（岩土工程专业论文）饱和软土中静力触探贯入机理与应用研究.pdf

摘要 随着工程建设的不断发展，静力触探技术得到了越来越多的应用、重视和发 展，关于静力触探机理和应用的研究也越来越深入。静力触探是一种灵活而相对 最为可靠的土体原位测试技术，其应用范围非常广泛然而，土力学目前尚未能 完全从理论上解释静力触探探头与周围土体间的接触应力分布及相应的土体变 形问题。因此，基于相关基本理论，针对不同的地质条件及土体情况，对静力触 探贯入机理与触探技术应用进行进一步研究具有理论意义与重要的实用价值。 本文首先介绍了目前静力触探贯入机理及相关研究的国内外情况及进展，综 述了承载力理论、圆孔扩张理论、混合理论、应变路径法，有限元分析法等几种 理论方法的进展概况与应用情况，并指出其优缺点。在此基础上，本文开展的研 究主要如下： l 、基于圆柱孔穴扩张理论，以m o h r c o u l o m b 强度准则为屈服条件，针对饱 和软土渗透性差的特点，对静力触探贯入饱和软土的机理进行简化分析，求得塑 性区半径及最大内应力，并导出了静力触探锥尖阻力和侧摩阻力的理论计算公式 2 、运用有限元分析程序a n s y s ，采用d r u c k e r p r a g e r 模型对饱和软土中圆 柱孔穴扩张过程进行模拟，借以分析静力触探入土过程中的应力、应变变化规律。 3 、结合由导师主持、本人亲身参与的广州南沙泰山石化成品油、化工品库区 淤泥软基处理重大工程监测工作，将实测结果与上述理论分析的结果进行了比较 分析及验证。 4 、利用实际的原位十字板测试、轻便动力触探试验结果以及地质勘察报告中 室内土工试验数据，总结归纳出适用于广州南沙地区淤泥地基的静力触探测试指 标与不排水抗剪强度、灵敏度、变形模量及轻便动力触探击数之间的统计分析关 系式。 关键词：静力触探贯入机理孔穴扩张理论饱和软土有限元分析工程实 例原位测试统计分析关系 奎三些奎兰三茎堡圭茎堡丝三 a bs t i 认c t w i t he n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nd e v e l o p i n g ，t h ec o n ep e n e t r a t i o nt e s tt e c h n i q u ei s p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa n dt h em e c h a n i s mo fp e n e t r a t i o nt e s tt e c h n i q u ea n d i t sa p p l i c a t i o na r er e s e a r c h e dm o r et h o r o u g h l yt h a nb e f o r e i t saf l e x i b l ea n dr e l i a b l e i n - s u i tt e s t i th a sb e e na p p l i e dt om a n yf i e l d sa n dh a sag o o dp r o s p e c t s i n c et h e d i s t r i b u t i o no ft h ec o n t a c ts t r e s sb e t w e e nt h ep r o b ea n dt h es u r r o u n d i n gs o i l ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o i ld e f o r m a t i o np r o b l e mc a n n o tb ee x p l a i n e db yt h et h e o r i e so ft h e s o i lm e c h a n i c s ，c h o o s i n gt h e c o r r e s p o n d i n ga p p r o x i m a t et h e o r i e s f o rd i f f e r e n t g e o l o g i c c o n d i t i o na n ds o i l l a y e rc i r c u m s t a n c et o r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo f p e n e t r a t i o nt e s tt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o nw i l lh a v ev e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h em e c h a n i s mo fp e n e t r a t i o n t e s tt e c h n i q u e t h e n ，i ti n t r o d u c e ss e v e r a lm e t h o d s d e v e l o p m e n t ，t h er a n g eo f a p p l i c a t i o n ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gt h ec a p a c i t yt h e o r y ， c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ，m i x t u r et h e o r y ，s t r a i np a t hm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，t h i st h e s i sm a i n l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ： 1 b a s e do nt h ec a v i t ye x p a n s i o nm e t h o da n du s i n gt h em o h r - c o u l o m bs t r e n g t h s t a n d a r da st h ey i e l dc r i t e r i o n ，as i m p l i f i c a t i o na n a l y s i so nt h ep e n e t r a t i o nm e c h a n i s m o ft h ec o n ep e n e t r a t i o nt e s ti ns a t u r a t e dc l a y si sc a r r i e d ；t h ep l a s t i cz o n er a d i u sa n d m a xs q u e e z i n gs t r e s sa r ep r e s e n t e d t h i st h e s i sa l s od e d u c e st h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nf o r m u l a so ft h ep r o b et i pr e s i s t a n c ea n dt h el a t e r a lr e s i s t a n c e 。 2 t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r o g r a ma n s y sa n dt h ed r u c k e r p r a g e rm o d e la r e u s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fc a v i t ye x p a n s i o ni ns a t u r a t e ds o f tc l a y s i tc a n a n a l y z et h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n sa b o u tc o n ep e n e t r a t i o nt e s t 3 b a s e do nt h ep r o j e c to fs o f tg r o u n dt r e a t m e n ti ng u a n g z h o un a n s h at i t a n p e t r o c h e m i c a la r e a ，w h i c hi s c h a r g eo fm yt u t o ra n dd o n eb ym y s e l kt h er e s u l t s o b t a i n e db yi n s i t ut e s ta n dm o d e lt e s ta r ec o m p a r e d 4 c o m p a r e dt h ed a t ea m o n gt h ev a n es h e a rt e s t s ，p o r t a b l ed y n a m i cp e n e t r a t i o n - t e s ta n ds o i lt e s td a t ai nt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ge x p l o r a t i o nw i t ht h ec o n e p e n e t r a t i o nt e s t ，t h ep a p e rs u m m a r i z et h es t a t i s t i c a la n a l y s i sr e l a t i o nb e t w e e nt h ed a t e o b t a i n e db yt h ec o n ep e n e t r a t i o nt e s tw i t hu n d r a i n e ds h e a rs t r e n g t h ，b l o w c o u n t so f p o r t a b l ed y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s ta n dd e f o r m a t i o nm o d u l u se m p i r i c a lf o r m u l aw h i c h a c c e p t e db yg u a n g z h o un a n s h as i l tg e o l o g i c a lc o n d i 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 nt e s t ；p e n e t r a t i n gm e c h a n i s m ；c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ； s a t u r a t e ds o f tc l a y s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；p r o j e c te x a m p l e ；i n - s i t ut e s t ；s t a t i s t i c a l a n a l y s i sr e l a t i o n l - 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的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，不包含本人 或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 圈 论文作者签字：弛 口7 年占月尸日 第- i 章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国建筑业的迅猛发展，岩土工程建设中对于地基土的各项指标准确度 的要求也越来越高。近二、三十年来，土体原位测试技术在国内外得到迅速发展。 已成为岩土工程勘察和地基处理后进行质量检测的有效手段，在实践中应用越来 越广泛，发展潜力很大 了解土体特性，合理确定地基承载力，检测和评价地基处理效果有赖于岩土 工程测试所提供的各项指标。因此，各项指标的准确度直接影响到该工程的质量 和经济效益，尤其在软土地基处理施工中，地基土承载力的大小对工程造价影响 极大。 在许多情况下，人们大多采用室内土工试验确定土的物理力学指标及承载 力，但由于取士过程中人为因素影响较大，易产生扰动，尤其是软土，由于其成 分复杂，具有很强的结构性，一经扰动，土体结构强度便会遭到破坏，造成测试 值与真实值相差很大，大大降低了所测指标的工程应用价值；同时，部分室内土 工试验的试验周期长，难以适应快速发展的建筑工程需要，因此，快速、准确、 直观的原位测试技术越来越受到大家的重视 与室内试验不同，原位测试是在土层原来所处的位置，在基本保持土体的天 然结构、天然含水量以及天然应力状态下，测定土的工程力学性质指标与室内 土工试验相比，它有如下主要优点：能够测定难以采取不扰动试样的土层( 如饱 和的砂土、粉土、淤泥及淤泥质土等) 的有关工程地质性质；能够避免取样过程 中应力释放的影响和搬运过程中的扰动；测定土体的范围远比室内试验大，因 而代表性好，更能反映岩土的宏观结构( 如裂隙、夹层等) 对岩土性质的影响； 很多的岩土原位测试技术方法可连续进行，可以得到完整的土层剖面及其物理力 学性质指标；测试时间相对较短，效率高，具有快速、可靠的优点。 在软土地基处理工程中，原位测试不但可以用于工程勘测，指导设计及施工 方案的确定，同时也可以用于对施工进行实时监测，利用监测数据指导信息化施 广东工业大学- 亡学硕士学位论文 工，确保施工效果和工程质量【。 目前，随着建筑行业的进一步发展，原位测试技术正在不断进步，理论也日 趋完善。国内对于岩土工程施工的要求逐渐从质量要求转为过程控制，特别是进 行软土地基处理时，采用原位测试技术进行监控的做法也得到越来越多的重视。 1 2 静力触探技术的发展历史 静力触探是通过一定的机械装备，将一定规格的金属探头用静力压入土层 中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对探头的贯入阻力，以此来判断、分 析和确定地基土的物理力学性质。 1 9 3 2 年荷兰工程师p b e r e n t s e n 进行了世界上第一个静力触探试验。1 9 3 5 年荷 兰d e l f t 土力学实验室的第一任主任t k h u i z i n g a 设计并使用了l o 吨的荷兰锥贯入 装置，并开始用于桩承载力试验研究。1 9 4 8 年v e r m e i d e n 和p l a n t e m a 改进了荷兰锥， 即在探头上方增加了锥形保护部分，以阻止土的贯入1 9 5 3 年b e g e m a n 设计出可 测侧摩阻力的摩擦筒，上述这些均为机械式的静力触探仪。1 9 4 8 年荷兰工程师 b a k k e r 研制出世界上第一个电阻式探头( r o t t e r d a m c o n e ) 。从1 9 4 9 年起，荷兰d e l f t 土力学实验室开始应用电测探头，并作了大量试验和研究。1 9 5 7 年他们研制出了 第一台能测侧摩阻力的电测探头。1 9 6 5 年荷兰辉固( f u g r o ) 与t n o 联合推出了一种 电测探头，其规格也是后来i s s m f e 标准和许多国家标准的基础。此后世界上不少 国家研制出大量不同的电测式触探仪。从上世纪7 0 年代后期开始，出现了孔压静 力触探、环境静力触探，使静力触探技术得到了广泛应用和进一步发展。我国在 上世纪3 0 年代也出现了机械式的荷兰静力触探仪1 2 】。 1 9 5 4 年陈宗基教授从荷兰引进了该项技术，并在黄土地区进行了试验和研究 1 9 6 4 年王钟琦教授独立成功地研制出我国第一台电测式触探仪。6 0 年代初期，我 国与其他国家大体上在同一时期发展了电磁静力学触探，利用电磁传感器直接量 测探头的贯入阻力，大大提高了量测的精度和功效，有很好的再现性，在静力触 探成果的分析和利用方面也积累了不少经验。近年来，由于通用测试新技术的开 发，各种电阻应变式、振弦式、电水平式、电感式、光敏式、热敏式、声敏式的 传感器不断地更新出现，岩土工程原位测试技术亦得到相应发展o - s 】。 第一章绪论 1 3 静力触探设备简介 静力触探仪器主要由三部分组成：贯入装置( 包括反力装置) ，其基本功能 是可控制等速压( 贯) 入；第二部分是量测系统，这部分包括探头、电缆和电阻 应变仪( 或电位差计自动记录仪) 等；另一部分是传动系统，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。1 6 1 1 3 1 探头 探头的标准外形为圆柱体，底端为圆锥体，锥尖角6 0 0 ，顶端与探杆连接。 常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头( 见图1 1 ) 及孔压探头，单桥探 头和双桥探头主要规格见表1 1 。根据实际工程所需测定的地基土层参数选用单 桥探头或双桥探头，探头圆周截面积以l o c m 2 为宜，也可以使用1 5 c m 2 单桥探头 卜一卜一。叫广1 1 厂7 - r 、 l 1 弋 彳o d 2 、 弦秒j i 1i炉i ( b ) ( a ) 单桥探头( b ) 双桥探头 图i 1 探头 f i g 1 - ic o n ep e n e t r a t i o nt e s tp r o b e 单桥探头只能测定一个触探指标一比贯入阻力见，该指标的基本概念为： ( 1 ) 静力触探探头在贯入土体时会受到一定的阻力，这一阻力对应于一定 广东工业大学工学硕士学位论文 几何形状的探头，因此是相对贯入阻力。在大量实验研究的基础上，主要采用表 1 1 确定的探头规格。 ( 2 ) 以值是探头锥尖底面积a 与总贯入阻力p 的比值； p 。= ( 1 1 ) 总贯入阻力p 包括了锥尖阻力和侧壁摩擦力两部分的综合作用，故见值称为 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。为了使见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1 1 ，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，从而使见值也能反映出土层的压缩性。所以，比贯入阻力p 。是锥尖阻 力和侧壁摩阻力的综合反映。 双桥探头能同时测出锥尖阻力吼和侧壁摩阻力z 。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正分别定义如下： 吼= 鲁 ( 1 2 ) 正毒 ( 1 3 ) 式中q 。、p r _ 分别为锥尖总阻力和侧壁摩阻力： a 、f 分别为锥底截面面积和摩擦筒表面积 表i i 探头规格 t a b 1 ld i m e n s i o n so f c o n ep e n e t r a t i o nt e s tp r o b e 锥头截单桥探头双桥探头 探头直径锥角 面积a 有限侧壁长度摩擦筒侧壁摩擦筒长度 d ( m m )a ( o ) ( c m 2 ) l ( r a m )面积( c m 2 ) l ( c m ) 1 0 3 5 7 6 0 5 72 0 01 7 9 第一章绪论 1 54 3 77 03 0 02 1 9 2 05 0 48 l3 0 01 8 9 1 3 2 探杆 探杆是用来将探头贯入到所需的深度，一般用高强度钢制成，每根长1 m 。最 下部的五根探杆轴线线性误差应小于0 1 。探杆连接后也应符合这一标准。当进 行深层静力触探时，为防止探杆歪斜挠曲。避免断杆事故，应在探头中另设一溺 斜传感器，当倾斜角超过1 5 0 3 0 0 ，应停止贯入。 1 3 3 量测记录仪器 对于目前广泛使用的电阻应变式探头，可采用的量测记录仪器有；电阻应变 仪、数字应变仪、电子电位差记( 自动记录仪) 和数据采集处理系统等 1 4 静力触探的特点 静力触探的主要优点是连续、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。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；对于一些土层在竖向变化比较 复杂，而用其他测试手段无法大范围取土( 测试) 来查明土层变化的情况，用静 力触探进行连续压入测试，就显出其独特的优越性 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 r e ：对于含碎石、砾石的土层和很密实的 沙层一般不适合应用等。 1 5 静力触探在饱和软土地基中的应用 静力触探作为一种原位测试设备， 为一种简便、经济、高效地监测手段， 地基处理的监测工作。 目前被广泛地应用于岩土工程勘测中。作 静力触探也可以被用于高含水量饱和软土 静力触探作为原位监测方法应用于饱和软土地基处理工程，不但可以在设计 广东工业大学工学硕士学位论文 前期提供勘察数据，为设计处理方案提供可靠的依据，还可以有效地监控整个软 土地基处理过程，实时地反映土体在处理过程中物理力学指标的变化情况，为设 计处理方案、控制处理过程、检验处理效果、估算工后沉降提供了丰富的原位数 据资料，有着重要的研究意义和推广价值。 关于静力触探应用研究的具体内容，本文将结合工程实例，在第五、第六章 中做详细介绍。 1 6 本文研究内容和目的 目前，由于土力学理论尚未能完全从理论上解释静力触探锥头与周围土体间 的接触应力分布及相应的土体变形问题，因此，研究适用于不同土类和不同地区 的分析方法是十分必要的。 本文首先介绍了目前静力触探贯入机理及相关研究的国内外情况及进展，在 此基础上，本文开展的研究主要如下： l 、在前人研究的基础上，基于圆柱孔穴扩张理论以，m o h r c o u l o m b 强度准 则为屈服条件，对静力触探贯入饱和软土时的机理进行简化分析，并导出吼、z 的 理论计算公式； 2 、运用通用有限元分析程序a n s y s 对静力触探贯入饱和软土过程进行模拟 研究分析： 3 、结合由导师主持，本人亲身参与的广州南沙泰山石化成品油、化工品库 区淤泥软基处理工程监测工作，对理论分析结果进行论证和分析； 4 、结合现场十字板测试、轻便动力触探试验的结果以及地质勘察报告中土 工试验数据。总结归纳出适用于广州南沙地区淤泥地质条件下的静力触探测试指 标与不排水抗剪强度、灵敏度、变形模量及轻便动力触探击数之间的统计分析关 系。 第二章静力触探贯入机理研究发展状况 第二章静力触探贯入机理研究发展状况 静力触探技术自1 9 3 2 年在荷兰问世以来，至今已有7 0 多年的发展历史，国 内外在静力触探成果的分析和利用方面积累了不少经验。但在理论研究方面，由 于土力学理论尚未能完全从理论上解析静力触探锥头与周围土体间的接触应力分 布及相应的土体变形问题，因此，要准确、综合地反映静力触探的机理还很困难。 目前研究方法主要都是以近似分析为主，或针对某一类( 或几类) 型土体进行的 近似理论分析 2 1 探头贯入阻力理论 探头贯入到土体的过程中，土的变形及破坏过程非常复杂，若把贯入过程看 成是准静态的。整个问题应该满足平衡方程，几何方程、力与位移边界条件以及 土体本构关系( 包括屈服准则、破坏准则、流动法则及硬化规律等) 。 但是，影响锥头阻力的因素很多，如土的刚度及可压缩性等，而且现存的本 构关系也不能精确地反映真实土的特性，所以要得到解析解非常困难。目前，主 要的近似理论方法有【6 l ：承载力理论( b e a r i n gc a p a c i t yt h e o r y ) 、运动点位错方法 ( m o v i n gp o i n td i s l o c a t i o nm e t h o d ) 、空洞膨胀理论( c a v i t ye x p a n s i o nt h e o r y ) 、应变 路径法( s t r a i n p a t hm e t h o d ) 等。它们有的不考虑某些约束方程或条件，或对某些方 程或条件只能近似满足。 2 1 1 承载力理论 承载力分析理论提出时间较早，相关的近似分析理论也较多，它们大多借助 于对单桩承载力的半经验分析，它们将静力触探的锥尖阻力视为深基础的极限承 载力，借用桩端承载力的分析方法。假设：在锥尖以下形成一定形状的剪切破坏 面( 弧面、对数螺旋曲线、或直线与曲线复合) ：土体为不可压缩的刚塑体；而 滑动面的形状是根据试验模拟或经验假设。承载力理论分析适用于临界深度以上 的贯入情况。这方面的理论有d e b e e r 理论、k e r i s e l 理论、r h e r m i n i e r 理论、 b e r e z a n t z e v 理论、d u r g u n o g l u & m i t c h e l l 理论、m e y e r h o f 理论、j a n b u & s e n n e s t 理 广东工业大学工学硕士学位论文 论等。 ( 1 ) d e b e e r 理论根据p r a n d t l c a q u o t 方程7 1 ，圆锥锥尖阻力q 。可表示为： p o 协2 1 4 廿咋南 伽2 ( e z m ，- 1 ) t ， 其中系数1 3 为圆锥形状经验修正系数，c 为内聚力。 对于砂土，c = 0 ，伊0 ，则吼= 风矿( ) ，y ( ) 见图( 2 - i ) ； 对于粘性士，c 0 ，矿0 ，则吼= ( c ，伊，p o ) 。 ( 2 ) k e r i s e l 理论【3 1 ，认为在临界深度以上为剪切破坏机理，q 。与深度d 成 正比关系： 吼= ，d l 旷“9 = ，d n q ( 2 2 ) 其中t 为土的容重，对小直径探头n 取3 7 ，对大直径探头1 1 取2 7 。在临界 深度处吼达到极限值，临界深度以下吼不再增加。 ( 3 ) i h e r m i n i e r 理论【6 1 ，假设剪切面上一直发展到锥底以上d o 处，与水平 面成舻夹角( 图2 2 ) 吼= ，d - 口 ( 2 3 ) ( 4 ) b e r e z a n t z e v 理论【9 l 假设桩底端破坏滑动面延伸到基底平面离桩轴心r o 处为止( 即破坏滑动面延伸到探头四周呈圆柱体剪切破坏) ，在该范围内土的自 重扣除周围土体的抗剪力，则圆锥基底面的压力吼为： q c = y - b m ( 2 4 ) 其中m = 口疗啊，栉= d b ，口= ，( 一，妒) ( 图2 - 3 ) ，b 为探头直径。 ( 5 ) d u r g u n o g l u 和m i t c h e l 理论( 1 0 】( 图2 - 4 ) ，假设剪切破坏面由平面剪切 区的直线段和螺旋剪切区的对数螺旋曲线组成，对数螺旋曲线延伸到与垂直线相 切为止，则得半经验公式： g 。= c n c 关+ ，n q 乞 ( 2 5 ) 其中： “1 + ( o 2 + t a n 6 伊) 去 岛2 0 6 + 可铲 一d + 丽鬲五丐 其中n 。、n 。同圆锥半锥角、探头问的摩擦角、土的平均侧压力系数有关 第二章静力触探贯入机理研究发展状况 ( 6 ) m e y e r h o f 理论【l l l ，假设剪切破坏面一直延伸到探头壁上，形成“梨形头”， 对于完全粗糙及半粗糙的圆锥探头导得： 吼= ，b 虬 ( 2 6 ) 式中虬见图2 5 ( 7 ) j a n b u 和s e n n e s t 理论【1 2 】( 图2 6 ) ，假设锥体贯入土中的剪切破坏机理 为局部剪切，建议q 。的公式为： g 。+ 口= 也+ 口) ( 2 7 ) 其中口= c 切n 矿，为有效上覆压力，_ 2 t a n 2 ( 4 5 + 詈j “2 所“，一局部剪 切上界面于水平面夹角。 3 0 。 7 51 5 0 根据探头的最大贯入阻力，选择触探机的贯入推力吨位，并准备保证推力的 反力系统。 由于现场地质条件的限制，我们选择采用手控轻型链式静力探触仪( 图5 - 4 ) 进行触探试验，在整个场地内共设计布置了1 4 5 孔触探点，每孔用单或双桥探头 分工前( 施工开始前) 、工中( 第二遍点夯完成后) 、工后( 普夯完成十五天后) 三次进行触探试验，触探进尺深度为8 l l m 。用全站仪进行监测点设置，确保监 测过程的准确。探头选择尺寸见表( 5 - 3 ) 表5 - 3 选取的探头尺寸 t a b 5 - 3p r o b ed i m e n s i o n s 锥头单桥探头双桥探头 探头直径锥角 截面积a有限侧壁长度摩擦筒侧壁摩擦筒长度 d ( m m )口( o ) ( c 坍2 ) 上( 埘辨) 面积( c m 2 ) l0 m ) l o 3 5 7 6 0 5 7 2 0 01 7 9 广东工业大学工学硕士学位论文 图5 - 4 手摇轻便式静力探触仪 f i g 5 - 4l i g h t - d u t ye q u i p m e n to fc o n ep e n e t r a t i o nt e s t 5 2 2 监测仪器及精度 ( 1 ) 监测点测设仪器：l e i c a 徕卡t c 3 0 7 全站仪；精度 i f s o ( f s 0 一满量程输出) ，否则即为不合格探头同时，还要注意现 场试验的归零误差，现场试验的归零误差应 3 f s o ，它是检验试验质量的重要 指标。 为了计算简便，方便统一，标定曲线的最佳拟合直线采用端点连接法( 以零 载和满载时的输出值连成直线) 探头的标定系数k 按下式计算： k ：三( 5 1 ) 一 广东工业大学工学硕士学位论文 式中：k 一探头的标定系数( 护a m v 或l d ) a f l s ) ； p 一标定直线上一点的荷载( k n ) ； a 一标定锥尖阻力传感器时为锥底面积；标定侧壁摩擦力传感器时为 摩擦筒面积( 1 1 1 _ 2 ) ； e 一与荷载p 对应的输出电压值( m v ) 或应变量( 加) 。 对于各传感器的起始感应量和灵敏度，参见表5 - 4 表5 4 探头传感器的起始感应量和灵敏度 t a b 5 4i n i t i a li n d u c em e a s u r ea n ds e n s i b i l i t yo fs e n s o r s 变 i 级i i 级i i i 级 n 迥嚣 最大贯入阻力最大贯入阻力最大贯入阻力 触探参数2 5 5 0 m p a7 o l2 0 m p a1 2 o 2 0 0 m p a p s ，q c l o _ 2 0 3 0 5 05 0 l o o l | 0 1 o 2o 3 0 5o 5 1 o 甜 25l o 5 2 4 静力触探探头的检查 静力触探探头除对传感器每隔3 5 个月需要进行标定外，应对探头的磨损情 况( 包括锥头、摩擦筒) 、密封圈、绝缘性、弯曲情况进行检查，超过容许标准时， 应清洗或更换，并重新标定 4 s l 。 每次试验前后均应检查归零误差，当归零误差不符合标准规定，应清洗或更 换，并重新标定。 当标定误差超过2 3 ，也应检查原因，清沈或重新标定。 5 3 现场试验操作要点 5 3 1 操作要求 静力触探现场试验操作应遵循以下要求 4 6 1 ： ( 1 ) 将电缆按探杆连接顺序一次穿过探杆，电缆长度不小于下式计算值： 一( ，+ o 1 ) + 7 ( 5 2 ) 第五章工程应用实例 式中：l 一电缆长度( m ) ； 卜每根探杆长度( m ) ； n 一探杆根数。 ( 2 ) 安装触探机和反力系统，要求推力方向尽可能垂直，触探机与反力系统 牢固连接； ( 3 ) 地表浅部( 一般l m 范围、或填土范围、或地下水位以上) 用实心探头 ( 截面积1 5 c m 2 ) 预触一个孔； ( 4 ) 静探探头贯入土中一小段后( 探头进入土体) ，待探头温度与土体温度 一致后，提升探头( 处于不受力状态) ，纪录零读数，或调整零位： ( 5 ) 以匀速2 0 m m s ( 5 m m s ) 把探头压入土中； ( 6 ) 每隔l o 2 0 c m 测记g f 、z ( 或n ) 及u ，深度量测误差要求不大于l ( 计深装置应固定于地面不动点) ； ( 7 ) 终孔后，探头拔出地面后，应纪录归零读数，与触探前的零读数对照， 如不符合要求，应检查原因或重做。 5 3 2 注意事项 在静力触探试验进行过程中，耍注意以下情况【4 6 l ： ( 1 ) 出现推力过大( 遇硬土层) ，地锚上拔或压重上抬，触探设备移位。要 避免这些情况发生，要采取措施减少探杆摩阻力( 在探头以上3 0 c m 后使用扩孔 器、使用泥浆、预钻孔或使用套管等) ； ( 2 ) 探杆在软土层中出现挠曲。对此应限制推力，使用套管或导向管； ( 3 ) 触探孔突然发生偏斜，当触探孔在1 m 内倾角达到1 0 。以上，为防止断 杆事故，应进行孔斜测定( 在探头内设置测斜传感器) 。 5 4 数据整理 5 4 1 静力触探原始数据的修正 静力触探原始数据的修正包括深度修正、归零修正、锥尖阻力和侧壁摩阻力 的孔压修正、触探贯入曲线间歇不连续的修正、孔压消散曲线初始段的修正【4 6 1 。 ( 1 ) 深度修正 广东工业大学工学硕士学位论文 当纪录深度与实际贯入的深度有出入时，可按误差随深度线性分配的方法对 深度进行修正。入在静力触探的同时测量了探头的偏斜角口( 相对铅垂线) ，可考 虑探头偏斜对深度进行修正，深度修正丛为： 她- - 一c o s ( 华 ( 5 3 ) 式中：危一第i 段深度修正值( 每贯入l m 作为一段，量测偏斜角一次) ： q 、q 一一第i 段、第i l 段量测的偏斜角。 到深度h n 处，总的深度修正值为觚，则实际的贯入深度h 为： i - i | i l = j i ；i | 一她 ( 5 4 ) l l l ( 2 ) 归零修正 对各传感器的输出按归零检查的深度间隔以线性内差法加以修正。 ( 3 ) 触探曲线间歇不连续的修正 静力触探每贯入一根探杆( 一般为l m ) 后，在接杆时有一段停止贯入的间歇 时间，继续贯入开始后，自动纪录的触探曲线会出现“尖峰”或“喇叭口”的不 连续现象，应用圆滑曲线修正。 ( 4 ) 孔压消散曲线初始段的修正 孔压消散曲线初始段有时会出现陡降、或先升后降( 当滤水器位于锥头后部) 的现象。可用曲线板拟合后段曲线，然后向前延伸修正初始段曲线 5 4 2 绘制静力触探曲线 ( 1 ) 对于静力触探应绘制： ( a ) p j - h 或吼一_ i l 曲线； ( b ) 正一h 曲线； ( c ) 髟一h ( 髟= ( l q o ) , , 1 0 0 ) 曲线。 根据上述要求，对采集到的静力触探数据进行修正后，分别绘制了吼一h 曲线； z - h 曲线以及彤一h ( 弓= z q c ) 曲线，图5 - 6 图5 - 8 为绘制的典型静力触探测 试曲线4 7 4 8 】。 图5 - 6 ( a ) 吼一h 曲线 f i g 5 - 6 ( a ) r e l a t i o nc u r v eb e t w e e n 碍cw i t hh 图5 - 6 ( b ) 放大后淤泥层q , - h 曲线 f i g 5 6 ( b ) a m p l i f i c a t o r yc u r v eb e t w e e n 吼w i t hhi ns i l t - 4 9 - ：至三些奎兰三耋璧圭兰堡丝耋 图5 - 7 ( a ) z - h 曲线 f i g 5 7 ( a ) r e l a t i o nc u r v eb e t w e e nzw i t hh 图5 - 7 ( b ) 放大后淤泥层z - h 曲线 f i g 5 7 ( b ) a m p l i f i c a t o r yc u r v eb e t w e e nzw i t hhi ns i l t - 5 0 - 图5 - 8 ( a ) 凡一h 曲线 f i g 5 8 ( a ) r e l a t i o nc u r v eb e t w e e n 墨w i t hh 图5 - 8 ( b ) 放大后淤泥层也一h 曲线 f i g 5 - 8 ( b ) a m p l i f i c a t o r yc u r v eb e t w e e n 墨w i t hhi ns i l t 5 1 广东工业大学工学硕士学位论文 5 5 测试结果的影响因素 关于影响静力触探成果及其应用的因素，根据国内外目前的试验研究情况， 有如下问题值得注意【4 6 4 9 5 1 l ： 1 、贯入器的尺寸效应 现有研究成果认为，贯入阻力随探头直径增大而减小的趋势是存在的，但差 值很小。以探头截面积1 0 删2 和2 0 俐2 相比较，截面积增大一倍，贯入一般粘性 土的锥尖阻力叮。减小值不超过1 0 。但是凯利塞( j k e r i s e l ，1 9 6 7 ) 在国= 7 1 ， 吒= o 7 + 0 1 h ( h 深度为m ) 的s a n n a i s i a n 粘土中，用直径为1 0 2 5 c m 沉井实测沉 入土中5 m 深的贯入阻力，并进行了4 5 c m 、妒7 5 c m 及多1 l c m 探头的静力触探。 贯入速率2c m s e c 。结果5 m 深处，1 0 2 5 c m 沉井的以= 1 0 k g a n 2 ：妒4 5 c m 探头 的岱= 3 0 船a n 2 ( 图5 9 ) 。而且凯氏于1 9 5 8 年在各种密实度砂中，实测不同尺寸 的沉井、桩和探头的贯入阻力试验，也突出反映了尺寸效应的影响( 图5 1 0 ) ，、 u o ) 工 v 盯 探头或沉井直径( c n ) 图5 - 9 粘性土中贯入器的尺寸效应 f i g 5 9s i z ee f f e c to fp e n e t r a t i o ne q u i p m e n ti nc l a y e ys o i l 第五章工程应用实例 f o r 氆 蝴 皿 宅 科 中密( 吼= 2 0 0 p a ) 图5 1 0 砂土中贯入器的尺寸效应 f i g 5 10s i z ee f f e c to fp e n e t r a t i o ne q u i p m e n ti ns a n d 因此可以认为，在一般所使用的静力触探中，探头的不同直径对贯入阻力影 响并不显著；但这种影响与土的种类和状态有关，特别是对于临界深度以上的硬 塑粘性土和密实砂土影响较大，对于软粘土及松砂影响并不显著。 2 、临界深度问题 如图5 1 1 所示魏西克( a b v e c i c ，1 9 6 4 ) 的实验资料表明，探头锥尖阻力吼 ( 侧壁摩阻力，：也同) 不会随着贯入深度h 无限增大，而是到了一定深度( 临界 深度) 时，只达到一个限值，这个限值是土的物理力学性质的函数。在探头或其 他贯入器通过不同强度的土层界面时，其贯入阻力都有这种临界深度的反映 关于临界深度的大小，根据比曼( h k s p h b e g e m a n n ) 参考梅耶霍夫理论的 地基破坏模式，当内摩擦角f = 3 0 。的中密砂土，其值为探头直径或桩径d 的8 1 0 倍；当f 值较小时，为d 的6 倍( 图5 1 1 ) 可见临界深度随土的密度和贯入 器( 或基础) 直径增大而增大。 广东工业大学1 = 学硕士学位论文 2 8 0 弓 【 1 0 0 1 2 0 4 0 05 0 06 0 0 7 0 0 8 0 0 蕊 、 i长 气 | i l 野外试验 弋 一 o 、 ( 撕的濉、 。 o 中密砂 j | 登砂 01 02 03 ：4 35 06 2 ：c o ：) 0 5 3 i 0 0 1 5 0 2 d o 己 2 5 0 3 e 3 图5 - i i 砂土探头锥尖阻力吼与贯入深度h 关系 f i g 5 - 1lr e l a t i o nc u r v eb e t w e e n 吼w i t hhi ns a n d 3 、探头的结构形式 一般认为，探头结构形式不同，在软粘土中对静力触探成果影响不大，对硬 塑粘性土及密实砂土则有影响。国外在这方面有争论的是锥尖后应否有一段缩径 问题。多数研究学者主张用无缩径圆柱( f u g r o 型) 探头，因如果锥尖后有一段 缩径，在贯入过程中锥尖会出现空洞，周围土体挤向空洞，使摩擦套筒下端出现 端部阻力，而这种阻力对不同的土是不同的，因而影