（岩土工程专业论文）基于cptu测试预测软土路基沉降方法研究.pdf

， i|i c p t u b a s e dse t t l e m e n tp r e d i c t i o nm e t h o d s f o rh i g h w a y s u b g r a d e o ns o f ts o i l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y t uq i z h u s u p e r v i s e dbysupervisedb y p r o f l i us o n g - y u a n d a s s o c i a t ep r o f d ug u a n g - y i n t r a n s p o r t a t i o nc o l l e g e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：硷未趋日期：丝 翌! f ：鲨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图二传馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：缝龟描导师签 j ； 修，口j | 讥， 摘要 摘要 孔压静力触探( c p t u ) 2 0 世纪8 0 年代在国外研制成功后，在国际上得到了飞速发展， 并在工程中得到了日益广泛的应用。孔压静力触探作为一种新型的多功能的原位测试技 术，具有快捷、连续、可靠、参数多、精度高等优点，是软土地区高效的一种原位测试 技术。因此有必要对孔压静力触探的贯入机理及工程应用进行深入研究。 本文以江苏省高速公路建设为依托，以孔压静力触探( c p t u ) 的贯入机理及基于 c p t u 预测路基沉降为研究对象，采用数值模拟、室内试验、现场c p t u 原位测试及实 测沉降相结合的方法，初步地探索了c p t u 的贯入机理，深入地研究了基于c p t u 预测 路基沉降及其与时间关系的方法，在此基础上提出了连云港海相软土与沪苏浙太湖相软 土基于c p t u 确定压缩模量与固结系数的经验关系，并验证了其可靠性。全文主要研究 内容与成果归纳如下： ( 1 ) 系统地总结了有限元方法分析静力触探贯入机理、基于c p t u 预测沉降及基于 c p t u 孔压消散试验确定固结系数的研究进展，并指出了现有研究中存在的问题。 ( 2 ) 深入分析了利用a b a q u s 有限元软件模拟c p t u 动态贯入的理论、方法及模拟 结果。分析表明：利用自适应网格技术( a l e ) 能够保持高质量的网格，避免由于锥尖周 围土体高度扭曲而造成的数值计算问题，从而能够最大可能地完成c p t u 贯入土体的有 限元数值模拟分析研究；模拟结果与实测结果很接近。 ( 3 ) 针对连云港海相软土和沪苏浙太湖相软土建立了确定压缩模量的经验关系式 ( 皆3 6 x q , , 与毋= 9 8 x q h ) ，同时提出利用工程地质分层与基于最优分割理论的力学分 层相结合的方法来作为地基土的分层方法，在此基础上得到的预测沉降与实测沉降的比 较表明：文中提出的压缩模量经验关系式是可靠的，基于c p t u 预测路基沉降比基于室 内试验预测沉降更接近于实际情况。 ( 4 ) 分别建立了连云港正常固结与轻微超固结海相软土和沪苏浙正常固结与轻微超 固结太湖相软土的c p t u 孔压消散试验确定的水平向固结系数与沉降观测数据反演竖 向固结系数的经验关系式( 岛= 5 7 2 c h 与岛= 5 3 0 5 c d ，计算结果显示基于现场c p t u 孔压消散试验预测路基沉降与时间的关系与实测沉降曲线很接近，进一步验证了基于 c p t u 孔压消散试验预测沉降与时间关系的可靠性。 关键词：孔压静力触探( c p t u ) ，路基沉降，数值模拟，软土，压缩模量，最优分割分理 论，分层方法，固结系数 a b s t r a c t a f t e rd e v e l o p e di n19 8 0 si nf o r e i g nc o u n t r i e s ，t h ep i e z o c o n ep e n e 仃a t i o nt e s t ( c a a x r ) h a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e di nt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y , a n dh a sb e e ni n c r e a s i n g l yw i d e l y u s e di ne n g i n e e r i n g t h ep i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t u ) a san e wt y p eo fm u l t i - s i t u t e s t i n gt e c h n i q u e s ，丽t l lm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sf a s t , c o n t i n u o u s ，r e l i a b l e ，m u l t i p a r a m e t e r , a n dh i g hp r e c i s i o n , i sah i 。曲- s i t ut e s t i n gt e c h n o l o g yi nt h es o f ts o i la r e a t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt od e e p l ys t u d yp i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t u ) sp e n e t r a t i o nm e c h a n i s ma n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rr e l i e so nh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nj i a n g s up r o v i n c e ，a n dm a k e st h ec p t u s p e n e t r a t i o nm e c h a n i s ma n dp r e d i c t i o ns u b g r a d es e t t l e m e n tb a s e do nt h ec p t ua st h er e s e a r c h o b j e c t u s i n gt h em e t h o do fc o m b i n i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l a b o r a t o r yt e s t i n g ，c p t us i t u t e s t 、历t l lm e a s u r e ds e t t l e m e n t , t h i s p a p e rp r e l i m i n a r i l ys t u d i e st h ec p t u sp e n e t r a t i o n m e c h a n i s m ，a n dd e e p l ys t u d i e st h em e t h o do fp r e d i c t i n gs u b g r a d es e t t l e m e n ta n dp r e d i c t i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u b g r a d es e t t l e m e n ta n dt i m eb a s e do nt h ec p t u o nt h i sb a s e ，i t p r o p o s e st h ee x p e r i e n c er e l a t i o n s h i p st od e t e r m i n ec o m p r e s s i o nm o d u l u sa n dc o e f f i c i e n to f c o n s o l i d a t i o nb a s e do nt h ec p t uf o rt h el i a n y u n g a n gm a r i n es o f ts o i la n dt a i h ul a c u s t r i n e s o f ts o i lb e t w e e nj i a n g s u , z h e j i a n ga n ds h a n g h a i ，a n dt h e nv e r i f i e st h e i rr e l i a b i l i t y t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t ss u m m a r i z ea sf o l l o w s ： ( i ) ac o m p r e h e n s i v er e v i e wi sc o n d u c t e do nt h ea n a l y s i so fc p t p e n e t r a t i o nm e c h a n i s m b yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h ep r e d i c t i o no fs e t t l e m e n tb a s e do nc p t ua n dt h e d e t e r m i n i n gc o e f f i c i e n to fc o n s o l i d a t i o nb a s e do nt h ec p t ud i s s i p a t i o nt e s t i n g t h e p r o b l e m si nt h ee x i s t i n gs t u d i e sa r ed i s c u s s e d ( 2 ) 1 1 l et h e o r i e sa n dm e t h o d so ft h e s i m u l a t i n gc p t u sd y n a m i cp e n e t r a t i o nu s i n g a b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea r ed e v e l o p e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ed e e p l y a n a l y z e d a na r b i t r a r yl a n g r a n g i a n e u l e r i a n ( a l e ) s c h e m ei sa d o p t e dt om a i n t a i nt h e q u a l i t yo fm e s ht h r o u g h o u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da v o i dt h en u m e r i c a lp r o b l e m b e c a u s eo ft h es o i lm e s ha r o u n dt h ec o n et i pe x c e s s i v e l yd i s t o r t e d s ot h er e s u l t si sp r o v e d t h a tt h ea r b i t r a r yl a n g r a n g i a n e u l e r i a n o 地e ) s c h e m ec a nb et h el a r g e s tp o s s i b l et oc o m p l e t e t h ec p t up e n e t r a t i o nf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a l s os h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t l le x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ev e r ys i m i l a r ( 3 ) f o rt h el i a n y u n g a n gm a r i n es o f ts o i la n dt a i h ul a c u s t r i n es o f ts o i lb e t w e e nj i a n g s u , z h e j i a n ga n ds h a n g h a i ，t h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p sw h i c ha r ed e t e r m i n e dt h ec o m p r e s s i o n m o d u l u sa l ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p sf o l l o wa s 驴3 6x q na n d 舻9 8x q i ts u g g e s tt h a tt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g ys t r a t i f i c a t i o nc o m b i n i n gw i t hm e c h a n i c ss t r a t i f i c a t i o n a c c o r d i n g t os u b o p t i m a lp a r t i t i o n i n gt h e o r yi s 私t h el a y e r e da p p r o a c ho fs u b g r a d es o i l t h e r e s u l t ss h o wt h a te m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p st od e t e r m i n ec o m p r e s s i o nm o d u l u si sr e l i a b l ea n dt h e t i - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ 。- _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ ，_ 1 _ _ 。 _ _ 。- _ _ - _ 。- - 。_ - _ _ - 。_ _ _ 。_ 。一一_ 。_ 。一 s u b g r a d e s e t t l e m e n t c a l c u l a t e db a s e do l lc p t ut e s t i n gi sv e r yc l o s e rt ot h em e a s u r e d s e t t l e m e n tt h a nt h es u b g r a d es e t t l e m e n tc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ol a b o r a t o r yt e s t i n g ( 4 ) f o rt h el i a n y u n g a n gm a r i n en o r m a lc o n s o l i d a t i o na n ds l i g h to v e r - c o n s o l i d a t i o ns o f t s o i la n dt a i h ul a c u s t r i n en o r m a lc o n s o l i d a t i o na n ds l i g h to v e r - c o n s o l i d a t i o ns o f ts o i l ，t h e e m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eh o r i z o n t a lc o e f f i c i e n to f c o n s o l i d a t i o nc hb a s e do nc p t u p o r ep r e s s u r ed i s s i p a t i o nt e s t i n ga n dt h ev e r t i c a lc o e f f i c i e n to fc o n s o l i d a t i o n 白b yf i e l d s e t t l e m e n to b s e r v a t i o n a ld a t aa r ce s t a b l i s h e d ，a n dt h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p sf o l l o wa s 岛= 5 7 2xc ha n dc v = 5 3 0 5 c h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t e ds e t t l e m e n tc l u w e sb a s e do n f i e l dc p t u d i s s i p a t i o nt e s ta l ev e r yc l o s et ot h em e a s u r e ds e t t l e m e n tc u r v e s t h er e l i a b i l i t yo f t h ep r e d i c t e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o u n d a t i o ns e t t l e m e n ta n dt i m ei sf u r t h e rv e r i f i e db a s e do n t h ec p t u p o r ep r e s s u r ed i s s i p a t i o nt e s t k e yw o r d s ： p i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t t j ) ，s u b g r a d es e t t l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s o f ts o i l ， c o m p r e s s i o nm o d u l u s ，s u b o p t i m a lp a r t i t i o n i n gt h e o r y , l a y e r e dm e t h o d ，c o e f f i c i e n to f c o n s o l i d a t i o n i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 静力触探技术发展与应用现状l 1 2 1 静力触探技术发展现状1 1 2 2 孔压静力触探国内外应用现状3 1 2 3 国内外静力触探技术比较4 l - 3 地基沉降预测的国内外研究现状5 1 4 基于c p t c p l u 预测地基沉降的研究现状一9 1 4 1 基于c p t c p t u 无粘性土浅基础沉降计算方法9 1 4 2 基于c p t c p t u 粘性土地基沉降计算方法12 1 4 3 基于c p t c p t u 确定压缩模量晟的研究现状1 2 1 5 存在的主要问题1 4 1 6 本文的主要工作1 4 第二章静力触探贯入机理的有限元分析研究1 5 2 1 概述1 5 2 2 静力触探贯入的有限元分析方法1 7 2 2 1 显式非线性动态分析方法1 7 2 2 2 接触计算方法1 7 2 2 3 自适应网格技术1 9 2 2 4 土体本构模型2 l 2 3 静力触探贯入有限元模拟分析。2 4 2 3 1 基本假定2 4 2 3 2 静力触探贯入有限单元模型2 4 2 3 3 模型参数2 6 2 4 模拟结果与分析。2 6 2 4 1 网格变形2 6 2 4 2 贯入锥尖阻力与侧摩阻力2 8 2 4 3 m i s e s 应力云纹图2 9 2 4 4 塑性应变云纹图3l 2 5 本章小结3 3 第三章基于c p t u 测试的软土地基沉降预测方法研究3 4 3 1 试验概况3 4 3 1 1 孔压静力触探仪器设备3 4 3 1 2 c p t u 试验与室内试验3 5 奎塑奎兰堡：! ：堂垡丝兰 3 2 c p t u 确定压缩模量晟方法比较4 6 3 3 c p t u 测试计算路基沉降4 8 3 3 1 沉降计算公式4 8 3 3 2 基于最优分割理论的地基土分层方法4 8 3 3 3 压缩模量确定方法5 6 3 - 3 4 沉降计算步骤5 7 3 4 工程实例i 一连盐高速公路场地5 8 3 4 1 连盐高速公路场地概况5 8 3 4 2 路基土分层5 8 3 4 3 c p t u 确定压缩模量相关系数的反演6 l 3 4 4 c p t u 预测沉降量与实测沉降的比较6 1 3 5 工程实例i i _ - 、沪苏浙高速公路场地6 2 3 5 1 沪苏浙高速公路场地概况6 2 3 5 2 路基土分层6 3 3 5 3 c p t u 确定压缩模最相关系数的反演6 5 3 5 4 c p t u 预测沉降量与实测沉降的比较6 5 3 6 本章小结。6 6 第四章基于c p t u 测试预测软土路基沉降与时间的关系6 7 4 1 概述。6 7 4 2 固结系数确定方法综述6 7 4 2 1 c p t u 测试确定固结系数6 7 4 2 2 反演分析法确定固结系数7 5 4 3 工程实例i _ 一连盐高速公路场地。7 7 4 3 1 室内固结试验与c p t u 孔压消散试验7 8 4 3 2 实测沉降反演竖向固结系数c v 8 l 4 3 3 c p t u 测定固结系数铂与反演固结系数c v 的关系8 3 4 3 4 预测路基沉降与时间的关系8 4 4 4 工程实例i i - 、沪苏浙高速公路场地8 5 4 4 1c p t u 孔压消散试验8 5 4 4 2 实测沉降反演竖向固结系数岛8 7 4 4 3 c p t u 测定固结系数“与反演固结系数白的关系8 8 4 4 4 预测路基沉降与时间的关系8 8 4 5 本章小结8 9 第五章结论与展望9 0 5 1 本文主要研究成果9 0 5 2 展望。9 1 参考文献y z 致谢9 7 作者在攻读硕士学位期间发表的文章9 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 地基沉降分析一直是土力学的重要研究课题，也是地基基础工程中的三大难题之 一，至今还没有完全解决【1 1 。大量重要的建筑或构筑物如房屋、厂房、桥梁、路基、土 坝、油罐等在设计中都需要尽可能的预测地基的沉降。但是地基基础的实际沉降量与设 计人员的计算完全吻合的情况十分罕见，沉降实测值与预测值的比值一般在o 5 至2 0 内变化，目前的算法一直在致力于缩小上述范围以使得大多数比值位于o 8 至1 2 1 2 1 。软 土地区建筑地基工程事故大部分是由于沉降量或沉降差过大造成的，特别是不均匀沉降 对建筑物的危害最大。许多大型软基工程的实践证明，计算沉降与实际沉降相差悬殊， 如日本关西机场、我国的宁波机场、沪宁高速公路和杭甬高速公路等。这说明现有的地 基沉降预测方法还很不完善。 在深厚软粘土地基建设高速公路、高速铁路的成败关键之一在于沉降量和差异沉降 量控制。目前采用的沉降理论计算方法需要现场取样，进行室内试验，计算得到瞬时沉 降、固结沉降和次固结沉降，为很好地解决沉降问题，要求钻取相当数量高质量的土样， 以摸清地基土层的压缩特性。但是像高速公路这样延伸范围较长的工程，做到这点要花 费很多的财力、物力；特别是在初步设计阶段，勘探工作不是很详尽，致使设计依据不 可靠，而且现场取样进行室内试验还存在一些固有的缺点：( 1 ) 取土、试验等过程对土 产生一定的扰动，从而过高的估计了土的压缩性；( 2 ) 切取小试样，未能反映透水夹层 的作用，致使测得固结速率偏低；( 3 ) 试样数量较少，代表性不够。因此，往往使计算 的沉降量偏大，而沉降率偏慢【3 1 。为了避免上述缺欠，人们寄希望于原位测试技术【4 】。 因此，如果能在现场通过原位测试，准确快速直接地计算地基沉降，这样将会大大 地加快地基沉降计算速度，缩短室内试验等待时间，提高沉降计算精度，为工程提供快 速、简捷的计算方法。孔压静力触探试验( p i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t - p t u ) 作为一 种新型的原位测试技术可以提供3 个连续读数：锥尖阻力q ，、锥杆摩擦套筒上的侧壁摩 阻力石和锥头上的孔隙水压力u 2 ，具有快速、可靠、经济和连续的优点。目前，c p t u 已经广泛地用于岩土工程特性的评价。近年来孔压静力触探( c p t u ) 在预测地基沉降 方面的研究也逐渐增多。如果能够利用孔压静力触探( c p t u ) 试测试快速、准确地预 测地基沉降及地基沉降的速率，将很有意义。 1 2 静力触探技术发展与应用现状 1 2 1 静力触探技术发展现状 静力触探试验简称为c p t ( c o n ep e n e t r a t i o nt e s o ，是利用准静力以恒定的贯入速率 将圆锥探头通过一系列探杆压入土中，根据测得的探头贯入阻力大小来间接判定土的物 理力学性质的原位试验。早在1 9 3 2 年，荷兰首先研制出静力触探，故这项技术也称为 荷兰贯入试验【5 1 。起初采用机械式，锥尖的形状也是各种各样的，后来欧洲采用了较统 东南大学硕i ：学位论文 一规格的标准探头，圆锥夹角6 0 0 ，锥底的截面积为l o c m 2 ，摩擦套筒的表面积为1 5 0c m 2 。 至2 0 世纪6 0 年代，研制出了电测静力触探，各测量参数均采用电量测量，电子探头最 显著的优点是其良好的重复性、高精度及数据的连续测读，为数据的采集与处理的自动 化提供了条件。 孔压静力触探( p i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ，简称为c p t u ) ，最早的电测式c p t u 由 挪威土工研究所( n g i ) 的j a n b u & s e n n e s e t ( 1 9 7 4 ) 研制成功【6 】。与此同时，瑞典的 t o r s t e n s s o n ( 1 9 7 5 ) 和美国的w i s s a 等( 1 9 7 5 ) 也研制出能测孔压的c p t 。它是在标准 的电测式静力触探( c p t ) 的探头中安装了透水滤器及量测孔隙水压力的传感器元件。加 入这些设备之后，孔压静力触探不仅可以与普通静力触探一样能够测试到探头所受的锥 尖阻力和侧摩阻力，还可以测试到土中的孔隙水压力既可以测试到探头贯入引起的 超孔隙水压力，还可以测试到探头停止贯入时超孔隙水压力随时间的消散过程，一直可 以测试到超孔隙水压力全部消散，直至达到稳定的静水压力。由于孔压探头的使用，可 以大大提高静力触探的用途，除普通静力触探的功能外还增加了其他一些新功能，尤其 是可以估算土体的固结系数和渗透系数，称为原位测试技术的重大新进展。 1 9 8 0 年以后，出现了不少同时测孔压和侧阻力的研究成果，并在工程实践中应用。 1 9 8 0 - - 1 9 8 9 年间，还有不少学者研究了透水石位置对所测孔压的影响以及孔压对锥尖阻 力的影响。 各国研究所用探头形状和孑l 压传感器位置往往并不一致。孔压静探探头按滤水器的 位置不同而有不同的类型，孔压滤水器的位置有位于锥尖、锥面、锥肩和摩擦筒尾部几 种情况。按照欧洲标准( e u r o c o d e 7 ) ，孔压探头滤水器的位置可位于锥面、锥肩和摩擦 筒尾部，测得的孔隙压力分别记为甜，、u 2 和幻。有的孔压探头在两处或三处安装滤水器， 同时可以测得在贯入过程中探头不同位置的孔压。不同位置滤水器所测得的超孔隙水压 力厶甜是不同的，超孔压的消散条件和消散速率也是不同的。在贯入土体时，滤水器的 磨损、涂抹、压缩是不同的，对土层变化的分辨能力也是不同的，各有其有缺点。研究 发现：在锥尖和锥面处的滤水器，测得的超孔压最大，对土层变化的反应最灵敏，孔压 的消散接近于圆球径向排水条件，但滤水器易于磨损，减小了滤水器的渗透性，使孔压 反应变得迟钝，孔压量测的灵敏度也下降。另外，锥尖附近土体应力条件复杂，使得锥 尖和锥面量测的孔压稳定性较差。在锥面之后等直径圆柱面上的滤水器，测得的超孔压 较小，而且随离锥头的距离增大而变小。由于避开了锥头底下的复杂应力区，所测孔压 比较稳定，孔压的消散接近于圆柱轴对称径向排水条件。在试验过程中还发现，停止贯 入时，孔压在开始阶段会出现略微上升，经过一个短时期后，才逐渐出现消散下降的现 象。将滤水器置于探头锥肩圆柱部位可有效地减小锥尖阻力松弛所带来的影响，现在国 际上也流行将滤水器置于该位置( u 2 位置) ，有慢慢统一的趋势( i s s m g e ，2 0 0 1 ) ，这 将为今后孔压静探的研究与发展提供有利的条件。 1 9 8 9 年，i s s m f e 推荐采用透水石位于锥尖后的孔压蚴，此后，c p t u 关于孔压测 试位置主要以此为准。 2 翌二j 垦笙丝 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，随着岩土工程特别是环境岩土工程的发展，国际不少 机构和公司研制开发了用于c p t 的新传感器，迸一步加强了c p t 技术在工程中的应用， 也使c p t 向多功能方面发展，特别是s e i s c p t u 和r e s i s c p t u 等技术得到了广泛应用。 s e i s c p t u 通过c p t u 的锥头装设加速度传感器从而形成“下孑l 法”测定圪和珞，进而计 算出土的小应变剪切模量( g d ) 和约束模量( ) 。传统的静力触探所测数据对应于土 大应变破坏状态，而应用s c t p u 可测试到完整的应力应变强度曲线，其中v 。对应小 应变非破坏状态，q t 和u 对应于峰值强度，石对于于峰值后状态，进而可得到模量衰减 曲线。r c p t u 的诞生为电阻率与土结构性之间关系的研究提供了条件，目前r c p t u 主 要用于圈定被污染的土壤或水的范围，评价污染土的工程性质，在环境岩土工程领域得 到了很好应用。 近年来，一系列用于c p t u 的新型传感器更是相继出现( 见表1 1 ) ，如旁压仪传感器、 可视化( v i s c p t u ) 、热传感器、1 ，射线传感器( g c p t u ) 、激光荧光屏传感器等，将探头的 多功能化、数字化和多参数化( 如地震旁压仪静力触探可测试多达9 个独立的参数) 推 向了一个全新的高度，静力触探技术得到了广泛应用和进一步的发展。美欧国家探头已 实现了多功能数字化，其优势更加明显：实现了孔下探头中的模一数转换：简单，容易 操作；单探头中传感器的多样化，高效性；多达l o 个以上测试通道；紧凑简洁，坚固 耐久的设计模式；数字化，多功能，多参数；高精度，高可靠度，高效率。 表1 1 国际c p t 最新传感器一览表 1 2 2 孑l 压静力触探国内外应用现状 国外c p t u 的测试成果，在岩土工程领域已得到广泛应用，其中主要包括四个方面： 修正锥尖阻力；评价渗流，固结特性；区分排水、部分排水、不排水贯入；计算承载力 和动力参数等。在应用的同时，国外对c p t u 技术进行了系统的理论研究，对于不排水 的粘土和完全排水的砂土，采用四种方法：承载力理论、孔穴扩张理论、稳态变形理论 东南大学硕l ：学位论文 和有限元等数值分析。这些成果为工程应用提供了可靠的理论基础。 上世纪9 0 年代初，我国学者开始注意到国际上c p t u 技术的发展变化，如张诚厚 3 1 利用荷兰的资料提出了利用c p t u 成果进行土分层及土质判别的方法，并在在沪宁高 速、同三高速宁波段进行试验研究；孟高头【6 j 也在9 0 年代中期开展了此项研究，进行了 室内模型槽试验，探讨了c p t u 测试机理，并在珠江三角洲软土地区京珠高速进行了初 步应用；国内一些研究机构( 如南京水利科学研究院等) 和公司( 如浙江南光地质仪器 厂等) 也仿制了c p t u 探头。总的说来，我国一些专家学者开始注意研究现代c p t u 技 术，在理论和应用上取得了一定进展，但采用的设备仍然是在我国传统c p t 测试设备 基础上的改进，未有本质变化，且单桥静力触探的使用历史较长，在推广上c p t u 受到 了限制，使其难以发展。 1 2 3 国内外静力触探技术比较 国外从4 0 年代c p t 的出现开始到现在一直没有放弃对c p t 的改进工作，一直处于 快速发展之中，而我国c p t 技术在早期基本上与国际水平同步发展，8 0 年代后期始， 我国的c p t 技术无论在观念方面，还是从机理、理论研究与应用方面已明显落后于国 际水平，大大限制了该技术在岩土工程中的应用广度和深度。我国与国外c p t 技术应 用的差别主要有以下几个方面： ( 1 ) 技术规格方面：我国主要使用的是“单桥 探头和“双桥 探头，探头规格与国 际通用不同。原位测试得到的数据与所用探头的外部几何形状、尺寸以及操作程序有密 切关系。 ( 2 ) 指标方面：我国主要用：吼、石、西，而国际已普遍采用毋、母，即可测孔压的 c p t u 技术已经广泛使用。 ( 3 ) 理论研究方面：国际c p t 的应用建立在较完善的理论基础之上，包括c p t 贯入 机理、影响因素、相关指标选取等方面，已达到较理性的程度。而我国对c p t 贯入机 理、理论的研究不够深入，常常用一些经验关系把贯入阻力与土的物理力学性质联系起 来，建立经验公式；或根据贯入机理的认识做定性分析，在此基础上建立半经验半理论 公式。 ( 4 ) 精度和可靠性方面：我国由c p t 测试结果所推算出的各土层物理力学参数仅仅 作为钻孔资料的参考值，基本上不能直接作为设计参数使用，计算所需参数往往仍由室 内土工实验确定。国外在利用c p t 成果来求取土的各种参数的可靠性上和公式的灵活 性上均比国内好，其中最主要一点是国外的成果基本上是基于c p t u 测试得出，而我国 则均是从单桥、双桥静力触探所提供的经验公式所得。这些经验公式均是一些区域性的、 简单的回归公式，各地公式差异较大，而且公式中只有单一的参数胁或g 。，参数在测取 时还受到各种条件的影响，因此从精度和可靠性方面均远不如国外。 ( 5 ) 多功能探头方面：国外在新型传感器技术的支持下，出现了许多新型的功能，如 测地温、测斜、测地震波速、测电阻率、可视化静力触探( s c p t ) 等等，静力触探技 术已大量应用在环境岩土工程领域，而且已运用得比较成熟。而我国仍采用“单桥”和“双 4 第一章绪论 桥”探头，功能单一，在环境岩土工程领域方面应用还是一片空白。 国内通常所说的静力触探是指单桥静力触探( 只能量测贯入阻力) 和双桥静力触探 ( 能同时量测锥尖阻力和侧壁摩阻力) ，国外孔压静力触探与之相比具有突出的优点1 6 j ： ( 1 ) 孔压静力触探在现场测定土层土类和确定土的工程性质的同时，可以通过量测孔 压为评价土的渗透性和固结特性提供依据，利用测试超孔隙水压力的消散求取土的固结 系数，改变室内固结试验试样小，易扰动带来的影响，可以大大提高测试结果的准确性； ( 2 ) 由于孔压静力触探增加了测试孔隙水压力的功能，可以利用孔压值修j 下锥尖阻力 值，确定土的固结和渗透系数，能够大大提高判别土的分类、划分土层和获取土的工程 性质指标的能力； ( 3 ) 孔压静力触探的探头上的透水滤器的厚度只有3 m m ，并且孔压传感器反应灵敏， 因此能测试薄夹层较多及结构性强的土层，能更真实地反映土体的特性； ( 4 ) 孔压静力触探的测试数据精度高，重复性好，为了解土体更多工程性质和提高测 试精度提供了极大的可能性和现实性，具有勘探和测试双重功能； ( 5 ) 孔压静力触探可以随时配合沉降观测以实测地基中任