（岩土工程专业论文）新型旋转触探仪在坚硬黄土中应用的试验研究.pdf

摘要 论文题目：新型旋转触探仪在坚硬黄土中应用的试验研究 学科专业：岩土工程 研究生：罗士梅 指导教师：刘奉银副教授 摘要 签名： 签名： 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。作为目前原位测试方法中常用的一种测试手段， 静力触探已经广泛应用于岩土工程，在工程勘察中占有很重要的位置。但是由于目前静力 触探设备受到触探能力的限制，使其难以在坚硬黄土及软岩等硬质地层中获得准确的测试 成果。 本文对西安理工大学研制的新型旋转触探仪进行了合理性和准确性的试验验证，结果 表明该试验仪器完成了可以单独控制触探力、触探速度或旋转速度，可以控制和施加试样 所受的围压和轴向压力，用来模拟试样所处的不同深度处受到的地层压力，达到了仪器开 发研制的目的。 本文应用新型旋转触探仪对陕西西安黄土进行了室内试验研究，通过与国内常用的传 统静力触探试验方法进行对比，结果显示旋转能够有效提高触探设备的触探能力。根据已 有的触探阻力计算理论，分析了旋转触探阻力的影响因素，这些因素主要包括探头直径、 锥尖角度、触探速度，本文的试验结果还揭示旋转速度对触探阻力也有一定影响。通过对 比各种不同的参数对旋转触探锥尖阻力的影响结果，进行了详细的分析研究，为更有效地 提高触探能力提供了有力的证据。 旋转触探试验中的锥尖阻力还与土样自身的性质有着密切的关系，本文在验证新仪器 准确、合理性的基础上，定量地研究了旋转触探试验中的关键参数：探头锥尖阻力和旋转 扭矩与黄土的干密度、含水量和强度指标之间的关系，得出了各自的经验拟合关系。为进 步扩展旋转触探在实际硬质地层中的应用，进而为室内旋转触探试验最终走向现场迈出 了坚实的一步。 关键词：触探，试验，旋转，锥尖阻力，黄土 本课题得到陕西省黄土力学与工程重点实验室基金( 编号：0 4 j s l 8 ) 资助 t i t l e ：l a b o r a t o r yt e s to ft h ea p p l i c a t i o no fn e wr o t a r y p e n e t r a t l o na p p a r a t u sf ns t i f fl o e s s m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：s h i m e il u o s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f f e n g y i nl i us i g n a t u r e ： a b s t r a c t 厶 劳裂彬 c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t ) h a sb e e ng r a d u a l l yu s e dm o r et h a n5 0y e a r si nc h i n ai na w i d ea r e ao fe n g i n e e r i n g ，a n dn o wi sa c c e p t e db yg e o t e c h n i c a lc n 咖e e r sa sa ni n - s i t ut e s t i n g m e a s u r e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld r i l l i n gt e s t i n g , c p th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha si t s c o n t i n u u mo fd a t ao b t a i n ，i n t u i t i v e ，r e l i a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y c p t , a sac o m m o nb yu s e d i n s i t ut e s t i n gm e a s u r e ，h a sav e r yi m p o r t a n ts t a t u si ne n g i n e e r i n gr e c o n n a i s s a n c e ，a n dh a sb e e n a p p l i e dw i d e l yi n t ot h ea c t u a lp r o j e c t s h o w e v e r , t h el i m i t a t i o no fp e n e t r a t i o nc a p a b i l i t yo fc o n e p e n e t r a t i o na p p a r a t u ss e t sa no b s t a c l eo na c c u r a t ed e t e r m i n a t i o ni nh a r d p a n s ，s u c ha sh a r dl o e s s a n ds o f tr o c kl a y e r s i nt h i s p a p e r , t h ea c c u r a c ya n dr a t i o n a l i t yo ft h en e w l yd e v e l o p e dr o t a r yp e n e t r a t i o n a p p a r a t u s h a v eb e e nv e r i f i e d ，a n dt h ec o n c l u s i o ni st h a tt h i sa p p a r a t u s 伽c o n t r o lt h e p e n e t r a t i o nf o r c e ，t h ev e l o c i t yo fp e n e t r a t i o no rr o t a r yv e l o c i t yr e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ea p p a r a t u sc a ns i m u l a t et h es a m p l ec o m p r e s s e db yl a y e r si nd i f f e r e n td e p t h b yc o n t r o l l i n ga n di m p o s i n gt h el a t e r a lp r e s s u r ea n dv e r t i c a lp r e s s u r eo nt h es a m p l e t h er e s e a r c hf o c u s e sm a i n l yo nt h er o t a r yp e n e t r a t i o ni nx i a l ll o e s si n l a b o r a t o r y t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h ed o m e s t i c a l l yc o m m o n - u s e dt e s t i n ga p p r o a c ha n dt h er o t a r y p e n e t r a t i o na p p r o a c h ，i ti sp r o v e dt h a tt h er o t a r yp e n e t r a t i o na p p a r a t u sc a ni m p r o v et h e p e n e t r a t i o nc a p a b i l i t y t h ea n a l y s i ss h o w st h a t ，t h em a i np e n e t r a t i o na b i l i t yi si n f l u e n c e db yt h e e f f e c tf a c t o r sa sf o l l o w s ：t h ed i a m e t e ro fc o n ep r o b e ，t h ev e l o c i t yo fp e n e t r a t i o n ，a n dv e l o c i t yo f r o t a r y w i t ht h ec o m p a r i s o no fp r o b er e s i s t a n c er e s u l t sc a l c u l a t e dw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h e a n a l y s i s s ，h a sg i v e ns t r o n ge v i d e n c e st os u p p o r tt h a tt h ea p p a r a t u sc a ni m p r o v et h ec a p a c i t yo f p e n e t r a t i o n t h ep r o b er e s i s t a n c ei nt h er o t a r yp e n e t r a t i o nh a sac l o s e dr e l a t i o n s h i pw i t ht h es a m p l e i p r o p e r t y , a n da n o t h e ri m p o r t a n to u t c o m e i nt h i sp a p e ri sa b o u tt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o e s ss h e a rs t r e n g t hs t r e n g t ha n dk e yt e s t i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha sp r o b e r e s i s t a n c ea n dr o t a t i n gt o r q u e ，w h i c hi so nt h ef o u n d a t i o no ft h en e w a p p a r a t u s sv e r a c i t ya n d r a t i o n a l i t y t h i sw o r ks i g n i f i c a n t l ye x t e n d st h ea p p l i c a t i o no fr o t a r yp e n e t r a t i o nf r o ml a b o r a t o r y t e s tt oa c t u a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：c o n ep e n e t r a t i o n ，e x p e r i m e n t ，r o t a t i o n ，p r o b er e s i s t a n c e ，l o e s s i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 球 学位论文使用授权声明 嘎乞al 【黾 本人主趣在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 一：釉铷虢搬州年乡月厅日 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题研究的意义 静力触探试验( c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ，c p 哪简称为静力触探或静探，是采用静力将标 准圆锥形探头以一恒定速度匀速压入土中，利用探头内的力传感器，测定探头阻力、侧壁 摩阻力和孔隙压力等参数，进而判定土层的工程性质及其分类的一种原位测试方法n 1 。 随着上世纪4 0 年代实用土力学和理论土力学的建立，在欧洲一些软土地区国家首先发展 起来的这种用于工程地质的原位测试技术。1 9 1 7 年首先由荷兰人开始应用静力触探技术， 至今已有8 0 多年的历史1 2 1 。作为一种日臻完善的原位测试技术，静力触探已经越来越为 广大岩土工程技术人员所接受。我国勘察大师王钟琦1 9 6 5 年首先研制成功电测静力触探 并将其应用于勘察t 3 1 。静力触探技术在我国的应用也已经有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、重复性好、速度快、劳 动强度低、清洁、经济等优点1 4 1 。在原孔位中，利用不同传感器能取得连续地层的各种物 理参数，并可由计算机进行数据处理和综合分析评价，由于触探阻力的大小与土层的性质 有关，通过触探阻力的变化情况可以达到了解土层工程性质的目的。 传统静力触探试验作为一种应用非常广泛的岩土工程现场试验已经被逐步地推广到 工程建设的各个领域中，并在越来越多的工程实践中显示出了它的重要性。根据岩土工 程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 规定，静力触探试验适用于软土、一般粘性土、粉土、砂 土和含少量碎石的土1 5 3 0 试验中测得的锥尖阻力，可以通过经验公式确定土体的分类和 力学特性指标等。静力触探试验作为种常用的原位测试方法具有速度快、数据连续、再 现性好、操作省力等特点。随着静力触探技术的不断发展和延伸，已经在世界范围内的许 多软土地区国家被广泛应用。 从近年来我国对静力触探理论的机理研究和实际应用中可以看出：由于我国静力触 探技术起步较晚，在学术方面同国际上交流较少，因此在静力触探的机理研究上较世界先 进水平还有一定差距。同时由于我国国土面积庞大，在广阔的祖国大地上覆盖着粘性土、 粉土、砂土和软岩等几大类土层，目前静力触探技术还仅限于在土质较软的粘性土或砂土 中应用与研究，而且静力触探技术不能对土进行直接的观察、鉴别，不适用于含碎石、砾 石的土层和很密实的砂层，尤其是相对于土层较硬的黄土及软岩地区的理论研究和工程应 用几乎是一片空白。因此，对于静力触探技术在硬土和软岩中的试验及应用还有待于进一 步研究。 目前，静力触探设备在硬质地层条件下难以快速、准确的测定土层基本参数指标。 因此，在我国研制开发适用于上述地质条件的触探设备，根据室内试验资料，研究静力触 探在硬质土层中锥尖阻力与土性指标的关系，对于了解掌握上述地区地层情况和工程实际 将起到非常重要的作用。 综上所述，虽然静力触探技术在研究领域中已经取得了长足进展，但受到传统静力 1 西安理工大学硕士学位论文 触探设备触探能力的限制，使其在土质较为坚硬的黄土地区的应用还存在诸多不便，迄今 为止应用静力触探在上述地区开展理论研究和工程应用相对较少。造成静力触探在硬质地 层中应用局限的原因主要是由于原有的触探设备在触探能力方面的欠缺。因为在硬质地层 材料中进行触探试验时，触探阻力较大，从而极大的消耗了触探机的触探动能，使得触探 能力降低，影响测试效果，有时还会因为长时间超负荷运作造成触探设备损耗甚至破坏。 我国东南沿海地区的土类大多属于松软的淤泥和含水量较大的粘性土层，触探时锥 尖阻力较小现有触探设备的触探能力能够满足试验要求。而在西北地区地层结构主要由坚 硬的黄土或软岩组成，含水量较低，土质密实，强度高，使得静力触探在实际触探过程中 受到触探阻力较大，这也大大的限制了静力触探在上述地区的应用。 从地理分布可以看出，在我国西北及西南地区广泛的分布有黄土及软岩等硬质地层， 其中，黄土和黄土状土的分布面积约为6 4 万k m 2 ，是我国国土面积的6 3 硒1 ，在黄河中 游地区，西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭几乎全部被黄土覆盖，是我国黄 土的主要分布地区，尤以陕西地区黄土地层最厚、最完整、发育好、地层全、分布均匀， 其特性较典型t 7 l 地处我国西北的黄土高原、西南的青藏高原地区由于海拔较高、气候 寒冷，地层基本上以冻土( 多年冻土、季节冻土、瞬时冻土) 、坚硬黄土及软岩等岩土材 料居多。黄土地区的岩土工程建设项目愈来愈多，同时对工程勘察资料的快速、准确性要 求也越来越高。静力触探作为发展较早且应用最广的测试手段，也应该在坚硬黄土地区发 挥更大的作用。 基于以上的认识，本文拟在硬质地层条件下克服触探时过大的触探阻力，并且能够 连续、稳定的获得实测指标，拓宽触探技术的应用范围，旨在了解在硬质地层条件下土层 的分布情况，利用新型的室内触探设备对坚硬黄土进行试验研究，在对试验数据整理分析 的基础上，研究硬质地层的触探指标，试图建立实测参数同土性参数指标之间的关系，形 成一套适用于硬质地层条件下的触探理论，更好的为实际工程服务。 西安理工大学的研究人员基于提高硬质地层中静力触探能力的想法，对静力触探试 验进行了深入的研究，分析了静力触探过程中的主要影响因素，最终提出以旋转触探的方 式代替原有触探设备中直接压入的思路，成功研制了新型触探设备噶制。旋转触探仪的问 世，为揭开静力触探试验在硬质地层中的应用提供了硬件试验基础条件，使得我们有必要 也有可能来进一步研究旋转触探在硬质地层中的应用。 1 2 静力触探的发展与应用现状 1 2 1 静力触探的发展概况 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、加拿大、印度和我国等许 多国家相继采用。1 9 4 5 年的第二届国际土力学会议上，荷兰首先发表了“深层静力触探 2 第一章绪论 一文1 0 j 。此后，于1 9 4 8 年召开的第二届国际土力学基础工程会议上，被视为最有效测定 锥头阻力q c 的深层测试方法i l l l o1 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u 2 1 。 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。 静力触探在我国的发展可以追溯到上世纪3 0 年代曾在我国出现过的机械式荷兰静力 触探仪。而且我国解放初期的土力学课程中就有了静力触探的内容。1 9 5 4 年陈宗基教授 首先从荷兰引进此项技术，在黄土地区进行大量试验1 1 3 1 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；此后，王钟琦教授于 1 9 6 4 年成功研制出我国第一台电测式静力触探仪1 1 4 1 它采用单桥探头，利用电阻应变测 试技术，直接从探头中测量触探阻力，并将其定义为比贯入阻力，同国外触探设备的阻力 测试成果相比，比贯入阻力包含了锥尖阻力和侧壁摩阻力两部分。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 组对比试验建立了触探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。 静力触探设备经过不断的发展和改进，其中最重要的就是国际上于8 0 年代初研制成 功了可测孔隙水压力的电测式静力触探( p i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ) ，简称孔压触探( c p t u ) i 1 5 1 。它可以同时测量锥头阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力，为了了解更多土的工程性质 及提高测试精度提供了极大的可能性和现实性，使电测静力触探技术的精度和应用进入了 一个新的阶段。2 0 世纪9 0 年代以来，探头朝着多功能化发展，出现了许多新的功能，如 测温、测斜等l l f l 、1 1 7 1 。到目前为止，国内外诸多学者都曾对静力触探进行过研究，也得 到了大量的数据和理论成果，静力触探在我国岩土工程勘察、设计领域已经得到广泛使用。 尤其近年来，随着孔压触探技术发展及各种多功能探头和新型试验设备的研制成功，大大 3 西安理工大学硕士学位论文 促进了静力触探的机理研究，成绩喜人。在我国静力触探发展的后来几十年中逐步形成了 一系列特有的静力触探技术和规范标准。目前，国内对于静力触探技术的争论基本上得到 了统一，即逐步建立起与世界标准相一致的技术体系和实施标准。 1 2 2 微型触探的出现 利用传统触探设备对浅层土进行勘查时，大型触探仪就显十分笨重，精度不易控制， 而且经济上也不划算。如在高速公路路基旌工中，路基被分层碾压，为了对每层上进行跟 踪测试，传统的方法是：不断地取土样，进行室内实验，不仅费时费力，延误工期，而且 易对土样产生扰动，影响测试精度。为此国外学者于上世纪8 0 年代中后期开始致力于微 型触探仪的开发研制，其中挪威土工所的r a d 等( 1 9 8 6 ) n 蚰曾研制出一种微型触探仪， 并用来研究砂中水泥含量对触探阻力的影响。k u r u p ( 1 9 9 8 ) n 蚰研制了一种面向交通工程 的电子微型触探仪，进行了现场试验，并根据实验数据建立了锥头阻力系数与土不排水抗 剪强度的关系。m o h a m m a d 等( 1 9 9 9 ) 啪1 曾以2 c m 2 的锥头研究了路基土的回弹模量等等。 近年来，崔新壮等( 2 0 0 5 ) 圯u 研制了一种微型触探仪( 如图3 4 所示) ，对粉质粘土 进行了触探试验研究，并取得了一定的研究成果。施斌等( 2 0 0 5 ) 咙1 为了研究非饱和土 中团聚体的分布与强度，自行研制了一种超微型触探仪，并以面团和石灰改性膨胀土为研 究对象进行了试验研究工作。 综上所述，国内对于微型触探设备的研究起步较晚，理论成果相对较少，特别是很少 有人对其进行比较系统的研究。目前国内静力触探设备在其功能上既有适用于交通不便、 勘测深度不大或土层较软地区的轻型触探仪，也有适用于交通便利、地形平坦及勘测深度 较深地区的车载触探仪。此外，随着科学技术的不断更新，静力触探的仪器设备也趋于完 善，测试方法和功能正朝着多样化、现代化的方向发展。 随着改革开放力度的加大，尤其是加入w t o 组织后，使得我国在各个领域不断向国 际化轨道靠拢，同时针对各个行业都出台了相应的国际化法律法规。原位测试作为我国水 电与工业民用建筑行业勘察、设计中最常用的手段必将逐步形成系统化、规范化、国际化 的模式。而静力触探作为原位测试中一种快捷、准确、行之有效的方法也将逐步与国际接 轨。因此，在静力触探理论研究中应当遵循原有研究成果，同时吸取国外先进理论，逐步 将我国与世界其它各国的研究成果相结合，促进静力触探技术的发展。 1 2 3 静力触探在岩土工程中的应用 静力触探自从问世以来，经过半个多世纪的发展，目前已在世界上多个国家广泛应 用。它作为岩土原位测试技术的一种，已受到各方面的广泛重视，由于该法具有快捷、准 确、经济、节省入力等优点，其最大探测深度可达8 0 m ( 软土地区) 1 ，是一种比较理想 的原位测试手段。 静力触探试验适应于软土、粘性土、粉土、砂类土和含有少量碎石的土层。与传统的 钻探方法相比，具有速度快、劳动强度低、清洁、经济等优点，而且可以连续获得岩土材 4 第一章绪论 料的诸多物理力学性质指标以及地层情况，同时不受取样和运输时人为扰动因素的影响。 在场地材料竖向变化相对比较复杂，而用其它常规勘探试验手段又不可能大密度取土或测 试来查明土层情况；对于饱和砂土、砂质粉土及高灵敏性软土中的钻探取样往往不易达到 技术要求，或者无法取样的情况，静力触探测试技术具有其独特的优越性。因此，静力触 探技术在实际工程中普遍受到欢迎 2 4 1 0 静力触探是应用很广的一种原位测试技术，可以根据静力触探，包括孔压静力触探试 验结果，结合地区经验，将其用途归纳为以下几个方面： ( 1 ) 可用于土类定名，并划分土层的界面嗡3 6 1 ( 2 ) 评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数b 7 蜘 ( 3 ) 确定地基承载力m 4 5 0 1 ( 4 ) 确定单桩极限承载力5 卜5 3 ( 5 ) 确定地基土液化的可能性5 4 1 5 5 1 最后根据已发表的文章，可以看出静力触探已在生产实践中得到了广泛的推广，也取 得了许多成果。例如，崔新壮眩等在原有的机械式微型静力触探仪基础上，研制了一种 新型的电测式微型静力触探仪，并以此对粉质粘土做了大量室内试验，得出了许多宝贵的 经验。 静力触探试验在我国的岩土工程应用中已经得到了很好的推广，其中静力触探的主要 应用就有：评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数t 3 7 4 31 、确定地基承载力4 4 5 0 1 、确定单桩极限承载力1 5 1 5 3 1 确定地基土液化的可能性5 5 1 等，这些都是与土体的 强度密不可分的。国内外学者在静力触探与土性指标的关系分析方面都做了大量有益的工 作，现对前人关于静力触探锥尖阻力与土强度指标的研究进行简要介绍。 目前的研究中，对于触探阻力与土的强度参数之间的分析，主要进行的是粘性土的不 排水抗剪强度叫u 分析和砂土的强度参数内摩擦角9 与静力触探锥尖阻力和比贯 入阻力之间的经验关系。 前人利用传统静力触探试验得到的结果研究认为，在饱和粘性土中，土体处于不排水 条件( 缈= o ) ，其不排水抗剪强度c u 就可以用下式估算： c o = 警 ( 4 1 )一：_l q ， v k 式中c r o 为原位总上覆应力，用竖向原位总上覆应力，或水平向原位总应力， 或原位八面体应力= + ；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耿得c u 试验手段的不同导致 了k 变化幅度较大，相应得到的c u 与p s 、q 。的关系也不尽相同。下面将国内外已有的 一些研究成果进行相应的整理，见如下表1 1 的不排水抗剪强度c u 与比贯入阻力n 、锥 5 西安j e _ r - 大学硕士学位论文 尖阻力q 。的关系嘲1 和表1 - 2 中不排水抗剪强度c u 与静力触探比贯入阻力p s 、锥尖阻力 q 。的关系t 6 0 j 。 表1 1 用静力触探估算粘性土的不排水抗剪强度表嘲1 t a b 1 1t h eu n d r a i n e ds h e a rs 仃e n g t ho fc o h e s i v es o i lo ne s t i m a t i o no f c o n ep e n e t r a t i o n 关系式 土类来源建议者 n k = ( g c oh o ) c u 饱和粘性土( 各向同性， 理论( 稳定流) b a l i g b ( 19 7 5 ) = l1 吖l + i n l o无应变软化) n k = ( g c o o c t ) 线弹性应变硬化 孔穴扩张理论 v e s i c ( 19 7 5 ) c u = 1 3 3 ( 1 + l n l r ) + 2 5 7 n k = ( 9 。一oo ) 应变软化 孔穴扩张理论 l a d a n y i ( 1 9 6 7 ) c u = 4 5 5 8 n k = 1 7 5非裂隙性超固结粘土c u 由三轴实验获得 k j e k s t a d ( 1 9 7 8 ) n k = 5 n 2 l ： 软中等粘土b a l i g b ( 19 8 0 ) n k 随i p 增大而减小 n k = 1 1 1 9 ，平均1 5正常固结海相粘土 c u 由十字板实验获得 l u n n e 和k l e v e n ( 1 9 8 1 ) n k = 1 6 2 c u 由三轴实验获得 j a m i o l k o w s k i 等( 19 8 2 ) 表1 2 不排水抗剪强度c u 与p s 、q 。的关系( k p a ) 6 0 1 t a b 1 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n d r m n e ds h e a rs t r e n g t hc ua n dp s 、q c 关系式土类 来源建议者 c u = 0 0 5 3 4 p s 理论华东电力设计院 滨海相软粘土c u 由十字板实验获得 c u = 0 0 7 1 q c + 1 2 8 同济大学 q c 7 0 0 k p a ( 未修正) 饱和软粘土c u 由十字板实验获得武汉联合研究组、四川 c u = 0 0 6 9 6 p s 一2 - p s = 3 0 0 1 2 0 0 k p a ( 未修正)建研所 上海、广州软粘土 c u = 0 0 5 4 3 q c + 4 8 经验四川建研所 q c = 10 0 8 0 0 k p a 天津新港软粘土 c u = 0 0 3 0 8 p 时a交通部一航院 p s = 1 0 0 - 1 5 0 0 k p a c u = 0 0 5 尸， 天津新港软粘土铁三院 s 仁2 7 ，i p = 1 2 4 0 的 铁路工程地质原位测 c u = 0 0 4 尸s + 2 软粘士试规程 6 而相对于砂土的内摩擦角妒，大量资料表明，砂土的丹值与内摩擦角9 有良好的相 第一章绪论 关性，不同类别的砂土其关系不尽相同。铁道部科学研究院及长沙铁道学院的研究表明： 用单一指标n ( 或q c ) 推算妒值存在诸多不定性，还应考虑测试点的原位应力状态及土 的压缩性6 1 6 2 1 。 国外学者在砂土的风值与内摩擦角妒有良好的相关性方面的研究成果也很显著：肖 尔曼( 1 9 7 8 ) 嘲1 曾提出用砂土的相对密度d r 评定砂土内摩擦角矿的方法：罗伯逊 ( r o b e r t s o n ) 眩3 1 和坎伯纳( c a m p a n e l l a ) ( 1 9 8 3 ) 2 3 1 建议采用平均的经验关系，适用于无 胶结的石英砂，正常固结，破坏比r f 约为o 5 。国内也有相关的规范给出了一定的经验 关系：铁路工程地质原位测试规程( t b l 0 0 1 8 2 0 0 3 ) 第1 0 5 1 2 提出了可按表1 3 估算砂 土的内摩擦角矽。 表1 3 按比贯入阻力n 估算砂土的内摩擦角舻 t a b 1 3o ne s t i m a t i o no ft h ei n t e m a lf r i c t i o na n g l e 缈o fs a n dw i t hp e n e t r a t i o nr e s i s t a n c e e s ( m p a ) l23461 11 53 0 妒( 。) 2 93 13 23 33 43 63 7 3 9 1 3 静力触探在应用中存在的问题 静力触探作为原位测试技术的一种，已经广泛应用于岩土工程的勘察、设计领域。尽 管静力触探技术尽管在诸多方面取得了骄人的成绩，然而将当前研究的理论成果直接运用 于实际工程中还有很多不足之处，对于当前社会的经济快速发展的需要来讲，也是远远不 能满足需求的。静力触探的发展历史较短，对测试机理及应用的研究也还处于初级阶段， 而且这些理论无论是大型的标定槽模型试验，还是原位触探试验研究都仅限于软土地区， 它们主要是以纯砂、饱和粘性土及粉质粘土为研究对象。在实际应用中还是存在局限性， 因此对于静力触探的广泛应用仍有待于进一步深入研究。尤其在我国西部地区，对于坚硬 黄土及软岩等硬质地层材料来说，触探时过大的端阻力影响了触探指标的可靠性和稳定 性，甚至还会造成由于触探过程中触探设备承受锥尖阻力过大，而导致触探设备损坏。目 前通过静力触探测试手段还不能准确测定硬质地层中的基本物理力学性质指标及设计参 数，因此制约了静力触探技术的发展。 通过对静力触探机理的研究和近年来静力触探在实际应用中所存在的问题，主要是其 应用的复杂性和局限性： ( 1 ) 静力触探在我国应用的复杂性。 静力触探出现之初在全世界范围内就曾经出现过型式各异的探头，经过不断的研究改 进，最终形成了以荷兰辉固公司生产的探头为统一标准的国际性标准。而在国内，由于静 力触探起步较晚，同时因为我国在上世纪6 0 至7 0 年代与国际交流较少，因此形成了一套 与国际标准有较大差异的国内标准。在我国各科研单位、设计院、高校等单位所选用的、 7 西安理工大学硕士学位论文 静力触探设备不同，触探探头不能完全统一，以及土的参数和计算模型选取差异，造成了 计算公式不能统一，而根据不同理论、不同参数、不同模型所推导出来的经验公式更是多 得不胜枚举，有的同一地区的不同单位针对该地区的土就有自己独立的推导公式，仅通过 静力触探理论和试验研究确定土性参数指标一项，对于不同区域的土就有很多单位进行过 研究，并建立了适用于本单位或本行业的不同经验关系式，这样就会造成静力触探试验在 实际应用中的混乱局面。 综上所述，利用静力触探方法可以获取不同场地材料的各项参数指标，是一种应用广 泛的现场原位测试技术。但静力触探在我国应用中的混乱局面，至今不能得到统一。那么， 如何从静力触探的机理研究入手，最终建立一套统一的理论体系和经验关系是摆在广大岩 土工作者面前迫切需要解决的课题。 ( 2 ) 静力触探在我国应用的局限性。 我国国土十分辽阔，面积近千万平方公里，各地区的土层情况差异较大，按土性大体 分为粘性土、粉土、砂土和软岩等几类，因此造成了静力触探在应用中的局限性和地域性 较强。尽管静力触探不断发展壮大的几十年中，在我国岩土工程勘察、设计领域中得到了 广泛的应用，也得到了多项研究成果，并取得了很多成效，但适用范围仍受到一定的限制， 目前静力触探技术仅适用于相对松软的粘性土、粉土和砂土，对于静力触探机理的研究工 作，也基本上是以饱和粘性土或砂土为主，而对于硬土( 如：高深地层硬黄土、冻土) 和 软岩却无能为力。静力触探在硬质地层中试验时，触探机需要克服相当大的触探阻力，同 时又要准确的测定各项参数指标，这对触探机的触探能力要求非常高，由于传统静力触探 机功率、自重、反力有限，使其不能提供足够的触探力，一般大型静力触探设备的能力还 不能达到要求。从而限制了其在硬质地层中的发挥和应用。受到静力触探在应用中的局限 性影响，适用范围也受到一定的限制。也就是说，在硬质地层地区由于土体材料较硬，静 力触探在该地区触探过程中承受的阻力较大，不能准确的获得参数，使得静力触探不能很 好的发挥在工程实际中的作用。而在我国西部覆盖有大面积黄土，而且多数处于干旱半干 旱地区，含水量较低，且年平均气温较低，多年冻土和季节性冻土十分常见。随着社会的 发展，在这些硬质土类上的工程建设不可避免，静力触探在上述土类的应用将成为今后静 力触探研究的主要方向。 静力触探试验的这些不足究其原因也是触探设备的缺憾，总结起来，笔者认为我国现 有触探设备在以下几方面还存在不足之处： ( 1 ) 对于比较坚硬的地层材料，静力触探设备受到自身触探能力的限制，目前还无 法对上述岩土材料进行现场试验且难以准确测得土性指标和设计参数； ( 2 ) 目前静力触探设备的自动化程度不高，在现场试验过程中耗费的人力、物力比 较大，使得静力触探成本很高，同时还会对环境造成一定程度的破坏； ( 3 ) 目前现场静力触探试验的测试精度很大程度上取决于现场操作人员的技术水平， 因此人为因素很容易影响到正常的测试结果，截至目前还没有高精度的数字控制理论对试 8 第一章绪论 验数据进行自动采集和处理： ( 4 ) 现有静力触探设备主要应用于我国东南沿海及中部地区的淤泥质土、软土、饱 和粘土以及砂土等土质相对较软的材料。而对于我国西北、西南地区土质较硬的黄土及软 岩地区，适合其应用的触探设备尚处于探索阶段，是其本身的局限性； ( 5 ) 在静力触探理论的研究方面，对坚硬黄土及软岩等硬质地层材料的研究相对较 少，也限制了静力触探设备在这方面的研究与发展。 我国拟在上述地区兴建多项水利枢纽工程及民航、铁路、公路等设施。那么，如何提 高静力触探过程中的触探能力，满足试验要求并且能够准确测定触探过程中的重要参数， 同时又不影响触探设备在实际应用中的准确性、灵活性和经济性等优点，这些方面还有待 于进一步的研究。 1 4 课题提出及研究思路 1 4 1 研究课题的提出 上述内容一方面回顾了静力触探的发展历史，另一方面对静力触探在工程实际中的应 用作了简要介绍。笔者通过对目前静力触探的应用现状分析，总结归纳了静力触探在实际 应用中的局限与不足，认识到静力触探在坚硬黄土中不论在机理研究方面，还是在实际应 用方面都受到触探设备触探能力的影响。 根据已有资料显示，迄今为止国内外还没有其它任何一台触探设备能够克服触探时过 大的端阻力，并且可以快速、准确地测定硬质地层材料( 如坚硬黄土及软岩) 的各项参数 指标。这样不仅限制了触探理论的研究，同时也阻碍了静力触探的普及与推广。 通过初步的研究分析，我们认为探头在触探过程中锥尖阻力的影响因素主要有：触 探速率u ；探头的尺寸( 锥角、触探杆直径或锥底面积) ；上覆压力；侧向应力等 因素。 分析以上结论可知，影响静力触探的主要问题就是普通静力触探仪触探能力的局限 性。然而，提高探头触探能力无外乎提高触探机功率、减小探头锥角和锥底面积、改变 触探方式三种方法。提高触探机功率不仅会造成加载困难，而且还将导致设备庞大笨重， 运输困难，不便于现场应用。探头锥角和锥底面积的减小也是有限的，过分减小锥角也易 造成探头项部折断。因此采用旋转触探方式来代替直接触探方式就存在很大潜力。在实际 应用中，十分需要快速、较为准确地测定硬土或软岩的力学性质和地层分布情况，比如土 的强度参数、冻土融沉后的强度、软岩的强度等。通过对触探方式的改变，我们有可能利 用现有的旋转触探理论和技术，在突破硬土及软岩地层触探技术的基础上，得到与静力触 探相似的参数。 西安理工大学岩土所的研究人员以提高触探能力为目的，分析不同影响因素( 如锥角、 锥径、触探速度等) 下锥尖阻力随触探深度增加的变化规律，旨在定性分析它们对触探能 力的影响，并通过改变触探方式以提高触探机触探能力，成功研制出了适合于坚硬黄土、 9 西安理工大学硕士学位论文 冻土和软岩地区的原位测试和新型勘探c p t 仪器，新型的室内触探设备旋转触探仪。 旋转触探仪的研制成功为我们在硬质黄土和软岩中的触探提供了可能性。 1 4 2 研究思路 基于以上认识，本文拟通过对陕西黄土进行新型旋转触探的室内试验研究，旨在与国 内常用的传统静力触探试验方法进行对比，充分验证新型设备的合理性，通过相应的试验 结果定性分析静力触探阻力的影响因素，研究新型设备对提高触探时触探能力的作用，证 明新型设备触探能力的提高，并在此基础上定量的研究旋转触探试验中的关键参数( 如探 头锥尖阻力与旋转扭矩) 与坚硬黄土强度指标之间的关系，最终为室内旋转触探试验走向 现场打好坚实的基础。 为了实现前述的研究目标，本文拟从以下几个方面进行研究： 第一，利用室内触探试验，探讨钻进式触探方法对硬土材料的适用性，来对新型室内 触探设备的功能进行验证，分析采用的改变触探方式方法的可行性，验证其是否能够有效 的提高触探机触探能力。 第二，从不同的影响因素( 如锥径、触探速度、旋转速度等) 入手，分析锥尖阻力随 触探深度的变化规律。研究钻进过程中锥径、触探速度、旋转速度以及土层的力学特性指 标等因素对触探阻力的影响规律。 第三，在试验验证的基础上，进行大量旋转触探试验，旨在定量研究旋转触探试验中 的关键参数与坚硬黄土强度指标之间的关系，利用旋转触探试验模拟坚硬黄土强度指标、 进而为旋转触探走向实际应用打下坚实的基础。 1 0 第二章仪器介绍及试验方案 2 仪器介绍及试验方案 本节首先简要介绍新型旋转触探仪器的基本功能，进一步主要根据新型旋转触探仪 的特点，制定了一套与之相关的试验方案及方法，希望以此检验该仪器在试验过程中的稳 定性和准确性，同时分析旋转触探主要参数的影响因素，以及它的变化规律，进而建立一 定的经验关系，为将新型旋转触探