《原位测试技术》期末考试复习资料

原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 1 1 1 原位测试的定义 原位测试的定义 广义 包括原位检测和原位试验两部分 即指在工程现场 在不破坏 不扰动或少扰动被 测对象或检测对象原有 天然 状态的情况下 通过试验手段测定特定的物理量 进而评 价被测对象的性能和状态 狭义 是岩土工程勘察与地基评价中的重要手段之一 是指利用一定的试验手段在天然状 态 天然应力 天然结构和天然含水量 下 测试岩土的反应或一些特定的物理 力学指 标 进而依据理论分析或经验公式评定岩土的工程性能和状态 2 2 原位测试技术的特点原位测试技术的特点 优点 优点 1 在工程场地进行测试 无需采样 减少了甚至避免了对试样的扰动和取样难 如 淤泥和砂层 的问题 2 原位测试涉及的试样体积比室内试验样品要大得多 因而更能反 映宏观结构 如裂隙 夹层等 对岩土体性质的影响 3 很多土的原位测试技术方法可连 续进行 因而更能反映岩土体剖面及其物理力学性质指标 4 现代的原位测试技术一般具 有快速 经济的优点 如静力触探车 缺点 缺点 1 难于控制测试中的边界条件 如排水条件和应力条件 2 到目前为止 原位测试 技术所测出的数据和岩土体的工程性质之间的关系 仍建立在大量统计的经验关系之上 室内试验的历史较久 经验也比较丰富 其主要优点是 试验时的边界条件和排水条件 都很易控制 试验中的应力路径可事先选定 其主 要缺点是 试验需要取样 样品小 受 扰动 代表性差 有时所测力学指标严重失真 3 3 1 1 原位测试手段的通用性 原位测试手段的通用性 土体原位测试在划分土类方面的通用性 确定岩土体的工程性质方面的通用性 3 23 2 原位测试手段的地基条件适用性和经验公式的地区原位测试手段的地基条件适用性和经验公式的地区适用性适用性 造成地区适用性的原因 1 应用者经验的差别 特别是过渡带土类的划分 有时需要根据实际情况进行判 断 2 不同地区土的形成时代 成因以及经历的自然历史不同 3 土类划分方案也需要一个不断补充新资料而逐渐完善提高的过程 3 33 3 原位测试技术要点的一致性 原位测试技术要点的一致性 4 4 原位测试的主要技术方法 原位测试的主要技术方法 I 载荷试验 用于测定承压板下应力主要影响范围内 岩土的承载能力和变形特性 II 触探试验 包括静力触探 圆锥动力触探和标准贯入试验 通过将一定规格的圆锥型 探头压入或贯入土中 量 测土体对探头的反应 阻力 然后 间接地测定和评价土的工 程力学性能 参数 III 剪切试验 包括十字板剪切试验和直接剪切试验 前者用于测定饱和软粘土的不排水 抗 剪强度和土的灵敏度 后者是用于评定岩土 体本身 岩土体沿软弱结构面和岩土体与 其 他材料接触面的抗剪强度的试验方法 IV 侧胀试验 包括扁铲侧胀和旁压试验试验 通过量测土体在侧向压力作用下一定位移 时 所施加的压力 扁铲侧胀试验 或一定压 力下土体的侧向位移 旁压试验 主要 用 于评定土体的侧向变形性能 如静止侧压力 系数 侧向基床系数等 V 岩体原位应力测试 用于测定岩体原位的空间应力和平面应力 VI 动力参数测试 包括声波及弹性波波速测试和激振法测试 前者通过量测波在岩土体 内的传播速度 进而测求岩土体的弹性参数和动力参数 后者用于测定地基的动力特性 为动力基础设计提供参数 原位测试的目的在于获得有代表性的 能够反映岩土体现场实际状态下的岩土参数 认识 岩土体的空间分布特征和物理力学特性 为岩土工程设计和治理提供工程设计参数 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 2 地基土静力载荷测试 1 地基土静力载荷测试是在保持地基土的天然状态下 模拟建筑物的荷载条件 在一定面 积的承压板上向地基施加竖向荷载 观察研究地基土变形和强度规律的一种原位试验 2 载荷测试按试验深度分为浅层和深层 按承压板形状有平板与螺旋板之分 按用途可分 为一般载荷测试和桩载荷试验 按荷载性质又可分为静力和动力载荷测试 3 平板静力载荷测试简称载荷测试 起源于 30 年代的苏 美等国 是模拟建筑物基础工作 条件的一种测试方法 测试所反映的是承压板以下大约 1 5 2 倍承压板宽的深度内土层的 应力 应变 时间关系的综合性状 载荷测试的主要优点是对地基土不产生扰动 利用其成果确定的地基土承载力最可靠 最具代表性 可直接用于工程设计 其成果还可用于预估建筑物的沉降量 缺点 载荷测试周期长 成本高 因而影响其普遍应用 测试设备 加荷系统 控制荷载大小 反力系统 向承压板施加竖向荷载 承压板 将荷载均匀传至地基土 观测系统 测定承压板在各级荷载下的沉降 承压板承压板有现场砌置和预制两种 一般为加肋厚钢板 或硬木板 对承压板的要求是 要有 足够的刚度 在加荷过程中承压板本身的变形要小 而且其中心和边缘不能产生弯曲和翘 起 其形状一般为方形或圆形 对密实粘性土和砂土 承压板面积一般为 1000 5000cm2 方 形 31 6 31 6cm 圆形 35 7cm 对于含碎石的土 承压板宽度应为最大碎石直径的 10 20 倍 对于不均匀的土层或湿陷性黄土 承压板面积不宜小于 5000cm2 对一般土多 采用 2500 5000cm2 4 加荷系统的加荷方式分为 重物加荷和油压千斤顶反力加荷 加荷系统是指通过承压板 对地基土施加额定荷载的装置 地基土载荷试验加荷方式 常规慢速法常规慢速法 装完毕 即可按等量分级加荷 测试的第一级荷 载 宜接近所卸除土的自重 荷载包含设备的重量 每级荷载增量 一般取预估测试土层 极限压力的 1 8 1 10 当难以预估其极限压力时 对较松软的土 每级荷载增量可采用 10 25kPa 对较坚硬的土 采用 50kPa 对硬土及软质岩石 采用 100kPa 快速法 分级加荷与慢速法相同 但每一级荷载按间隔 15 分钟观察 每级荷载只维持两小 时即可施加下一级荷载 5 沉降相对稳定标准 当连续 2 小时内每小时的沉降量不大于 0 1mm 时 即认为达到相对 稳定 方可施加下一级荷载 6 保持地基土的天然湿度与原状结构 测试之前 应在坑底预留 20 30cm 厚的原土层 待测试将开始时再挖去 并立即放入承压 板 对软粘土或饱和的松散砂软粘土或饱和的松散砂 在承压板周围应预留 20 30cm 厚的原土作为保护层 当试坑底板标高低于地下水位高低于地下水位时 应先将水位降至坑底标高以下 并在坑底铺 设约 5cm 厚 的砂垫层 再放下承压板 待水位恢复后进行试验 7 试验结束条件 当测试出现下列情况之一时 即认为地基土已达极限状态 可终止试验 1 承压板周围的土体出现裂缝或隆起 2 在荷载不变情况下 沉降速率加速发展或接近一常数 压力 沉降 P S 曲线出 现明显拐点 3 在某级荷载下 24 小时沉降速率不能达到稳定 4 总沉降量超过承压板宽度 或直径 的 0 06 倍 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 3 8 地基土载荷试验压力 沉降量关系曲线 掌握 典型的平板载荷测试 P S 曲线有三个阶段 I 压实阶段 压力 P 小于 P0 比例界限 II 剪变阶段 压力大于 P0 小于 Pu 极限压力 III 破坏阶段 压力大于 Pu 曲线特征值的确定 P0 比例界限 Pu 极限压力 9 影响成果精度的主要因素 承压板尺寸 承压板埋深 沉降稳定标准 地基土的均匀性 10 确定地基土承载力特征值 1 拐点法 2 全对数法 3 切线交会法 4 相对沉降法 5 极限 荷载法 6 外插法 7 变形模量转折点法 8 计算方法 11 确定地基土的变形模量 土的变形模量是指土在单轴受力 无侧限情况下的应力与应变之比 由于土是弹塑性体 其变形包括土的弹性变形和塑性变形 故可称之为总变形模量 其值可由载荷试验成果 P S 曲线的直线变形段 按相应理论公式求得 当承压板位于地表时 E0 I0 b 1 2 p s 当承压板位于地表面以下时 E0 I0I1 b 1 2 p s E0 变形模量 MPa P S 分别为 P S 曲线直线段内一点的压力值 kPa 及相应沉降值 mm b 承压板的宽度或直径 m 土的泊松比 其值见表 I0 承压板形状系数 刚性方形板 I0 0 886 2 刚性圆形板 I0 0 785 4 I1为承压板埋深 z 的修正系数 螺旋板载荷测试 1 螺旋板载荷测试 由 N Janbu 1973 挪威 研制成的 在北美和北欧应用广泛 它是将 一个螺旋形的承压板 类似于地锚 借用机械或人力旋入地面以下预定的深度后 通过传 力杆对螺旋形承压板施加荷载 并观测板下地基土受压后的位移 下沉量 从而获得地基 土的荷载 沉降 时间的关系曲线 通过计算可以求得地基土不同深度处的承载力 模量 值 固结系数和软粘土的不排水抗剪强度等设计参数 2 测试方法 应力法 沉降相对稳定法 慢速法 沉降非稳定法 快速法 应变法 等沉降速率法 3 P S 曲线特征值的确定 原位上覆压力 p0 即 P S 曲线初始直线段起点 确定方法是将 P S 曲线上初始直线段延 长 与 P 轴相交 其交点即为 p0值 临塑压力 Pf 当 P S 曲线上有明显的直线段时 一般将初始直线段终点所对应的压力作 为临塑压力 Pf 即比例界限值 极限压力 Pu 将 P S 曲线末端直线段起点所对应的压力定为极限压力 基桩的静力载荷测试 1 验桩和求桩的承载力方法 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 4 直接法 间接法 2 桩静载荷测试 或桩静载荷试验 是目前确定单桩竖向或水平向承载力最可靠方法 也 是其它求单桩承载力的众多方法进行比较的基础 国内外广泛采用 但是 桩的静载荷测 试有下列缺点 设备笨重 庞大 起重 运输 安装工作量大 测试时间长 每根桩的承 载力因桩身质量 长度及桩周土的差别往往有较大的分散性 须用多种方法配合 才能达 到既经济又安全的目的 3 不同规范对试桩数量的要求 建筑地基基础设计规范 单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定 在同一条件下的试桩数量 不宜 少于总桩数的 1 且不应少于 根 建筑桩基检测技术规范 检测数量在同一条件下不应少于 3 根 且不宜少于总桩数的 1 当工程桩总数在 50 根以 内时 不应少于 2 根 港口工程桩基规范 工程桩总桩数在 500 根以下 试桩不少于 2 根 每增加 500 根增加 1 根试桩 如地质条件 复杂 桩型较多或其它原因 也可按地区经验酌情调整 基桩的静力测试分类 单桩竖向抗压静载荷试验 单桩竖向抗拔静载荷试验 单桩水平静载 荷试验 桩承载力自平衡测试法 4 试桩休止期 测试的开始时间 预制桩 砂土 需 7 天后进行 粉土 10 天 粘性土 一般不得少于 15 天 饱和软粘土 不得少于 25 天 灌注桩 应在桩身混凝土达到设计强度后才能进行 5 加载方式 慢速法 快速法 等贯入速率法 CRP 循环加载卸载试验法 慢速法 加压后 按 5 10 15 30 45 60 90 120min 观测 以每小时桩的沉降量 小于 0 1mm 为沉降稳定标准 并要求连续出现两次 出现下列情况之一 可终止加载 1 某级荷载作用下 桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的 5 倍 2 某级荷载作用下 桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的 2 倍 且经过 24h 尚未 达到相对稳定 3 已达反力装置的最大加载量 5 实验设备 6 终止加荷条件 7 实验成果整理方法 8 沉降稳定标准 桩承载力自平衡测试技术 1 自平衡试桩法是接近于竖向抗压 拔 桩实际工作条件的一种试验方法 可确定单桩竖 向抗压 拔 极限承载力和桩周土层的极限侧摩阻力 桩端土极限端阻力 2 自平衡测桩法的优点 1 装置简单 不占用场地 不需运入数百吨或数千吨物料 不需构筑笨重的反力架 2 利用桩的侧阻与端阻互为反力 直接测得桩侧阻力与端阻力 3 试桩准备工作省时省力 4 试验费用较省 与传统方法相比可节省试验费约 30 40 具体比例视桩与地质条 件而定 5 在水上试桩 坡地试桩 基坑底试桩 狭窄场地试桩 斜桩 嵌岩桩 抗拔桩等情况 下 该法更显示其优越性 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 5 3 测试设备 荷载箱 特制的油压千斤顶 荷载与位移的量测仪表 油压表和百分表或位移计 向上 向下 油压需标定 4 试验方法 采用慢速维持荷载法 也可采用快速维持荷载法 加载等级 位移观测以及相对稳定标准与基桩静载抗拔测试相同 终止加载条件 卸载与卸载位移观测 5 资料整理 确定单桩竖向极限承载力 一般应绘制 Q S 上 Q S 下 S 上 lgt S 下 lgt S 上 lgQ S 下 lgQ 曲线 当进行桩身应力 应变测定时 应整理出有关数据的记录表和绘制桩身轴力分 布 侧阻力 分布 桩端阻力 荷载 桩端阻力 沉降关系等曲线 6 等贯入速率法 CRP 于 1961 年提出 并已列入美国 英国 瑞典和挪威等国的规范 该方法的特点 试验时 保持桩顶等速率贯入土中而连续施加荷载 按荷载 贯入曲线确 定 极限荷载 瑞典规范规定贯入速率为 0 5mm min 总贯入量为 60mm 以上 美国 ASTM D1133 74 标准规定贯入速率在粘土中为 0 25 1 25 mm min 砂土中为 0 75 2 50 mm min 总贯 入深度至少等于平均桩径或方桩对角线尺寸的 15 静力触探测试 1 静力触探测试是利用准静力以恒定的贯入速度将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列 探杆压入土中 同时测记贯入过程中探头所 受到的阻力 根据测得的贯入阻力大小来间接 判断土的物理力学性质并进行分层的现场试验方法 2 电测式静力触探的优缺点 测试连续 快速 效率高 功能多 兼有勘探与测试的双重作用 测试数据精度高 再现性好 重复性误差可以控制在 5 以内 采用电测技术 便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 适用土类较广 可用于软土 粘性土 粉土 砂类土和含有少量碎石的土层 缺点是对碎石类土和密实砂土等难以贯入 另外与钻探相比不能直接观测土层 3 探头的标准外形为圆柱体 底端为圆锥体 锥尖角 600 顶端与探杆连接 主要有单用 桥 探头 双用 桥 探头和多用 桥 探头 单用 桥 探头只能测量一个参数 比贯入阻力 ps 双用 桥 探头 是一种将锥头与摩擦筒分开 可同时测锥尖阻力 qc 和侧壁摩阻力 fs 两 个参数的探头 多用 桥 探头 是在双用探头基础上 再安装一种可以测量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 qc 侧壁摩阻力 fs 及孔隙水压力 u 静力触探的仪器设备 一般由三部分构成 1 静力触探头 地层阻力传感器 2 量测记录仪表 测量与记录 探头所受各种阻力 3 贯入系统 包括触探主机与反力装置 负责将探头压入土中 4 反力装置的作用是平衡贯入阻力对贯入装置的反作用 一般有地锚反力和自重反力两种 5 孔压量测系统的排气和饱和 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 6 孔压量测系统主要包括 滤水器 传压空腔 在每次试验前 均应分别进行排气饱和 并 在 脱气水中组装 滤水器可在室内或真空下浸没在一定的液体中 并在超声的振荡下约 3h 达到排气饱和的 目的 使用的液体可以是脱气水 硅油 甘油 等 滤水器饱和后应浸没在液体中 并保证 在 试验前一直处于饱和状态 应用特制的抽气 注液手泵对传压空腔抽气 并注入脱气水 硅油 甘油等 6 探头的率定方法 固定桥压法 固定仪器的供桥电压 率定施加于探头的荷载与仪表输出值之间的对应关系 此方法适用于电阻应变仪 数字显示仪及带电压表的自记式仪器 固定系数法 先令定探头的率定系数为某一整数值 称令定系数 率定探头在该令定系数 对应于所施加的荷载时仪器所需要的供桥电压值 此法适用于桥压连续可调的自动记录绘 图仪 7 影响成果精度的主要因素 1 探头和探杆的规格 2 贯入速率 3 孔压探头的饱和问题 4 温度的影响 5 滤水器位置的影 响 成果图的应用 读图 根据侧壁摩阻力 锥尖阻力 孔隙水压力 摩阻比划分土层大致 划分砂土 粉土 粘土 淤泥 土层判别 8 地表厚层均质土的贯入阻力自地面向下是逐渐增大的 当超过一定深度后 阻 值才趋近 于常数值 则将该深度称为临界深度临界深度 Hcr Hcr 9 层面影响段研究发现 探头前后一定范围内的土层性质均对触探参数值有影响 也就是 说 各参数是探头上下一定厚度土层的综合贯入阻力值 如下层土硬 阻值随探头贯入深度增大而继续增大 如下层土软 则变小 这一变化段称 为 层面影响段 过渡带 层面影响段又可以分为超前段和滞后段 每一层的阻值曲线都 有超前段 近似常数段及滞后段 10 应用静力触探法计算单桩极限承载力的基本公式 关于静力触探法求单桩承载力的讨论 有效性 计算公式参数取值的问题 桩侧负摩擦力的问题 对软粘土 取其不排水剪切强度 对硬粘土 取其排水剪切强度的 70 圆锥动力触探测试 1 动力触探测试 是利用一定质量的落锤 以一定高度的自由落距 一定的锤 击动能 将 标准规格的圆锥形探头打 入土中 根据探头贯入的难易程度 可 用贯入一定深度的锤击 数 贯入度或探头单位面积动贯阻力来表示 来判定土的性质 并对土进行力学分层的一 种原 位测试方法 2 动力触探的优点 设备简单 且坚固耐用 操作及测试方法容易 适应性广 快速 经济 能连续测试土层 具有钻探与测试的双重功能 部分类型 DPT 同时还可取样 应用历史悠久 积累的经验丰富 3 常用动力触探类型及规格 轻型 锤重 10kg 落距 50cm 锥角 60 直径 40mm 触探指标贯入 30cm 锤击数 N10 适 用于一般粘性土及素填土 特别是适用于软土 中型 锤重 10kg 落距 80cm 锥角 60 直径 62mm 触探指标贯入 10cm 锤击数 N28 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 7 重型 锤重 63 5kg 落距 50cm 锥角 60 直径 74mm 触探指标贯入 10cm 锤击数 N63 5 适用于砂土及砾砂土 标贯 是一种特殊的重型因为探头是空心圆柱形 锤重 63 5kg 落 距 76cm 对开管式贯入器 外径为 51mm 内径为 35mm 长 700mm 刃角 18 20 度触 探 指标贯入 30cm 锤击数 N 国际通用 简称 SPT 超重型 锤重 120kg 落距 50cm 锥角 60 直径 40mm 触探指标贯入 30cm 锤击数 N10 适用于卵石 砾石类土 4 标准贯入测试 Standard Penetration Test 简称标贯 SPT 它是利用一定的锤击 能量 锤重 63 5kg 落距 76cm 将一定规格的对开管式贯入器打入钻孔孔底的土中 根据 打入过程中 贯入阻力的大小 判断土层的变化情况和土的工程性质 贯入阻力的大小用贯 入土中 30cm 的锤击数 N 来表示 标准贯入试验设备主要由贯入器 触探杆 钻杆 和穿心锤三部分组成 5 标贯是动力触探测试方法的一种 其设备规格和测试程序在世界上已趋于同一 与圆锥动力触探的区别主要有两点 一是探头的不同 标贯探头不是圆锥形 而是空心圆柱形 即常称的标准贯入器 二是测试方法上的不同 标贯是间断贯入 每次测试只能按要求贯入 0 45m 只计贯入 0 30m 的锤击数 N 6 动力触探设备贯入能力由锤重 落距 探头截面积及形状等因素决定 7 划分工程地质剖面确定土类 根据动探击数和动探曲线 可以划分土层剖面 根据触探曲线形状 将 锤击数相近段划为 一层 并根据每层土触探 击数的平均值 确定土的名称 动力触探曲线和静力触探曲线一样 有超前段 常数段和滞后段 由动力触探击数进行土类划分的主要依据 土的颗粒越细 锤击数越小 颗粒越粗 锤击 数越大 在某一地区进行多年的勘测实践后 可以建立当地土类与锤击数的关系 与其它方法同时 使用 精度会进一步提高 8 地基土的液化判别 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 中规定 当初步判别认为场地有液化的可能 需 进一步作液化判别时 应采用标准贯入试验判别法判别地面下 15m 范围内土的液化 当采 用桩基或埋深大于 5m 的深基础时 还需要判别 15 20m 范围内砂土和粉土的液化可能性 当饱和砂土与饱和粉土的标贯锤击数实测值 无需杆长修正 N 小于液化判别标准贯入锤 击数 Ncr 时 应判为液化土 十字板剪切测试 1 十字板剪切测试是野外十字板剪切测试的简称 国际上简称 FVST Field Vane Shear Test 它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 2 十字板剪切测试的优缺点 1 原位测试 不用取样 特别是对难以取样的高灵敏度的粘性土 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它方法都可靠 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 缺点是仅适用于江 河 湖 海沿岸地带的软土 对硬塑粘土和含有砾石 杂物的土不宜 采用 适用范围有限 原位测试技术 2012 年 1 月 6 日 9 点 30 浦 306 2009040400044 徐爱 华 8 3 十字板剪切仪的类别 电测式十字板剪切仪 开口钢环式十字板剪切仪 轻便式十字板剪切仪 4 影响测试精度的主要因素 1 十字板头的旋转速率 2 土的各向异性 3 十字板头规格等 4 排水条件 旁压测试 1 旁压测试是一种常用的原位测试技术 实质上是一种利用钻孔 做的原位横向载荷试验 其原理是通过旁压器在竖直的孔内加压 使旁压膜膨胀 并由旁 压膜 或护套 将压力传结 周围土体 或软岩 使土体 或软岩 产生变形直至破坏 并通过量测装置测出施加的压力 和土变形之间的关系 然后绘制力 变形 或钻孔体积增量 或径向位移 关系曲线 根据 这种关系对孔周所测土体 或软岩 的承载力 变形性质等进行评价 2 旁压测试