为：轻型( 2 5 吨) 、中型( 8 1 6 吨) 及重型 ( 2 0 3 0 吨) 三种。根据贯入的动力和传动方式分为：人力给进，机械传动和液 压传动；按测力装置分为：油压表式、应力环式、电阻应变式及自动记录等不同 类型f l 】 静力触探与动力触探相比，设备较为复杂，操作、记录及资料整理技术要求 较高，所受的影响因素少，成果连续，稳定可靠。静力触探适用于软土、一般粘 性土和砂土等土层。 静力触探的探头在静压力作用下，匀速向土层中贯入时，土对探头阻力的变 化反映了土层物理力学性质的变化。一般认为，同一种土层中贯入阻力大，土层 的力学性质好，地基承载力大，反之，贯入阻力小，土层软弱，地基承载力小。 在生产中利用静力触探贯入阻力与土的野外荷载试验对比，或静力触探贯入阻力 与桩的荷载试验对比，以及静力触探贯入阻力与土的物理力学性质的指标对比， 运用数理统计的方法，建立各种相关方程( 经验公式) ，这样，只要知道土层的贯 入指标即可确定该层土的地基承载力等设计参数。 1 1 静力触探技术的发展及现状 早在1 9 1 7 年，瑞典铁路工程中就正式采用了螺旋锥头式静力触探，1 9 3 0 年荷 兰开始采用尖锥试验，国际上称为荷兰静力触探，这个方法较瑞典法更为简捷， 在国际上广为流传。比利时、意大利、西班牙、葡萄牙、英、法、德、日、美、 第一章综述 加拿大、印度和我国等许多国家相继采用。1 9 7 4 年在瑞典召开了第一次欧洲触探 会议，实际上，这次会议的规模远远超出了欧洲，属国际学术交流会议。1 9 8 2 年 在荷兰阿姆斯特丹召开了第二次欧洲触探会议，1 9 8 4 年在法国巴黎又召开了第一 次世界性的土工原位测试会议。 静力触探在不少国家已经实现标准化，并得到广泛的应用。 瑞典将静力触探应用于确定浅基础承载力、桩基承载力以及铁路路堤的稳定 性等方面。 荷兰用于确定打入桩承载力的静力触探孔每年有3 万个。在应用静力触探成 果时，往往还采用较低的安全系数。 法国1 9 4 9 年研制出第一台静力触探仪。在1 9 6 5 年以后才大量应用静力触探， 许多著名建筑和重大工程都采用触探法勘察地基，1 2 0 座阿尔卑斯山中的公路桥基 的勘探，就是使用触探法迅速完成的。 保加利亚将静力触探列入了国家标准，几乎在所有非基岩地区均使用静力触 探。 前苏联将静力触探列入了“建筑法规”，根据静力触探确定土层的均匀性、基 岩的埋深、评价地基土的性质、确定浅基础和桩基的承载力等。 挪威1 9 5 2 年研制成电测式静力触探仪，1 9 7 3 年研制成用于海底勘探的静力触 探仪，且认为海底勘探的最好方法是静力触探。 在我国解放初期的土力学课程中就有静力触探的内容。1 9 5 6 年中国科学院土 木建筑研究所利用研制的双层管式静力触探设备，在黄土中进行了试验研究；1 9 6 5 年原建工部综合勘察院自行设计制造了电阻应变式静力触探仪，创制了我国第一 个电测探头，并通过近百组对比试验建立了贯入阻力与天然地基承载力的统计公 式，为静力触探在我国的推广使用打下了基础。1 9 6 7 年中南勘察院和武汉城市规 划设计院研制成功了机械传动静力触探仪；1 9 6 9 年铁道部第三勘测设计院研究成 功了双缸油压静力触探仪，促进了我国静力触探的发展。近2 0 年来曾多次召开全 国性的静力触探或原位测试会议，对原位测试技术的开发研究和推广应用起到推 波助澜的作用。 目前，国内和国外工程界非常重视对静力触探的应用和机理方面的研究。一 方面希望通过这种手段获得更多的参数，致力于多功能探头的研究，如音响探头、 孔隙水压力探头、地震探头、侧应力探头等等，同时不断扩大它的应用领域。从 早期仅用于探测桩持力层深度和估算单桩承载力，扩展到多种地基土承载力的确 定、饱和砂性土液化可能性判定、土的物理力学指标的估算等。另一方面则不断 探求触探的机理，以期对触探过程中发生的种种现象作出理论解释，使静力触探 的成果分析不仅仅依赖于经验关系。 荷兰、比利时、法国和日本等国都有触探专门研究机构和试验基地，可进行 第一章综述 较系统的触探机理的研究，并取得了很大的进展。曾以标准贯入试验为主要手段 的美国。近年来也使用静力触探，一些大学也制定了静力触探研究计划 静力触探的设备也日趋现代化。简单的双层管式荷兰锥逐渐为电测静力触探 所代替，自动记录和遥测静力触探的种类繁多。法国的静、动两用触探仪，在软 土、硬土和密实砂层中均可应用；日本国家铁路公司研制成功了音响静力触探仪， 可以对土层进行分类；瑞典的孔底发射无线电测静力触探仪，取消了电缆，实现 了无缆触探。新型静力触探仪的不断出现，标志着这项技术在国际上受到了广泛 重视i l 】 在我国，铁道科学研究院、同济大学等单位研制成功了孔隙水压力探头( c p l u 探头) ，并已有工厂批量生产。铁道科学院西北研究所、中国科学院工程力学研究 所、南京建筑工程学院等单位还先后研制了可测波速的探头，并应用于实际工程 中。在触探机理研究方面，我国现在拥有位于长沙铁道学院的面积为3 m x 3 m 、高 5 m 的模型仓和测量应力应变的半剖面玻璃模型槽，以及位于西南交通大学的直 径为6 0 c m 、高i o o c m 具柔性边界条件的三轴标定罐。利用这些设备已经做了大量 的机理研究陶。 1 2 静力触探的特点和技术要求 静力触探的主要特点是连续、快速、精确；可以在现场直接测得各土层的贯 入阻力指标；掌握各土层原始状态( 相对于土层被扰动和应力状态改变而言) 下 有关物理力学的性质，这对于地基在竖向变化比较复杂，而用其它常规勘探手段 不可能通过大密度取土或测试来查明土的变化；对于饱和砂土、砂质粉土以及高 灵敏度软粘土层中钻探取样往往不易达到技术要求，或者无法取样的情况；用静 力触探能弥补上述的不足，这是因为静力触探是连续压入测试，采用电测探头， 灵敏度很高，数据可以连续测记，只要地基土层的力学性质有微小变化，就可以 在记录仪上反映出来，因而就可以取得完整的阻力随深度变化的曲线。但是，静 力触探也有不足之处：不能对土层进行直接的观测、鉴别；由于稳固的反力问题 没有解决，测试深度不能超过8 0 m ；对于含碎石、砾石的土层和很密实的沙层一 般不适合应用；无法对地基土施行应力路径和应变路径的认为控制，些基本土 质参数还必须依靠钻探取样和室内试验去取得，因此它与钻探技术的关系是相辅 相成和互为补充的。 静力触探实验的主要技术要求： 静力触探仪器主要有三部分组成：贯入装置( 包括反力装置) ，其基本功能是 可控制等速压贯入；另一部分是传动系统，目前国内外使用的传动系统有液压式 和机械式两种；第三部分是测量系统，这部分包括探头、电缆和电阻应变仪( 或 第一章综述 电位差计自动记录仪) 等。静力触探仪按其传动系统可分为：电动机械式静力触 探仪、液压式静力触探仪和手控轻型链式静力探触仪。 常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头( 见图l - 1 ) 及孔压探头，单桥 探头和双桥探头主要规格见表一。探头是测量地基土贯入阻力的关键部件，它在 _ 卜_ h - 卜一l 一 卜h 叫卜一。叫广1 1 厂7 一、 1 弋 “。 n d 2 弋 i 1ii x、j 垆l _ 、 ( b ) 图1 - 18 _ 单桥探头b 职桥探头 贯入过程中直接测量土的贯入阻力，并将其转变为电信号，供仪表接受并记录。 天津地区常用的探头为i i 型双桥探头，该探头锥底截面积1 5 c m 2 ，锥底直径 4 3 7 m m ，锥角6 0 。，摩擦筒侧面积为3 0 0 c m 2 ，摩擦筒长度为2 1 9 m m 。 单桥探头 单桥探头只能测定一个触探指标一比贯入阻力，s ，该指标的基本概念为： ( 1 ) 这一贯入阻力对应于一定几何形状的探头，因此是相对贯入阻力。经大 量实验研究，按表l l 确定的探头规格，则触探结果不受其规格尺寸的影响。 静力触探探头规格表l 一1 锥头截面积探头直径锥角a 单桥探头双桥探头 有效侧壁长度摩擦筒侧壁 摩擦筒长度 彳( c m 2 )d ( m m )( 。) l ( m m )面积f ( c m 2 )l ( c m ) l o3 5 75 72 0 01 7 9 1 54 3 76 07 03 0 02 1 9 2 05 0 48 l3 0 01 8 9 ( 2 ) 只值是探头锥尖底面积彳与总贯入阻力尸的比值； 第一章综述 只= 三 总贯入阻力尸包括了锥尖阻力和侧壁摩擦力两部分的综合作用，故p s 值称为 比贯入阻力。但就圆锥体的贯入来说，它所受的阻力大小只取决于土体的抗剪强 度，而与土的压缩性无关。为了使尸s 值同时能反映土的变化特征，在探头的设计 制作中有意识地在圆锥头底部增设了一个圆柱摩擦套筒，其长度l 见表一，摩擦 筒的长度l 与锥底直径d 的比值l d 控制在1 6 2 0 ，以使锥头贯入土层中产生向 上挤出的犁形滑动面能直接作用于侧壁上，增加侧摩擦阻作用。于是圆柱套筒与 土层的摩阻力便成了一个通过探头质心的等效集中荷载，像桩对土层的压缩作用 一样，从而使只值也能反映出土层的压缩性。所以，比贯入阻力p s 是锥尖阻力和 侧壁摩阻力的综合反映。 双桥探头 双桥探头能同时测出锥尖阻力g 。和侧壁摩阻力五。故可用于单桩的模型试验， 分别测得单桩桩尖承载力和侧壁摩擦力。 锥尖阻力吼和侧壁摩阻力分别定义如下： ”鲁 m ：， 五= 鲁 s ) 式中q c 、p 广一分别为锥尖总阻力和侧壁摩阻力； 4 、p 一分别为锥底截面面积和摩擦筒表面积。 在静力触探的整个过程中，探头应均匀、垂直地压入土层中，贯入速率一般控 制在( 1 2 0 3 ) m m i n 。 静力触探探头传感器必须事先进行率定，室内率定非线性误差、重复性误差、 滞后误差、温度漂移、归零误差范围应为o 5 1 0 。现场实验时，应检验现场 的归零误差 5 0 m 时，应测 量触探孔的偏斜度，校正土的分层界线。 1 - 3 本文研究内容简述 本文首先对静力触探技术的发展、现状及其理论基础进行了分析与介绍。结 合在天津地区完成的勘察资料，对静力触探的应用从以下几个方面进行了深入探 讨和研究； 第一章综述 1 分析天津软土地区不同成因时代的地基土静力触探曲线的特征； 2 验证比贯入阻力的换算； 3 验证利用静力触探参数确定地基土的名称； 4 研究静力触探参数与地基土物理力学指标的相关分析，得出经验公式，包括 静力触探参数与地基土的重度、压缩模量、标准贯入击数和剪切波速的相关经验 公式； 5 通过静力触探参数与桩静载荷试验结果的对比，研究利用静力触探参数估算 桩基承载力的经验公式。 第二章静力触探的基本原理 第二章静力触探的基本原理 当静力触探的探头在静压力作用下，匀速向土层中贯入时，探头附近一定范 围内的土体受到压缩和剪切破坏，如图2 - 1 所示。同时土对探头产生贯入阻力，其 中包括端阻g c 和侧壁摩阻力石，如图2 - 2 所示。 图2 i探头贯入作用示意图图2 2探头阻力分布图 量测探头贯入时的阻力尸s 并绘制其随深度h 的变化曲线，如图2 - 3 为天津市 某工程的实测曲线。图中贯入阻力的变化反映了土层物理力学性质的变化。一般 地说，同一种土层中贯入阻力大，土层的力学性质好，承载力大。反之，贯入阻 力小，土层软弱，承载力小。在生产中利用静力触探贯入阻力与土的野外荷载实 验对比或静力触探贯入阻力与桩基承载力及土的物理力学性质的指标对比，运用 数理统计的方法，可以建立各种相关方程。这样，只要知道土层的贯入阻力即可 确定该土层的地基承载力等设计参数。 l _ t 己 i 桔i - i t = pj l if f (l 图2 - 3天津市某工程实测p s - h 曲线 第二章静力触探的基本原理 2 1 静力触探实验结果 上世纪6 0 年代，法国凯里泽( k e f i s e l ) 等在直径6 4 m 、深1 0 4 m 的大型砂坑 中，用不同直径的平底探头( 毋4 5 3 2 0 m m ) ，在不同密实度的均匀石英砂中做了 大量的实验，观测了端阻吼和平均侧壁摩阻力五随贯入深度的变化规律p 】。他们 的实验结果使人们对探头或桩的工作状态有了新的认识，批判了经典的深基础理 论一即在匀质的松散土中，基础的极限承载力将一直随基础埋深的增加而增加的 理论。国内武汉水利电力学院、同济大学、长沙铁道学院、西南交通大学和铁道 科学院等单位也做了大量的实验研究和理论分析工作，对我国的原位测试技术起 了促进作用。现将这些实验结果和理论分析概述如下。 2 1 1 匀质砂土中的实验结果 法国凯里泽( k e f i s e l ) 等在大砂坑中，将探头连续压入土中，分别测定端阻和 总压入力随贯入深度的变化，如图2 4 ，开始贯入时，端阻随贯入深度的增加而 增加。当贯入深度超过某一深度后，端阻达到极限值，贯入深度继续增加，端阻 基本上不再增加，该深度称之为“临界深度”。长沙铁道学院在大砂槽中，也得到 类似的曲线如图2 - 5 。但在临界深度k 以下，由于原存应力状态、土的密度和压 缩性质随深度有所变化，使比贯入阻力尸s 略有增大趋势。但从工程实用上看，仍 可认为在k 以下，均匀土层中的p 5 值是不随深度而变化的稳定值。根据一系列的 实验，可得出下述定性的结论。 坤砑 t m p i l 蕊 飞、 涮 z ：饿氧 i r 口x l i 乙。浒t l ：o 崩3 l 产 2 了6 9 略 图2 _ 4凯里泽的实验结果围2 - 5长沙铁道学院的实验结果 1 | 临界深度是砂土密实度和探头直径的函数。砂的密度越大，探头的直径越大， 第二章静力触探的基本原理 则临界深度也越大。饱和砂中的临界深度较干砂中的大。 2 砂的极限端阻只与砂的开始密度有关，从实用观点出发，可以认为它与探头 的直径( 在所实验的直径范围内) 大小无关。砂饱和与否基本不影响极限端阻大 小。 3 平均侧摩阻力开始也随贯入深度而增加，但超过某一临界深度后也保持为一 常数。 派勒特( p a n e t ) 、比阿雷兹( b i a r e z ) 、福拉依( f o r a y ) 、郑( t c h e n g ) 等的实 验都证实了上述的结论。 维西克( v e s i c ) 在现场厚砂层中的静探和试桩结果1 4 】如图2 - 6 所示。图2 - 6 中 被包围部分是触探阻力和侧摩阻力的范围，黑圆点是不同深度试桩的结果。当深 度超过2 0 倍桩的直径后，端阻和平均侧摩阻力都基本为一常数，与室内实验结果 一致。 = 2 ，i f t ，f 1 1 ) o 0 8k 2 图2 - 6 维西克的实验结果 图2 7 是铁道部大桥工程局在九江做的一个静力触探曲线川。该处直到4 0 多 米深都是粉细砂和中砂。从端阻和局部侧摩阻的曲线可知，在一较均质的砂层中， 二者基本上为一常数，砂层变化了，该极限值也改变。 关于在均质砂中端阻极限值铀与砂的其它力学性质之问的关系，派勒特 ( p a n e t ) 认为端阻极限值铀与内摩擦角妒二者之间有良好的关系，但不同的砂之 问有明显的差别。其它研究表明，不同砂的端阻极限值吼l 与其相对密度d r 之间有 较好的关系。福拉依( f o r a y ) 、郑( t c h e n g ) 等在室内模型实验时，还观测了探头 贯入过程中砂表面的变性特征，说明土层内部有明显的滑动带出现，这与一般浅 基础的破坏机理相似。当探头压入土层时，开始土产生剪切破坏，随着贯入深度 的增大，土的侧向约束应力的加大，探头阻力主要决定于土的压缩特性。从剪切 破坏向压缩破坏是逐渐过渡的，这一定性的破坏机理已为大家所承认。 第二章静力触探的基本原理 o 5 鐾1 0 二 。岱 为 罄 - 2 0 _ 0 6 ：o 乳o l 口_ 0 1 2 o l a 0 1 6 - 0 。f m p - ， 够 1 黄 - 警一 妻7 图2 - 7 铁道部大轿工程局的实验结果 2 1 2 多层土中的实验结果团1 5 天然地层中，一般都由几种不同性质的土层组成。因此，观测分析多层土中 的工作状态，对静力触探机理的研究与应用都有很重要的意义。 在双层地基中，下层土顶面处于上层土贯入影响范围内，将影响上层土的g 。 或p s 值，其影响深度称为超前深度，它随上层砂土的w 或内不同而有所差异。 在探头进入下卧土层一定深度以前，其玑或p s 值要受到上覆土层的影响，影响深 度称为滞后深度，它与上下层的密实度及其差值有关。 缪斯( m u h s ) 在柏林工业大学的大砂坑中做浅基的砂土承载力实验时，曾用 静力触探测定填筑砂土的密度变化，其结果如图2 - 8 所示。基坑底面以下为密实均 匀细砂，事先测定了其端阻曲线，然后在基坑内回填砂( 疏松或密实状态) 后， 又测定了整个砂土的端阻曲线。由图可知，基底以下砂的极限端阻值在三种情况 下都基本相同，不受其上部回填砂的密实度或超载大小的影响。 福拉依( f o r a y ) 曾在直径1 5 m 、高2 m 的模型槽内由不同密度的种砂组成 的双层土中进行了系统的实验。图2 - 9 是其中的一。组实验结果。双层土的上层为松 砂，端阻很快达到极限值，在接近下卧密实砂层层面约3 倍直径距离时，端阻呈 线性增加。贯入下卧层一定深度，端阻又稳定在一极限值附近。 比较曲线i 和3 可知，其超过滞后深度后的极限端阻值基本相当，但滞后深 第二章静力触探的基本原理 度却比单一均质土的临界深度为小。多次实验表明：滞后深度随超载或上覆土的 厚度及密度增大而减小，极限端阻值则与超载或上覆土厚度无关。 女日船 l m 年壤蛰舅中膏 1 9 卑o 囊t 一 条 _ 客 相+ 矗哺k 口 3心忒 暮坑雇 海之 瓷 少 均句i r羹 女 懋av 埘 图2 8 超载对极限端阻影响实验 醵 ：t 一i l l f e 体上 l 接曩论 h 憾 i ，沁 一。寸 。 1 _ l d r 0 3 31 4 只 4 稍松 0 3 3 d r 0 24 p s 2 松散 极松 d ， o 2 只 2 2 土的天然重度( r ) 土的天然重度( r ) 是一项基本的土工计算参数。，是土的干重度h 和天然 含水量的函数，西南交通大学、长沙铁道学院及国外实验研究表明，p s 与砂土 的h 、d r 有良好的关系；而正常固结的饱和粘性土，其强度与矾有唯一关系。 这为建立j ，一p s 的经验关系提供了实验依据。根据理论公式 7 = ￥d 斗n s r y w ( 3 - 4 ) 式中t 一土的孔隙率，疗= l 一斋 ： g 9 一土粒比重： 一土的饱和度 j ，矿一水重度。 对饱和土，m l ，上式可改为 ，2 凡+ ( 1 一盖儿 o 。5 由于造岩矿物的g s 差别不大，对粘性土而言，g s 均在2 7 左右：y 。可恒取 1 0 k n m 3 。故对饱和土而言，其重度j ，可用下面的近似式表达： ，o 6 3 y d + 1 0 ( 3 6 ) 既然在一定条件下，n 与只有良好的对应关系，则 ，与尸s 的统计关系也就 存在。铁路j = 程地质原位测试规程( t b l 0 0 1 8 2 0 0 3 ) 第l o 5 8 规定p s j ，经验公 式为【6 】： p s 4 0 0 k p a 时，= 8 2 3 p ” 4 0 0 k p a 一p s 4 5 0 0 k p a 时，= 2 1 3 3 1 2 粘性土的稠度 ( 3 7 ) 粘性土的稠度表征其软硬程度，因而与贯入阻力存在相关性。这方面的经验 成果如表3 2 所示1 5 。 用比贯入阻力p s 判定稠度状态表表3 2 公式来源经验公式 适用条件 原北京综勘院1 l = o 3 7 4 + 2 8 7 p sp s 2 0 0 0 k p a 粘性土 武汉冶勘公司i l = 1 5 8 一o 9 3 4 1 0 9 p s 10 0 粘土、亚粘土 l l r = f o 4 6 2 + 0 0 0 1 l e s ) p s 3 0 0 0 k p a 粘土 铁四院 只= 5 0 3 1 z 尸s 5风 o 2 q t 一 5 硬塑o 1 l 0 5鼠 o 3 3 1 2 风一2 7 7 卵 0 4 2 卵探头总锥尖阻力，单位i v i p a ； 风超孔隙压力比( 简称超孔压比) 。 单桥触探参数判别粘性土的塑性状态表3 4 i ，loo 2 5o 5 0 o 7 51 l ( m p a ) ( 5 - - 6 )( 2 7 3 3 )1 2 1 5o 7 m 9 o 5 注：括号内数值为参考值 3 2 静力触探参数与土的力学指标的关系 3 2 1 土的强度参数 i 粘性十的不排水抗剪强度c u 探头在饱和粘性土中贯入时，土体处于不排水条件( 庐= o ) ，其不排水抗剪 1 7 第三章静力触探在国内外的应用成果 ( 3 8 ) 式中为原位总上覆应力，用竖向原位总上覆应力仃0 ，或水平向原位总应力 仃b ，或原位八面体应力o r o a = ( 口0 + 2 t r y ) 3 ；n k 为锥头系数( 由经验取得) 。 研究资料表明，由于地区性土质性状的差异以及研究者取得c u 试验手段的不 同导致了k 变化幅度较大。国外一些研究成果见表3 5 。国内这方面的研究成果 见表3 - 6 1 鄄。 用静力触