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第4章静力触探试验 1 目录 1 概述2 静力触探仪器组成3 静力触探试验原理4 试验方法和技术要求5 静力触探试验资料整理6 静力触探成果的工程应用7 工程实例8 下节课 第5章十字板剪切试验 2 1 概述 静力触探试验 staticconepenetrationtest 简称静探 CPT 是利用静力以一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 适用于 软土 粘性土 粉土 饱和 砂土和含少量碎石的土 3 优点和缺点 优点 1 测试连续 快速 效率高 功能多 兼有勘探与测试的双重作用 2 采用电测技术后 易于实现测试过程的自动化 测试成果可由计算机自动处理 大大减轻了人的工作强度 缺点 1 贯入机理不清 无数理模型 2 对碎石类土和密实砂土难以贯入 也不能直接观测土层 在地质勘探工作中 静力触探常和钻探取样联合运用 4 5 岩土工程中的应用 1 对地基土进行力学分层并判别土的类型 2 确定地基土的参数 强度 模量 状态 应力历史 3 砂土液化可能性 4 浅基承载力 5 单桩竖向承载力等 6 2 静力触探仪器组成 2 1 贯入设备2 2 量测系统2 3 标定系统 7 2 1 贯入设备 静力触探贯入系统由触探主机 贯入装置 和反力装置两大部分组成 触探主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中 触探主机按其贯入方式不同 可以分为间歇贯入式和连续贯入式 按其传动方式的不同 可分为机械式 手摇链条和电动齿轮式 和液压式 按其装配方式不同可分为车装式 拖斗式和落地式等 8 2 量测系统 包括 探头和记录仪器探头 静力触探探头为地层阻力传感器 是静力触探仪的关键部件 探头包括摩擦筒和锥头两部分 按探头功能分 单桥静力触探 双桥静力触探 孔压静力触探记录仪器 国内静力触探量测仪器有数字式电阻应变仪 电子电位差自动记录仪 微电脑数据采集仪 9 探头 1 单桥探头 是我国所特有的一种探头类型 它是将锥头与外套筒连在一起 因而只能测量一个参数 这种探头结构简单 造价低 坚固耐用 但应指出 这种探头功能少 其规格与国际标准也不统一 不便于开展国际交流 其应用受到限制 2 双桥探头 它是一种将锥头与摩擦筒分开 可同时测锥头阻力和侧壁摩擦力两个参数的探头 国内外普遍采用 用途很广 3 孔压探头 它一般是在双用探头基础上再安装一种可测触探时产生的超孔隙水压力装置的探头 孔压探头最少可测三种参数 即锥尖阻力 侧壁摩擦力及孔隙水压力 功能多 用途广 在国外已得到普遍应用 此外 还有可测波速 孔斜 温度及电导率等的多功能探头 10 单桥探头结构示意图1 四心电缆 2 密封圈 3 探头管 4 防水塞 5 外套管 6 导线 7 空心柱 8 电阻片 9 防水盘根 10 顶柱 探头锥直径 L 有效侧壁长度 a 探头锥角 单桥探头 11 双桥探头 12 孔压静力触探探头 除了具有双桥探头所需的各种部件外 还增加了由透水陶粒做成的透水滤器和一个孔压传感器 透水陶粒要求其渗透系数为 1 1士0 1 x10 5cm s 抗渗能力为110士5 kPa 透水滤器的位置可镶嵌于探头的锥尖 锥面或锥尾 一般以对称3 6孔镶嵌于锥面为佳 孔压静力触探探头具有能同时测定锥头阻力 侧壁摩擦阻力和孔隙水压力的装置 同时还能测定探头周围土中孔隙水压力的消散过程 13 14 记录仪器 我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器 因此 与其配套的记录仪器主要有以下4种类型 电阻应变仪 自动记录绘图仪 数字式测力仪 数据采集仪 微机控制 15 3 标定系统 率定的目的是求出测量仪表的读数与荷载之间的关系 率定系数k测力传感器的率定孔压传感器的饱和与率定 16 3 静力触探试验原理 1 静力触探探头的工作原理 2 静力触探试验的贯入机理 3 孔压静力触探的贯入机理 17 1 静力触探探头的工作原理 静探探头大部分都采用电阻应变式测试技术 探头的空心柱体上的应变桥路有两种布置方式 受力后 产生电位差 毫伏计便指出流过的电流的大小 这个电流的大小与空心柱体的受力伸长有关 在实际工作中 把空心柱体的微小应变所输出的微弱电压 通过电缆 传至电阻应变仪中的放大器放大几千倍到几万倍后 就可用普通的指示仪表量测出来 18 2 静力触探试验的贯入机理 静力触探试验的贯入机理是个很复杂的问题 而且影响因素也比较多 因此 目前土力学还不能完善地从理论上解析圆锥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 已有的近似理论分析可分为承载力理论分析 孔穴扩张理论分析和稳定贯入流体理论分析三类 19 3 孔压静力触探的贯入机理 孔压静探探头贯入土体的机理是十分复杂的 探头贯入所产生的超孔压沿水平径向的初始分布 以及停止贯入时超孔压的消散均属于轴对称问题 由于对贯入机理所做的简化假设和所选择的土体模型的不同 可以建立不同的计算公式 1 饱和粘性土中初始超孔压的孔穴扩张理论 2 孔压消散理论 20 4 试验方法和技术要求 在静力触探试验工作之前 应注意搜集场区既有的工程地质资料 根据地质复杂程度及区域稳定性 结合建筑物平面布置 工程性质等条件确定触探孔位 深度 选择使用的探头类型和触探设备 1 静力触探仪的选择 2 试验等级及精度要求 3 孔压探头的脱气处理 4 触探机的位置和高度 5 触探仪的贯入 6 试验的终止 7 孔压消散试验 21 1 静力触探仪的选择 D是最常用的 我们希望一次试验可以得到更多的数据 22 2 试验等级及精度要求 欧洲标准 23 3 孔压探头的脱气处理 孔压系统的饱和 是保证正确量测孔压的关键 如果探头孔压量测系统未饱和 则在量测时会有部分孔隙水压力在传递过程中消耗在压缩空气上 空气压缩后又有一部分水补充进入系统内 这样 就使所测的孔隙压力在数值比比真实值低一些 而且在时间上会产生较大的滞后 如果对此认识不足 或存在侥幸心里 将导致试验失败 1 过滤器的脱气 2 孔压应变腔的抽气和注液 3 孔压探头的组装 4 孔压探头饱和度的保持当地下水埋藏较深时 应使用一个较孔压探头直径大的实心锥头 预贯入至地下水位之下 提出实心探头 孔内注满水 然后换用孔压探头进行触探试验 24 4 触探机的位置和高度 1 应注意用水平尺校准机座2 留意原有钻孔距离对触探测试成果的影响在一般静力触探试验中 应使布置的触探孔距原有钻孔的距离至少2m 如果出于平行试验对比需要 考虑到土层在水平方向的变异性 对比孔间距不宜大于3m 此时 宜先进行静力触探试验 而后进行勘探或其他原位试验 3 防止反力方案不当或对触探阻力估计不足4 探杆平直度的检查 25 5 触探仪的贯入 在进行贯入试验时 如果遇到密实 粗颗粒或含碎石颗粒较多的土层 在试验之前 应该先打预钻孔 预钻孔应该在粗颗粒土的顶层使用 有时也使用套筒来防止孔壁的坍塌 在软土或松散土中 预钻孔应该穿过硬壳层 如果需要用孔压探头量测孔压 那么 该预钻孔的地下水位以上部分应用水充满 探头的贯入速度对贯入阻力有影响 CPT的标准贯入速度为2mm s 其误差极限为士25 己得到国际土工界公认 国外一些专家认为 对于孔压静探试验 这个容许极限速率应该定得更小一些 在孔压静探试验中 触探仪将被以20士5mm s的恒定速度压入土体中 26 6 试验的终止 当遇到以下情况时 静力触探试验的贯入应该终止 要求的贯入长度或深度已经达到 圆锥触探仪的倾斜度已经超过了允许范围 当允许的最大贯入力已经达到 任何对试验设备可能造成损坏的因素都可以使试验被迫终止 27 7 孔压消散试验 1 触探过程中的孔压消散现象触探机工作时 在上 下行程交替过程中 或在加接探杆时 常有一短暂的停顿 在此期间的孔压必会部分或全部消散 其消散速度取决于土的固结系数 即决定于土的渗透性和压缩性 当重新向下贯入时 脱气良好的探头 其孔压值会迅速恢复到前一行程终止时的孔压值 即使在饱和松砂中贯入 其孔压恢复所需的贯入距离一般在10cm以内 如果这个贯入距离超过50cm 则应认为孔压探头已不饱和 应返工重做 2 孔压消散试验孔压消散试验可在地下水位以下任何指定深度进行 试验前 操作者可事先通过钻探资料确定进行孔压消散试验的深度 当探头贯入到指定深度时 就应立即开始孔压消散试验 28 5 静力触探试验资料整理 1 静力触探试验成果的影响因素 2 静力触探资料整理 3 静力触探成果分析 29 1 静力触探试验成果的影响因素 临界深度探头的几何形状和贯入深度孔隙水压力温度的影响关于量测的正确性探孔的偏斜孔压传感器的位置与尺寸 30 2 静力触探资料整理 1 原始数据的修正深度修正零飘修正锥尖阻力的修正侧壁摩擦力修正2 贯入阻力计算3 绘制触探曲线 31 一 贯入数据的处理1 原始数据的整理回零修正触探参数的计算 32 摩阻比FR 探头总锥尖阻力 孔压触探 为修正面积比 一般取0 840 1 导出触探参数的计算 33 孔压参数比用Bq 34 例如 如下表Kq 0 5kPa R Kf 0 02kPa R 35 例如 如下表Kq 0 5kPa R Kf 0 02kPa R 36 例如 如下表Ku 1 0kPa R 37 包括qc H fs H u H FR H等 2 绘制触探参数随深度的变化曲线 静力触探成果曲线及其相应土层划分 38 1 数据整理超孔压的消散速度不仅与土类有关 还与消散时间有关 二 孔压消散数据的处理 设探头率定系数ku 1kPa r umax 读数 ku 39 数据整理超孔压的消散速度不仅与土类有关 还与消散时间有关 设探头率定系数ku 1kPa r umax 读数 ku 40 数据整理超孔压的消散速度不仅与土类有关 还与消散时间有关 设地下水位埋深1 0m 测试点静止水压力40kPa 41 数据整理超孔压的消散速度不仅与土类有关 还与消散时间有关 设地下水位埋深1 0m 测试点静止水压力40kPa 42 孔压消散曲线 2 绘制超孔压随时间的消散过程曲线 43 3 静力触探成果分析 地基土鉴别与分层土的原位状态与应力历史土的强度参数土的变形参数土的渗透性参数 44 45 6 静力触探成果的工程应用 浅基础方面的应用深基础方面的应用地基处理质量控制液化判定 46 一 土层分类 绘制CPT的贯入曲线 qc H fs H u H FR H 根据相近的qc fs u和FR 将触探孔分层 力学分层 并计算各参数的平均值 结合钻探取样 考虑临界深度的影响进一步分层 工程地质分层 并定土名 47 孔压静探贯入曲线特征 48 孔压静探贯入曲线特征 49 模型试验及实测表明 地表厚层均质土的贯入阻力自地表向下是逐渐增大的 当超过一定深度后 阻力才趋近一个常数值 这个土层表面一定深度就称为临界深度 临界深度在砂土中表现明显 在粘土中基本不存在 临界深度 50 孔压静探在划分土层方面精度极高 利用孔压静力触探贯入曲线划分土层孔压探头在区分砂层和粘土层方面精度极高 能区分1 2cm厚的砂土层 图4 6利用孔压静探曲线划分土层 51 钻孔及静力触探孔联合剖面图 广州番禺 52 1 单桥触探法根据Ps Ps大的一般为砂层 Ps小的一般为粘土层 2 双桥触探法在划分土类时 以qc为主 结合fs 或FR 并在同一层内的触探参数值基本相近为原则 不同的土有不同的FR 砂类土FR通常小于或等于1 粘性土FR常大于2 二 土类划分 53 54 采用孔隙水压力参数比来划分土类 常用的孔压参数比用Bq来表示 表达式如下 3 孔压触探法 55 56 三 确定土的物理力学性质指标 1 确定砂土的内摩擦角 自70年代以来 国内不少单位对qc与Ps的关系进行了研究 经验表明 ps qc值大致在1 0 1 5间 每一个换算公式都有其特定的经验性 比贯入阻力 ps qc 6 41fs 57 3 确定不排水抗剪强度Cu 4 确定砂土的相对密实度 58 5 确定土的压缩模量Es和变形模量E0 59 铁路工程地质原位测试规程 压缩模量Es 60 铁路工程地质原位测试规程 变形模量E0 61 6 判别黏性土的塑性状态 62 四 确定地基土的承载力 用静力触探确定地基承载力一般依据的是经验公式 是建立在静力触探与载荷试验的对比关系上 确定的是地基承载力的基本值 需经过深 宽修正 地基土的成因 时代及含水量等对静力触探求地基承载力的经验公式有影响 经验公式有地区性 63 黏性土 64 砂土 粉土 65 铁路工程地质原位测试规程 基本承载力 66 铁路工程地质原位测试规程 极限承载力 67 静力触探机理和桩的作用机理类似 静力触探相当于沉桩的模拟试验 与静力触探相比 桩的表面粗糙 直径大 沉桩对桩周土的扰动大 沉降速度慢 应与桩载荷测试配合使用 互相验证 静力触探法计算单桩极限承载力的基本公式 五 确定单桩承载力 68 六 判断饱和砂土液化的可能性 69 7 工程实例 声学技术的应用在做静力触探试验过程中 探头连着电缆存在很多隐患 不但在处理探杆时耗费时间 而且电缆和连接头容易意外损坏 无缆静力触探系统取代传统的有缆静力触探系统 它使得静力触探试验变得更加方便 安全 高效 而且 使得试验过程中自动加接探杆成为可能 声学技术应用于静力触探试验是目前应用最为广泛的一种无缆静力触探解决方案 其传输距离取决于探杆和土层条件 可以达到20 200m 声学技术所解决的是 不用信号电缆而将测试数据从探头发送到地面 它通过一个微处理器将测量数据转换成音频信号 通过探杆传送到安装在地面的检波器 70 光学技术的应用 光学传感器安装在探杆顶部 照相机安装在触探设备顶部 测试数据通过光学传感器传输给照相机 光学传感器在连接探杆时被安置于探杆顶部 数据采集仪将照相机传输来的数据进行即时数据储存和实时显示 而测试命令通过光学传送器从数据采集仪发送给电子锥 如果是人工加接探杆 数据传输可以中断10s钟而不会丢失数据 71 无线电波技术的应用 无线电波技术的应用 仍然是解决静力触探试验的测试数据无电缆传输的一种解决方案 无线电波在空心探杆内进行传播 从而将探头测试数据传输到地面 与声学无缆静力触探技术相比 应用无线电波无缆静力触探技术 其数据传输量将提高一千倍 这不但可以提高测试采样率和测试分辨率 而且它能实现地震探头SCPT测试数据的无缆传输 或者将探头内置照相机在贯入过程中拍摄的穿透地层的照片实时传输到地面 72 GeorgiaTech SCPTuSounding Real Timereadingsincomputerscreen 73 静力触探连续贯入技术 静力触探试验给岩土工程勘察和原位试验提供了一种有效的方法 但常常丢失软弱薄夹层的信息 而这些薄夹层往往是岩土工程师非常关心的 传统静力触探需要一套活塞将探头压入土层中 然而当活塞每次结束向下行程后向上返回时测试即被中断 一直要等到活塞回复到顶部位置再次向下贯入 这个过程中 整米间隔处的细粒土薄层的数据会因消散效应或者摩阻力的累积而丢失或者受到影响 而解决这一问题的办法 人们想到了连续贯入 要实现连续贯入需要解决的三个技术前提是 无电缆数据传输技术 加接探杆过程中贯入过程不间断 探杆实现自动加接 1 数据传输技术 2 加接探杆过程中贯入过程不间断在向下运动过程中由上部夹具自动夹住探杆 并根据其行程距离的终结而自动释放 并且夹紧功能自动交由下部液压夹具来承担 液压夹具的夹持直径范围是可调的 它可以安装在各种触探车上 3 实现自动加接探杆加接探杆由全自动探杆操作系统自动完成 74 瑞典GEOTECH无电缆静力触探系统 75 76 77 78 荷兰阿姆斯特丹三角海洋咨询公司 CPT技术及装备的研究开发是公司技术开发中最重要的成果 最初的CPT只能在陆上及近海使用 1970年又研发成功了遥控静力海床触探技术和装备 目前已能在水深3000米的海面上进行CPT工作 CPT的测试工艺也在