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第7章工程地质原位测试,一、土体原位测试的概念原位测试（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。土体原位测试：一般指的是在工程地质勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层一种土工勘察技术。,1,二、优点（与室内试验比较）不需经过钻探取样，直接测定岩土力学性质，更能真实反映岩土的天然结构及天然应力状态下的特性。原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构如裂隙等)对土的性质的影响，比土样具代表性。可重复进行验证，缩短试验周期。,2,三、土体原位测试的种类,土体原位测试方法很多，可以归纳为下列两类：(1)土层剖面测试法(loggingorstratigraphicprofilingmethods)：主要包括静力触探、动力触探、扁铲松胀仪试验及波速法等。土层剖面测试法具有可连续进行、快速经济的优点。(2)专门测试法(specifictestmethods)：主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。土的专门测试法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用。其精度超过室内试验的成果。,3,四、土体原位测试的应用根据不同的测试方法其应用可归纳为：（1）、土层土类划分；（2）、求天然地基承载力；（3）、测定土的物理力学性质指标；（4）、在桩基勘察中的应用；（5）、评价砂土和粉土的地震液化；（6）、求解土的固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度等；（7）、检验压实填土的质量及强夯效果；（8）、进行浅基础的沉降计算；（9）、其它。,4,7.1静力载荷试验,一、定义,平板静力载荷试验(PLT:plateloadtest)，简称载荷试验，在保持地基土天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性，是模拟建筑物基础工作条件的一种测试方法。,5,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,6,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,7,二、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,8,（二）试验方法载荷测试一般在方形坑中进行安装设备分级加荷加荷原则：第一级为坑底原有重力，后每级按：中低压缩性土50kPa，高压缩性土25kPa，特软土为10kPa,9,观测每级荷载下的沉降观测时间间隔：加荷开始后，第一个30min内，每10min观测沉降1次；第二个30min内，每15min观测1次；以后每30min进行一次。稳定的标准：连续4次观测的沉降量，每小时累计不大于0.1mm，对于软粘土最好观测24h以上，对于正常固结粘土要8h，对于老粘土、砂土、砾石等要4h。,10,尽可能使最终荷载达到地基土的极限承载力，以评价承载力的安全度。结束试验的标准：当下述情况出现时即可停止实验a)承压板周围的土体出现裂缝或隆起，沉降的很快；b)在荷载不变的情况下，沉降速率加速发展或接近一个常数。压力沉降曲线出现明显拐点；c)总沉降量超过承压板宽度（或直径）的1/10。当需要卸载观测回弹时，每级卸荷量可为加荷量的2倍，历时1h，每隔15min观测一次。荷载完全卸除后，继续观测3h。,11,三、测试数据整理,1.压力沉降量关系曲线P-s曲线的特征：I段直线段II段曲线段III段直线段,12,（1）以压力为依据Ps曲线上的两个特征点比例极限P0(临塑荷载Pcr)：P-s曲线上第一直线段的终点对应的荷载，可以作为砂土、超固结粘土、砾石土的承载力。极限承载力PU：P-s曲线上的第二个拐点对应的荷载,2.地基的承载力可用下述方法确定,13,确定地基的容许承载力RR=PcrR=PU/F，安全系数F=23（2）以相对沉降量为依据对于中、高压缩性土，地基受压破坏形式为局部剪切破坏或冲剪破坏，P-s曲线无明显拐点。这时用P-s曲线上沉降量s与承压板的宽度B之比为0.02所对应的压力为地基容许承载力。对砂土和新近沉积的粘性土则采用s/B=0.01-0.015所对应的压力,14,3计算变形模量E0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。可由P-s曲线的直线变形段，按弹性理论公式求得，下式适用于同一层位的均匀地基。当承压板位于地表时：当承压板位于地表以下时：,15,四、测试精度影响因素,1.承压板的尺寸Bqcqc，fs都随锥底面积的增大而减小；侧壁摩擦筒长度增大时，qc增大，fs减小。探杆外径、摩擦筒与锥底面直径应保持一致锥尖角度60探头形状及尺寸的标准化与科学化对测试成果的应用、交流和对比都有很重要的意义。,49,贯入速率如果贯入速率大于1cm/s以上时，读数受贯入速率的影响就很小了事实上，静力触探的贯入速率一般用2cm/s,50,3.温度影响.温度变化会引起探头内部的电阻应变片长度发生变化，从而使其阻值发生变化，导致测量结果的大误差。产生温度变化的重要原因之一是地面温度与地下温度的不同，特别在夏天与冬天。措施：（1）采用温度补偿或自动温度补偿应变片来补偿温度变化对探头测试数据的影响；（2）防止暴晒与受冻；（3）探头贯入地下约0.5-1.0m，停止贯入5-10min，使探头的温度与地下的温度一致，然后调零。,51,七、测试成果的应用,CPT在土木工程中的应用特别广泛1.土层划分:绘制CPT的贯入曲线（包括qc-H，fs-H，FR-H），然后根据相近的qc、fs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，考虑临界深度进一步分层工程地质分层，并定土名。,52,临界深度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。,53,1：100,54,2.土类划分单桥探头根据Ps，Ps大的一般为砂层，Ps小的一般为粘土层。双桥探头在划分土类时，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。常用的有以下几种方法,55,铁道部TBJ37-93规则法,56,中国地质大学法,57,58,国外法,59,3.确定土的物理力学性质指标CPT可以确定如c,Cu,Dr,Es,sat,等土的物理力学性质指标。表2-13为用静力触探评定砂土的密实度图2-59为砂土的内摩擦角与锥尖阻力的关系图表2-14砂土的内摩擦角确定粘性土的Cu等，自学66-73页,60,4.确定浅基的承载力,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、宽修正用于一般的建筑物地基土的成因、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。,61,表2-24地基基本承载力f0与PS(qc)经验关系式(Mpa).,62,经统计分析，有人提出：式中、为土类修正系数，可参见表2-25,63,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如下：,5.确定单桩的承载力,64,a:国外法,65,b.国内的方法铁路系统法单桩的容许承载力看相关的表2-282-35,66,7.3动力触探,一、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。,67,68,分类：依据为穿心锤的重量和探头类型,69,标贯与一般动探的主要区别在于探头不同,70,圆锥动力触探简称动力触探或动探标准贯入测试(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。每次测试共贯入0.45m，其中仅0.3m记锤击数,71,二、测试设备与测试原理（一）测试设备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,72,73,74,75,76,77,（二）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；,78,考虑在动力触探测试中，只能量测到土的永久变形，故将和弹性有关的变形略去，通过推导可得土的动贯入阻力Rd为：其中：e贯入度（mm），每击贯入的深度；M重锤质量；m触探器质量；A圆锥探头底面积（m2）,79,三、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0.500.02m，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。（4）一般用于触探深度小于4m的土层。（二）中型动力触探（省略）,80,（三）重型动力触探（1）试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直地进行。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12-15m；超过该深度时，需考虑触探杆的侧壁摩阻的影响；（6）每贯入0.1m所需锤击数连续三次超过50击时，即停止试验。,81,四、测试数据处理,1.实测击数的统计分析a.每层实测击数的算术平均值。x-脚标代表锤重。式中，-Nx的平均值；Nx实测锤击数；n参加统计的测点数。对于轻型动力触探为每贯入30cm的锤击数中型、重型为每贯入10cm的锤击数,分别为10，28，63.5，120等,82,b.如果土很硬，完全贯入很难，则：对于标贯有式中，NSPT锤击数；n实际贯入深度的实测击数s实际贯入深度,83,table3-2中型动力触探杆长修正系数,2.击数的杆长修正（对于中、重型动力触探）,重型见表3-3，超重型见表3-4,84,3.绘制Nx-H曲线,85,五、测试精度影响因素,1.动力触探的有效锤击能量有效锤击能量的大小是影响动力触探成果N值的最主要因素。探头的单位动贯入阻力和锤击数成正比关系，因此可以用探头的动贯入阻力作为动力触探的成果，评价土的工程性质。动力触探探头大小、穿心锤重量等差别较大，可以用动贯入阻力将各种动探做归一化处理，即可相互通用。,86,2.测试设备与方法的标准化落锤技术比较关键人力牵引落锤与自动落锤的锤击数之间的关系（参考（3-22）、（3-23）等）：人力牵引的锤击数要小于自动落锤的锤击数。自动落锤的锤击数再现性好，结果可靠。人力牵引落锤的锤击数需修正，建议采用自动落锤技术。,87,3.动力触探设备贯入能力动力触探的设备贯入能力由锤重、落距、探头截面形状等决定。在软土中测试，应采用轻型动力触探，以获得较高的精度。在砾石等土中，应用重型或超重型的动力触探，以获得有效的贯入。不同类型的动力触探适宜于不同土层，轻型不大于10m，重型的为14-25m，超重型的可达40m。,88,4.探杆长度的影响我国建筑地基基础设计规范（GBJ7-89）中规定应对杆长进行修正。,table3-6钻（探）杆长度校正系数表,89,5.钻进方式的影响在标贯试验中，在测试前不能采用冲击钻进，必须采用回转钻进方式。在砂层中钻进应采用泥浆护壁。6.土的深度（土的有效上覆压力）的影响7.探杆偏斜影响,90,六、测试成果的应用,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,91,2.确定地基土承载力,表3-7砂土地基容许承载力（kPa）（标贯法）,表3-8粘性土、粉土地基承载力（中型动力触探）,92,3.确定单桩容许承载力,（1）Meyerhof法,式中：B为桩宽度或直径m，h为桩进入砂层的深度m,（2）日本法,式中：N1为桩端处的N值，N2为桩尖上10B范围内的平均N值,（3）国内法书上126129页,93,利用标贯锤击数确定粘性土稠度及c、值见表3-21至3-24，确定Es见表3-25表3-22N手与稠度状态的关系,4.确定粘性土稠度及c、Es值,94,5.砂土密实度与液化判断（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,95,标准贯入锤击数基准值N0,（2）砂土液化,96,7.5十字板剪切试验,一、定义十字板剪切试验(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。,FVST主要用于测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。它具有下列优点：(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。(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。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。,98,二、测试原理,图中所示为板头侧面的剪切阻力分布,图中所示为在板头上、下面的剪切阻力分布。,99,100,FVST是对压入粘土中的十字板头施加扭矩，使十字板头以一定速率旋转，在土层中形成圆柱形的破坏面，测定土剪切破坏时的最大扭矩，即可得到土的抗剪强度。,101,三、测试设备,压入主机十字板头扭力传感器量测扭力的仪表施加扭力装置其它（探杆等）,四、测试步骤,（一）扭力传感器率定将板头与传感器连接，拧紧后，把板头插入率定仪的规定座内；逐级施加扭矩，并记录仪表的读数，直到传感器的最大容许扭矩；绘制扭矩与读数的关系曲线，确定传感器的率定系数。,（二）现场十字板剪切测试,平整场地，安装机架，并固定把板头压至测试深度卡住钻杆，并调零转动手柄，旋转钻杆，使板头产生扭矩(每10秒使摇柄转动一圈，每转动一圈测记应变读数一次。)测量扭矩直至峰值出现松动钻杆完全扰动测试土体，重复2-5测量扰动土的剪切强度。,104,注意事项：,应先将电缆穿过施加扭力装置的中心孔，然后再穿入探杆；在扭剪前，应读取初始读数或将仪器调零；匀速转动手摇柄，摇柄每转一圈，十字板头旋转一度。测试重塑土时，用扳手或管钳快速将探杆顺时针方向旋转6圈，使十字板头周围的土充分扰动后，立即拧紧钻杆夹具,105,四、测试数据处理,计算土的抗剪强度Cu,表格,106,计算重塑土的抗剪强度Cu/计算土的灵敏度St,表格,表格,107,绘制抗剪强度与转角的关系曲线,绘制抗剪强度与深度的关系曲线,108,五、测试精度影响因素,十字板头的旋转速率1）剪切（旋转）速率越大，抗剪强度越大，应规定一个统一的旋转速率（1/10s）2）对一般粘性土，最大的抗剪强度出现在20-30之间，所用时间为3-5min，属不排水抗剪强度土的各向异性1）在板头范围内，土的非均一性2）天然土层的抗剪强度的非等向性,109,十字板头的规格指十字板头的形状、板厚及轴杆直径板厚及轴杆直径越大，板头插入土中对土的扰动越大，抗剪强度越小75mm150mm，厚3mm，轴径16mm50mm100mm，厚2mm，轴径13mm排水条件测定的结果为土的不排水抗剪强度（=0时的C值），但实际测试中，已有部分排水，所测Cu值偏大，应修正其它,110,六、结果的应用,估算地基容许承载力对于内摩擦角为零的饱和软粘土，可以用下式估算地基容许承载力RR=2Cu+h式中：基础底面以上土的容重；h基础埋深。预估单桩承载力在饱和软粘土中，单桩的极限端阻力qp和极限侧摩阻力qf可由下式计算,工程实例,111,求软粘土灵敏度野外十字板剪切实验是确定软粘土灵敏度的最可靠的方法其它如确定地基土的强度,112,十字板剪切试验记录表,14.0,30.8,65.8,103.6,141.4,151.2,141.4,134.4,124.6,114.8,113,十字板剪切试验记录表,14.0,30.8,65.8,103.6,141.4,151.2,141.4,134.4,124.6,114.8,28.0,35.0,44.8,50.4,49.0,49.0,49.0,49.0,49.0,114,十字板剪切试验记录表,14.0,30.8,65.8,103.6,141.4,151.2,141.4,134.4,124.6,114.8,28.0,35.0,44.8,50.4,49.0,49.0,49.0,49.0,49.0,3.0,115,7.6旁压试验,一、定义旁压测试（PMT:pressuremetertest）是利用钻孔做的原位横向载荷试验，是工程勘察中的一种常用原位测试技术。,116,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。,117,二、旁压测试的仪器设备,分为两类：预钻式旁压仪自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,118,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,119,1、仪器校正（率定）率定旁压仪的目的是为了校正弹性膜和管路系统所引起的压力损失或体积损失。分为旁压器弹性膜约束和旁压器综合变形的率定。,1)弹性膜约束力的率定方法：旁压器竖立于地面，让弹性膜在自由膨胀状态下率定，对弹性膜分级加压，稳定后读取测管水位下降值。绘制P-V(S)曲线。,三、测试步骤和注意事项,120,在压力作用下，连接控制箱和旁压器的管路会膨胀，造成测管中液体的体积损失，所以要进行综合变形的率定。方法：将旁压器放在无缝钢管或有机玻璃管内，使旁压器的横向变形受到约束，分级加压，测量管路变形与压力的关系。求仪器综合变形校正系数,2)仪器综合变形的率定,121,开孔至预定深度以下35cm处把旁压器放入孔中测试分级加压，记录测管中的水位下降值注意加压等级和变形稳定标准终止试验标准为：a.压力达到仪器的最大额定值b.测管水位下降值接近最大容许值（S35cm）,122,注意事项（1）钻孔结束后，应将旁压器尽快放入孔中的预定深度；（2）必须保证旁压器三腔都位于同一土层中，不应该放置在强度差异较大的土层中；（3）注水时，测管的水位绝对不可超过最高刻度线；（4）测试时，不得使用杂质水，应使用蒸溜水或冷开水；（5）不能任意将旁压器裸露放置；（6）将快速接头取下后，应立即套上保护套罩，严防泥沙进入管道中，使仪器损坏；（7）不得任意拆卸调压阀，以防其精度降低；（8）若旁压仪长时间不用，应排尽水箱、管路系统和旁压器的水,123,四、数据处理,绘制弹性膜约束曲线和仪器综合变形曲线数据校正把测试数据Pm,Sm校正为P,S,124,125,例如：,126,127,例如：,128,绘制旁压测试曲线（如图5-23）曲线可以分为三部分：1)第一曲线段2)直线段3)尾段曲线段两个特征点：PL，PfP0（静止土压力）,129,五、测