工程地质学工程地质原位测试ppt课件.ppt

第七章工程地质原位测试 工程地质学 退出 7 1静力载荷试验 CPT 7 2静力触探试验 DPT 7 3圆锥动力触探 DPT 7 4标准贯入试验 SPT 7 5十字板剪切试验 VST 工程地质原位测试概述 工程地质勘察试验的两大类型 室内试验 现场原位测试 工程地质勘察试验的目的 取得土和岩石的物理力学性质指标及地下水等性质指标 供土木工程师设计时采用 室内试验的不足 1 土样的扰动 2 应力状态的改变 3 饱和状态的砂质粉土和砂土 取不到原状试样 工程地质原位测试概述 原位测试的定义 原位测试 In SituTesting 在岩土体原有的位置上 在保持岩土的天然结构 天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质称为原位测试 原位测试的优点 1 可以测定难于取得不扰动样的有关工程力学性质 2 避免取样过程中应力释放的影响 3 影响范围大 代表性强 4 经济 快速 缩短勘察周期 7 1静力载荷试验 静力载荷试验 在建筑场地 挖至基础埋深的坑底 用承压板逐级施加荷载 测定其沉降量 分析强度 变形特性 求得容许承载力 变形模量等指标 静力载荷试验 堆载平台系统的设备布置 锚桩反力梁系统的设备布置 钢绞线 锚桩 基准梁 千斤顶 承压板 支墩 钢板 工字钢 锚具 反力梁 深圳地铁通道施工组织设计 载荷试验按承压板的形状有平板与螺旋板之分按用途可分一般载荷和桩载荷我们主要讲的是浅层平板静力载荷测试 优点 对地基土不产生扰动 结果最可靠 最具有代表性 可直接用于工程设计 是确定承载力的最主要方法 缺点 价格昂贵 费时 测试设备与方法 一 仪器设备承压板要有足够的刚度 面积一般为1000 5000cm2加荷装置包括压力源 载荷台架或反力构架 加荷方式有重物加荷和油压千斤顶反力加荷沉降观测装置 7 1 1静力载荷试验的装置 静力载荷试验 PLT 7 1 2静载荷试验的基本原理和意义 压密阶段 oa段 荷载小 主要产生压缩变形 荷载与沉降关系接近于直线 土中 f 地基处于弹性平衡状态 局部剪切阶段 ab段 荷载增加 荷载与沉降关系呈曲线 地基中局部产生剪切破坏 出现塑性变形区 破坏阶段 bc段 塑性区扩大 发展成连续滑动面 荷载增加 沉降急剧变化 1 确定地基土的临塑荷载 极限荷载 为评定地基土承载力提供依据2 估算地基土的变形模量 不排水抗剪强度和基床反力系数K 静力载荷试验可用于 7 1 3静力载荷试验的基本技术要求 1 承压板刚性的方形或圆形板 面积0 25 0 5m2 2 试坑宽度 承压板直径3倍3 尽量减少坑底开挖和整平对土层的扰动 试土层为软粘土或饱和松砂时 应预留20 30cm厚的原状土 试验标高低于地下水 要先降水 并在坑底敷设5cm的砂垫层 待水位恢复后再试验 承压板与土层接触处 敷设厚1cm左右的中砂或粗砂层4 慢速维持荷载法加载过程 第一级荷载接近卸去土自重 每级荷载增量取预估1 10 1 8Pu 总荷载接近Pu 荷载的测量精度达到1 沉降量测量精度达到0 01mm 试验点附近应有取土孔提供土工试验指标或其它原位测试指标 试验后应挖取土试验 描述2 0倍承压板宽度内土层结构变化 试验中止条件 7 1 4静力载荷试验资料的应用及其有关问题 确定地基承载力 强度控制法 1 P s曲线有明显直线段 取该直线段终点对应临塑荷载p02 P s曲线无明显直线段 取lgp lgs曲线或p s p曲线上转折点对应压力 相对沉降控制法 承压板面积为0 25 0 50m2 1 对于低压缩性土和砂土 取s b 0 01 0 015对应荷载2 中高压缩性土 取s b 0 02对应荷载为地基承载力特征值 以p s临塑荷载作为地基承载力特征值 根据相对沉降量s b来确定地基承载力 极限荷载法 当比例界限p0和极限承载力pu接近 当比例界限p0和极限承载力pu不接近 Pu的确定 用P s曲线 lgp lgs曲线 p s p曲线的第二转折点对应荷载 取相对沉降s b 0 06相应的荷载 采用外插作图法 地基土不排水抗剪强度Cu 地基土基床反力系数Ks 载荷试验基床反力系数 基准基床反力系数 基床反力系数 确定地基变形模量E0 六 其它类型的载荷试验 一 桩载荷试验 桩静载荷试验 可以确定桩基的承载力 二 水平载荷试验单桩水平载荷试验2 地基土水平载荷试验 7 2静力触探试验 CPT 一 定义静力触探 StaticConePenetrationTest 简称CPT 是借助机械把一定规格的圆锥形探头匀速压入土中 通过测定探头的端阻q 侧壁摩阻力f 来确定土体的物理力学参数 划分土层的一种土体勘测技术 静力触探首先在荷兰研制成功 因此静力触探也叫 荷兰锥 试验 按测量机理分 机械式静力触探和电测式静力触探按探头功能分 单桥静力触探 双桥静力触探 孔压静力触探电测式静力触探的优点 1 测试连续 快速 效率高 功能多 兼具勘探与测试双重作用 2 测试数据精度高 再现性好 3 采用电测技术 便于实现测试工程的自动化 测试成果可由计算机自动处理 减少了工作强度 二 测试设备与种类 设备组成 触探主机和反力装置触探主机可分为液压式和机械式反力装置可分为自重式和锚式测量与记录显示装置探头和探杆 触探主机为液压传动式的 反力装置为自重式 触探主机为液压传动式的 反力装置为地锚式 触探主机为机械传动式的 反力装置为地锚式 探头是静力触探仪的关键部件 分为三种类型 单用 桥 探头 双用 桥 探头 多用 孔压 探头 Ps 比贯入阻力 qc 锥尖阻力 fs 侧壁摩阻力 uw 孔隙水压力 国际标准探头的规格 锥头顶角60 底面积10cm2 侧壁摩擦筒面积150cm2 透水石在锥底 单用 桥 探头双用 桥 探头多用 孔压 探头 二 野外测试的关键步骤 a 布孔位 平整场地b 安装触探机 并调平机座 为使贯入压力保持垂直方向 把机座与反力装置衔接c 将探头 测量电缆 探杆连接起来 并检查测量仪表 并调零d 将连着探杆的探头压入地下 同时记录深度值和测量仪表的数据 注意事项 触探机就位后 应调平机座 并使用水平尺校准 使贯入压力保持竖直方向 并使机座与反力装置衔接 锁定 触探机的贯入速率应控制在1 2cm s 一般为2cm s 使用手摇式触探机时 手把转速应力求均匀 使用记读式仪器时 每贯入0 1m或0 2m时应记录一次读数 遇下列情况时应停止贯入 a 触探主机负荷达到其额定荷载的120 时 b 贯入时探杆出现明显弯曲 c 反力装置失效 d 探头负荷达到额定荷载时 e 记录仪器显示异常 静力触探试验 CPT 7 2 1静力触探试验的主要技术要求 单桥探头 双桥探头 单桥探头 只能测定一个触探指标 比贯入阻力ps 双桥探头 同时测出锥尖阻力qc和侧摩阻力fa 7 2 3静力触探试验的目的和使用条件 适用范围 粘性土 粉土 砂土 试验目的 1 根据贯入阻力曲线的形态特征或数值变化幅度划分土层2 估算地基土层的物理力学参数3 评定地基土的承载力4 选择桩基持力层 估算单桩极限承载力 判定沉桩可能性5 判定场地地震液化势具体方法查阅 地基基础设计规范 岩土工程勘察规程 静力触探技术规则 定义 动力触探测试 DPT dynamicpenetrationtest 是利用一定的锤击动能 将一定规格的探头打入土中 根据打入土的难易程度 可用贯入度 锤击数或探头单位面积动贯入阻力来表示 判定土层性质的一种原位测试的方法 优点 1 设备简单 且坚固耐用 2 操作及测试方法容易 一学就会 3 适用性广 4 快速 经济 能连续测试土层 5 有些动力触探 可同时取样 观察描述 6 经验丰富 使用广泛 7 3圆锥动力触探 DPT 如想取样 需把触探杆拔出 换钻头进行取样 7 3 1动力触探的类型和规格 轻型动力触探10kg 重型动力触探63 5kg 超重型动力触探120kg 相关指标 见教材 页 表 测试设备与测试原理 设备a 探杆 包括导向杆 b 提引器 分内挂式和外挂式两种 c 穿心锤d 锤座 包括钢砧与锤垫 e 探头 测试原理 DPT的基本原理可以用能量平衡法来分析 在一次锤击作用下的功能转换按能量守恒原理 其关系可写成 Em Ek Ec Ef Ep Ee式中 Em 穿心锤下落能量 Ek 锤与触探器碰幢时损失的能量 Ec 触探器弹性变形所消耗的能量 Ef 贯入时用于克服杆侧壁磨阻力所耗能量 Ep 由于土的塑性变形而消耗的能量 Ee 由于土的弹性变形而消耗的能量 三 测试程序与要求 一 轻型动力触探 1 先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0 3m处 然后对土层进行连续触探 2 试验时 穿心锤落距为0 50 0 01m 记录每打入0 30m所需的锤击数 3 如想取样 则需把触探杆拔出 换钻头进行取样 三 重型动力触探 1 试验前将触探架安装平稳 使触探杆保持垂直进行 垂直度的最大偏差不得超过2 2 贯入时应使穿心锤自由落下 地面上的触探杆的高度不宜过高 以免倾斜与摆动太大 3 锤击速率宜为每分钟15 30击 4 及时记录每贯入0 10m所需的锤击数 5 对于一般砂 圆砾和卵石 触探深度不宜超过12 1 m 超过该深度时 需考虑触探杆的侧壁摩阻的影响 6 当贯入0 1m所需锤击数超过50击时 即停止试验 考虑改用超重型 7 3 3动力触探试验的适用范围和目的 适用范围 强风化 全风化的硬质岩 各种软质岩 各类土 目的 1 定性评价 评定场地土层的均匀性 查明土洞 滑动面和软硬土层界面 确定软弱土层或坚硬土层的分布 检验评估地基土加固与改良的效果2 定量评价 确定砂土的孔隙比 相对密实度 粉土和粘性土的状态 土的强度和变形参数 评价天然地基土承载力或单桩承载力 1划分土类或土层剖面锤击数越少 土的颗粒越细 锤击数越多 土的颗粒越粗 动力触探直方图及土层划分 7 3 4动力触探试验成果的应用 2确定地基土承载力和变形模量 粘性土 粉土地基承载力 中型动力触探 建筑地基基础设计规范 可用N10确定地基土承载力标准值 表7 17 铁道部 动力触探技术规程 用N63 5确定地基土承载力基本值 表7 18铁道部第二勘测设计院 用N63 5确定变形模量E0 式7 16中国建筑西南勘察院 用超重型动力触探N120确定成都地区卵石地基参数 确定单桩承载力标准值Rk 建立单桩承载力标准值Rk和N63 5之间的经验关系如 广东省建筑设计研究院提出的经验公式 式7 18式7 19式7 17 砂土密实度 1 砂土密实度砂土密实度是确定砂土承载力和判断砂土液化的主要指标表3 28N63 5与砂土密实度的关系 7 4标准贯入试验 SPT 标准贯入测试 StandardPenetrationTest 简称标贯 SPT 63 5kg的穿心锤自0 76m高处自由下落 撞击锤座 通过探杆将标准贯入器贯入孔底土层中 记录贯入0 30m的锤击数 用来测试土层物理力学参数的一种测试方法 简述 7 4标准贯入试验 SPT 标贯与一般动探的主要区别在于探头不同 7 4标准贯入试验 SPT 7 4 1标准贯入试验设备规格 1 贯入阻力用贯入器贯入土层中30cm的锤击数N63 5表示2 国内统一使用直径42mm的钻杆 国外也有使用直径50mm 60mm的钻杆 7 4标准贯入试验 SPT 为保证标贯试验用的钻孔的质量 应采用回转钻进 7 4 2标贯试验技术要求 钻进方法 钻进至试验标高以上15cm处 7 4标准贯入试验 SPT 预打阶段 先将贯入器打入15cm 如锤击已达50击 贯入度未达15cm 记录实际贯入度 标准贯入试验分2阶段 试验阶段 将贯入器再打入30cm 记录每打入10cm的锤击数 累计打入的锤击数即标贯击数N 当累计击数已达50击 而贯入度未达30cm 应终止试验 按式7 20换算成贯入30cm的锤击数N 7 4 3标准贯入试验的适用范围和目的 适用范围 砂土 粉土 一般粘性土 最适用于N 2 50击的土 目的 1 采取扰动土样 鉴别和描述土类 按颗粒分析结果定名2 根据标贯击数N 利用地区经验 为砂土的密实度和粉土 粘性土的状态 土的强度参数 变形模量 地基承载力等作出评价3 估算单桩极限承载力和判定沉桩的可能性4 判定饱和粉砂 砂质粉土的地震液化可能性及液化等级 7 4 4标准贯入试验成果的应用 1 评定砂土的密实度和相对密度 2 评定粘性土的状态 表7 22 23 3 评定砂土抗剪强度指标 佩克的经验公式 迈耶霍夫的经验公式 日本大崎的经验公式 日本道桥设计规范 日本铁基础设计规范 4 评定粘性土不排水抗剪强度Cu 太沙基和佩克的公式 日本道桥设计规范 5 评定土的变形模量E0和压缩模量ES 表7 24 6 确定地基承载力 表7 25 太沙基经验关系 安全系数取3 对于条形基础 fk 12N kpa 对于独立方形基础fk 15N kpa 日本住宅公团的经验关系 fk 8N kpa 7 估算单桩承载力 表7 25 北京市勘察设计院的经验公式为 8 判定饱和砂土的地震液化问题用标贯锤击数N可以判断浅层饱和粉砂及砂质粉土的地震液化可能性和液化等级 7 5十字板剪切试验 VST 十字板剪切试验 FVST fieldvanesheartest 是用插入软粘土中的十字板头 以一定的速率旋转 测出土的抵抗力矩 然后换算成土的抗剪强度的一种测试方法 简述 1954年开始用 在沿海软土地区广泛使用 十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土层快剪强度的一种简易可靠的原位测试方法 7 5十字板剪切试验 VST 1 不用取样 特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土 可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪 所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠 优点 2 野外测试设备轻便 操作容易 3 测试速度较快 效率高 成果整理简单 7 5十字板剪切试验 VST 其缺点是仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土 适应范围有限 对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用 否则会损伤十字板头 缺点 7 5十字板剪切试验 VST 7 5 1十字板剪切试验的基本技术要求 1 十字板尺寸 常用尺寸为矩形 高径比 H D 为22 对于钻孔十字板剪切试验 十字板插入孔底以下的深度大于5倍钻孔直径 保证能在不扰动土中进行试验3 十字板插入土中到开始扭剪的间歇时间小于5min4 扭剪速率一般为10 20 10s 当扭矩出现峰值或稳定后 要继续测读1min 以便确认5 重塑土的不排水抗剪强度 在峰值或稳定强度出现后 顺剪切方向连续转动6圈后测定6 测定精度达到1 2kpa7 为测定强度随深度的变化 试验点竖向间距应取为1m 或根据静力触探等资料布置试验点 7 5 2十字板剪切试验的基本原理 柱体上下平面的抗剪强度产生的抗扭力矩 柱体侧面剪应力产生的抗扭力矩 7 5 3十字板剪切试验的适用范围和目的 适用范围 适用于灵敏度St 10 固结系数Cv 100m2 年的均质饱和软粘土 目的 1 测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度Cu2 估算软粘土的灵敏度St 7 5 4十字板剪切试验成果的应用 试验成果 Cu随深度变化曲线 即Cu h关系曲线 成果修正 成果应用 1 确定软土地基承载力 2 估算软土的液性指数IL 中国建筑科学研究院 华东电力设计院的经验 约翰逊等的统计 7 7旁压试验 PMT 旁压试验 PMT pressuremetertest 是将圆柱形旁压器竖直放入土中进行原位横向载荷试验 是工程勘察中的一种常用原位测试技术 简述 测试原理 通过旁压器在竖直的孔内加压 使旁压膜膨胀 并由旁压膜将压力传给周围土体 使土体产生变形直至破坏 并通过量测装置测出施加的压力和土体变形之间的关系 然后绘制水平方向上的应力 应变关系曲线 根据这种关系对孔周所测土体的承载力 变形性质等进行评价 优点 可在不同深度上进行测试 所求基本承载力精度高 缺点 受成孔质量影响大 在软土中测试精度不高 分类 根据旁压器进入土中的方法 可分3类 预钻式旁压仪自钻式旁压仪压入式旁压仪 预钻式旁压仪 预钻式旁压仪由4部分组成 1 旁压器2 压力和体积控制箱3 管路系统4 成孔工具等 其中 旁压器 是旁压仪中的最重要部件 由圆形金属骨架和包在其外的橡皮膜组成 分为三个腔 中间为主腔 测试腔 上 下为护腔 适用范围 适用于测定粘性土 粉土 砂土 碎石土 软质岩石和风