原位测试技术在工程勘察中的应用资料

1、原位测试技术在工程勘察中的应用作者指导教师摘要 静力触探试验（CPT）作为一种原位测试技术。尤其适用于工程勘察应用中。具有精度高、速度快。检层能力强等优点。本文是对静力触探试验及动力触探等试验， 分析各种方法的基本原理、适用性、所用仪器设备、试验要点、影响因素、成果应用及 资料整理等技术问题。 在此对原位测试中的静力触探作详细分析以及在分析过程中出现 的一些问题的处理等关键词： 静力触探 孔压静力触探 锥尖阻力 侧壁摩阻力 孔隙水压力目录引言 11 静力触探试验 11.1 静力触探试验的特点和仪器设备 3.1.2静力触探量测记录仪器与孔隙水压（CPTU）探头的使用 51.3 静力触探试验要点和

2、试验成果整理 6.1.4 静力触探试验成果应用 8.2 工程实例 102.1 工程概况 1.0.2.2南广线静力触探土层划分的关键问题 1.12.3 曲线异常常见形式与防治措施 1.23 动力触探试验 143.1 动力触探的特点和种类 1.4.3.2圆锥动力触探试验整理及成果应用 1.5结论 16致谢 16参考文献 16引言土体原位测试一般是指在岩土工程勘察现场，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的一种土工 勘测技术。它是一项自成体系的试验科学，在岩土工程勘察中占有重要地位。这是 因为它与钻探、取样、室内试验的传统方法比较起来，具有下列

3、明显优点：（1）可在拟建工程场地进行测试，毋需取样，避免了因钻探取样所带来的一系 列困难和问题，如原状土扰动问题等。（2）原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大的多，因而更能反映土的宏 观结构（如裂隙等）对土的性质的影响。以上两条优点就决定了土体原位测试所提供的土的物理力学性质指标更有代 表性，更具可靠性。此外，大部分土体原位测试技术具有快速、经济、可续行进行 等优点。土体原位测试技术的发展历史较短， 对测试机理及应用的研究都有待于进一步 的深入。由于现场土体边界条件不易控制及其复杂性，使所测成果和数据与土的工 程性质指标等对比时，目前仍主要是建立在大量统计的经验关系之上，但这并没有 妨碍它

4、在工程勘察试验中的应用。它的优点大于其缺点。1静力触探试验静力触探试验适用于软土、一般粘性土、粉土、砂土和含少量碎石的土。1.1静力触探试验的特点和仪器设备1静力触探试验的特点静力触探试验（英文缩写 CPT），是把具有一定规格的圆锥形探头借助机械匀 速压入土中，以测定探头阻力等参数的一种原位测试方法。它分为机械式和电测试 两种。机械式采用压力表测量贯日阻力，电测试则采用传感器和电子测试仪表测量 贯入阻力。我国采用的是电测试。1964年我国首先研制成功电测试单桥静力触探， 1971年荷兰研制成功电测试双桥静力触探，70年代末国外又研制成功电测孔压式 静力触探（英文代号 CPTU ）。电测静力触探

5、是应用最广的一种原位测试技术，这 与它明显的优点有关：a兼有勘探与测试双重作用；b测试数据精度高，再现性好, 且测试快速、连续、效率高、功能多；c采用电子技术，便于实现测试过程自动化。2静力触探试验仪器设备静力触探试验仪器设备主要由以下几部分组成：（1）触探主机和反力装置触探主机按传动不同可分为机械式和液压式。液压式贯入力大；而机械式贯入 力一般小于5t,比较轻便，便于人工搬运。液压式一般用车装，如静力触探车贯入 力一般大于10t，贯入深度大、效率高、劳动强度低，适用于交通方便的地区。反力装置的作用是固定触探主机，提供探头在贯入过程中所需之反力，一般是 利用车辆自重或地锚作为反力装置。（2）测

6、量与记录显示装置测量与记录显示装置一般可分为两种，电阻应变仪（或数字测力仪）和计算机 装置，以用来记录测试数据。前者间断侧记、人工绘图，后者可连续侧记，计算机 绘图和数据处理。（3）探头探头是静力触探仪器量贯入阻力的关键部件，有严格规格与质量要求。一般分圆锥形的端部和其后的圆柱形摩擦筒两部分。 目前国内外使用的探头可分为三种形式。7_p.单用（桥）探头双用（桥）探头多用（孔压）探头1）单桥探头：是我国特有的一种探头型式，只能测量一个参数，即比贯入阻力Ps,分辨率（精度）较低2） 双桥探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可以同时测量锥头阻力qc和侧 壁摩阻力fs两个参数的探头，分辨率较高。3）多孔

7、探头：它一般是将双用探头再安装一种可测触探时所产生的超孔隙水 压力装置一一透水滤器和孔隙水压力传感器，分辨率最高，在地下水位较浅地区应 优先采用。（4）探杆探杆是将机械力传递给探头以使探头贯入的装置。它有两种规格，即探杆直径 与锥头底面直径相同（同径）与小于锥头底面直径两种，每根探杆长度为cm o1.2静力触探量测记录仪器与孔隙水压（CPTU ）探头的使用1电阻应变量测仪直显式静力触探记录仪，所测得的应变量由数字显示。该类型的仪器采用浮地 测量桥、选通式解调、双积分 A/D转换等措施，具有仪器精度高，稳定性好，操作 简单、携带方便等优点。2静探微机静探微机主要由主机、交流适配器、接线盒、深度控

8、制器等组成。外接探头后， 在现场试验中记录完全由微型计算机控制，仪器本身不会出现超前、滞后现象，分 辨率高达二万分之一，测量精度远远超过应变仪及自动记录仪。现场测量时，液晶 屏可同时显示深度值，A、B二通道测量值，时间采样计数值以及提示超量程报警， 从显示屏上可方便且准确地监测现场测量情况。静探微机能采用人机合一的方法整理资料，能自动计算静力触探分层力学参数、单桩承载力，提供Qc、Fc、Es等地基参数，并可送入磁盘永久保存，还可以打印下述资料：1）率定记录表和曲线；2）静力触探记录表；3） h-QC、h- Fc、h-FC曲线图；4）静力触探单孔柱状剖面图及图例表；5）时间采样数据记录表；6）

9、静力触探指标汇总表。3自动记录仪是由通用电子电位差计改装而成，它能随深度自动记录土层贯入阻力的变化情 况，并以曲线的方式自动绘在记录纸上。4孔隙水压探头的使用CPTU的饱和处理时该项技术应用至关重要的技术环节。它的饱和过程包括下 面几个内容。1） 过滤器的脱节带过滤片的探头椎体成为过滤器，过滤片是传递孔隙水压 力的透水元件。通常可用真空泵或煮沸 24h,使之达到饱和并储存于脱气液体中。2） 孔压应变腔的抽泣和注液孔隙水压力探头使用前，应用特制的抽气一注液手泵对孔压应变腔抽气并注入脱气水或其他经脱气处理的硅油或甘油。在抽气一注液的同时，用手拍击探头，有利气体排出，还要注意孔压应变腔内部的清洁、无

10、 污垢。3） 孔压（孔隙水压）的探头的组装过滤器与孔压应变腔的组装都应当在 脱气液体中进行。要防止过滤器直接暴露在空气中。4） 孔隙水压探头饱和状态的保持为了保持孔隙水压探头的饱和状态，应 使用一个大小合适、质量可靠的橡胶或塑料套膜套住过滤器，以隔离外界的空气。5） 孔隙水压力消散及相关问题静力触探工作在上、下形成交替过程中， 在接长探杆是会有短暂的停顿，在这些过程中，孔隙水压力会部分甚至全部消散。 其消散四度取决于土的固结系数，即土的空隙比、土的渗透系数与土的压缩特性。1.3静力触探试验要点和试验成果整理1静力触探试验要点（1）率定探头，求出地层阻力和仪表读数之间的关系，以得到探头率定系数，

11、 一般在室内进行。新探头或使用一个月后的探头都应及时进行率定。（2）现场测试前应先平整场地，放平压入主机，以便使探头与底面垂直；下 好地锚，以便固定压入主机。（3）将电缆线穿入探杆，接通电路，调整好仪器。（4）边贯入，边测记，贯入速率控制在 12cm/s.此外，孔压触探还可进行超 孔隙水压力消散试验，即在某一土层停止触探，记录触探时所产生的超孔隙水压力 随时间变化（减小）情况，以求得土层固定系数等。注：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。图表1.3.1静力触探贯入速率对其测试成果影响的关系曲线2静力触探试验成果整理（1

12、）对原始数据进行检查与校正，如深度和零飘校正。（2） 按下列公式分别计算比贯入阻力Ps，锥尖阻力qc，侧壁阻力fs，摩阻比fr及孔隙水压力UPsKPqcQcAPfFSKf f100%U ku uqc以上各式中：Kp、Kc、KuKf分别为单桥探头、双桥探头、孔压探头的锥头的有关传感器及摩擦筒的率定系数；p、 c、 u、 F为相对应的应变量。（3）分别绘制触探参数随深度的变化曲线JVRKJI ClW kPi；軌（uw tiI 100 IM *0 ,亂AKAHJI_j图表1.3.2静力触探成果曲线及其相应土层剖面1.4静力触探试验成果应用1划分土层及土类判别根据静力触探资料划分土层应按以下步骤：（1

13、）将静力触探探头阻力与深度曲线分段；（2）按临界深度等概念准确判定各层界面深度；（3）经过上述两步骤后，再将每一层土的探头阻力等参数分别进行算术平均, 其平均只可用来定土层名称，还可用多孔静力触探曲线求场地土层剖面。2求土层的工程性质指标(1) 判断土的潮湿程度及重力密度含水量：w 1000.2W Ps 6.9 ( MPa)J6.21In ps 9.943液性指数：lL (0.9 0.18In Ps)40.2 Ps 6.9 ( MPa)(2) 饱和土重力密度 satsat .4.4561n Ps 12.241（3）土的抗剪强度参数粘性土：arctanQ.0069；0.1023式中： 一摩擦角（

14、度）；锥尖阻力，400 qc 8200 （ kPa）c ajf b 式中：c 粘聚力（kPa） ； fs 侧壁摩阻 力（kPa ）; a、b 系数，与土类有关Cu Kps 式中：Cu 粘性土不排水抗剪强度（kPa）;K 系数，K 0.0450.060（4）求地基土基本承载力f。0.1 Ps 0.032a 式中： 和 一土类修正系数（5）用孔压触探求饱和土层固结系数及渗透系数a求土层固结系数。土层固结系数是估算地基沉降与时间关系的重要参数，是软土地基处理与计算中不可缺少的土的物理力学性质指标。由于难以取得高质量的非扰动土的软土样以及受其他许多因素的影响，用室内试验固结系数难以取得满意的成果。用可

15、测孔隙水压力的静力触探仪求土层固结系数，必须先作超孔隙水压力Tr2消散试验，然后土层固结系数可由下式得出：Ch 丄式中：Ch 土层水t平方向固结系数（cm2/h ）; T时间因素；r。一透水滤器半径（cm）; t超孔隙水 压力达到某消散度所需时间，一般选用消散度达50%时的时间。K土层垂直方向的固结系数Cv,可按下式求出：Cv Ch式中：KvK h和Kh 分别为土的垂向渗透系数和水平向渗透系数。b 土的渗透系数：根据土的固结系数还可估算土的渗透系数K :K h ?RR?Ch 式中：w 水的重力密度（kN /m3）；v 有效上覆2.3 乂0压力（kPa）; RR土的再压缩系数。3在桩基勘察中的应

16、用用静力触探可以确定桩端持力层及单桩承载力，这是由于静力触探机理与沉桩相似。双桥静力触探远比单桥静力触探精度高，在桩基勘察中应优先采用。（1）确定单桩承载力nqp qd qf a?qc?A Up si 心i 1式中：qp单桩轴向极限承载力（kN）； qc 桩端附近平均锥尖阻力（kPa）； A 桩端截面积平均值（m2）； Up 桩身截面周长（m）;si 第i层土 fs平均值（kPa）；Isi 桩身在第i层土中的长度（m）； a 桩端阻力修正系数；si fsi的修正系数；n沿桩侧所分的土层数。（2）确定桩端持力层层位、厚度、埋深从静力触探曲线上可容易地找出锥尖阻力较高的层位，根据阻值大小和桩基设计

17、要求，可确定桩端持力层，进一步确定桩长及桩截面尺寸、单桩数量等，效果甚 好。2工程实例2.1工程概况南广铁路设计走向为沿珠江水道的西江一东江方向，从南宁出发利用柳南城际线接轨，经黎塘、贵港、桂平、梧州、肇庆、佛山等站点，最终到达广州，全线运 营长度约560 km，其中广西境内368 km。铁路将按双线电气化标准建设，设计时 速达200 km，预留250 km/h时速，工程预计总投资295亿元，项目建成约需4 年半。本次静力触探点主要分布在南广线凤凰特大桥段内及周边。 凤凰特大桥西起北 岭山，经九坑水库大坝下游约 200 m,跨三茂线、国道321、长利涌河道及进港公 路，东至广利镇。沿线跨越32

18、1国道及众多县道和村镇，沟渠、池塘众多，地形地貌复杂多变2.2南广线静力触探土层划分的关键问题1地层总体情况概述通过对该标段内250余个静力触探孔的静探数据统计分析，并对照各静力触探点周边最近的钻探孔，总结出各层土对应的P值如表1所示土层名称P* 范SI/HPaPj髙强值fMPk巳平均值/MP&人工填土LO-8.0L5-4.02.62粗角砾土3.0- 15.07.0- 13.09.85粉质昴土（曲* pl）2.0-8.02.0-5,03.39淤泥0.2 -0 80.3 -0.60.46细中砂4.0-15.06.0- 13,010.68粉质黏土16.0-32.020.0 - 28.026图表2.

19、2.1静力触探|P值土层划分统计表2根据JP值的土层划分方法与原则静探分层主要是力学分层，在很大程度上依据经验。分层时，应首先考虑触探 曲线形态变化的趋势，再结合本地区地层情况进行分层。分层详细程度以满足工程 要求为准，一般持力层附近应划分的细些，其他可粗些。总体来看，分层不能太细, 否则不利于工程地质技术人员使用（见表2）。实测Pt范圈值/MP白变动幅度WPh匕宅10(1-3)10 f, 30(5-10)图表2.2.2 土层划分参照的P。变动幅度2各类土层的静探曲线特征对南广线高速铁路该标段内的静力触探曲线进行总结分析，得出各层土的P曲 线有如下特征:1）素（杂）填土（或人工填土）：线性复杂

20、。成奇特尖刀状，曲线变化无明显的规律性，往往出现突变现象，由于其位于表层，较好判断见（图表2.2.1a）2）淤泥或淤泥质土： P值普遍很小，曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏或近似直线下行。局部略有向右突峰，原因推测是含有植物根系等夹杂物（图2.2.1a）。3）粉质黏土+p1）: Pt值在25 MPa之间缓慢波动，圆滑的连续曲线呈粗钝齿状，总体曲线比较平缓，局部略有向右突峰（见图2.2.1b）。4）细中砂： 值较大峰，曲线大部呈密集的细尖锐锯齿状，局部呈不规则的、 残破的大锯齿状（图2.2.1b）。5）粉质黏土 （e1）: P值较大，曲线呈大钝锯齿状，齿峰较缓（图2.2.1c）。山）窃额阴二5U臭

21、5!片费戟图表2.2.3各类土层典型的Ps曲线2.3曲线异常常见形式与防治措施1 Ps曲线常见异常形式现将静探工作中经常遇到的P曲线异常问题总结如下：1）由于仪器或探头的原因造成的异常该类异常主要表现为仪器严重的零漂而出现整条曲线形态严重失真， 即回零线呈有规律的向右移动，造成P值显著增大，而且这种增大现象随深度增加 而越明显。经检查，是由于探头严重受潮使传感器失效所致，后更换探头重做，则 正常。2）由于前期勘探使土层扰动或周边存在沟渠而产生的异常某条静力触探P曲线整体形态与前后断面其它孔的曲线明显不同，值偏小。经检查分析，此孔在做静探之前先期做过钻探工作，且两孔相距不足1. 5m,由于孔周因

22、土体呈软塑、流塑、或饱和状，受钻探扰动致使砂层段的P值明显偏小，也导致地层定名出现错误。 此外，某条P。曲线偏小，经调查此孔位附近有一排污井，长年渗水，使得土体含水量增大，土质变软，造成曲线异常。3）钻杆弯曲使曲线异常某静探数据与旁边钻孔取土资料相比，触探曲线P值理论上应大一些，但实际测出的 P值却偏小，与实际地层出入较大。后经检查发现， 触探杆因长期使用存在一定程度的弯曲，造成触探头到达硬土层层面后水平方向移 动而使曲线失真，后更换探杆重做，则 P值正常。4）脚机过于松动造成曲线异常 这类异常主要表现为实测深度偏小，如某静力 触探点，探杆实际进尺15 m,而记录只有13. 9 m,经检查发现

23、静探脚机因钻杆弯 曲或机器摇晃而松动，致使每10 cm 一次触发记录产生偏差。5）由于人为操作不当引起的曲线异常某一静探过程中数据突然出现归零，后发现因工作人员疏忽，使数据线夹在齿轮中引起线路短路。这种情况下，微机一般 有继续测量功能，即特殊情况下中途停止测量而后继续采集数据，因此可以将受损 线路连接好后继续测量即可；同时在后续工作中应注意保护线路。2防止产生曲线异常的措施1）经常对探头、仪表按期进行自检、自校，以保证仪器处于正常状态。2）每触探一定深度（一般23 m）应提钻510cm，以检查探头的回零情况。3）搬运过程中，应将电缆线与探头妥善放置，切勿手提电缆线或将探头悬挂在 电缆线上；应时

24、刻保护好电缆。4）脚机工作环境特殊，应时刻注意观察其是否正常；静力触探过程中还要防治 压力转换装置将脚机压坏。5）当静力触探在钻孔旁进行时，应先进行静力触探然后钻探。如钻探已经进行， 则以黏性土地层为主时，其间距应不小于 1. 5 m,以砂类地层或软土地层为主时， 间距应不小于2. 0m。6）在布置静力触探孔时，应尽可能地避开水井旁、水渠旁以及沟坎边、大树边。3动力触探试验3.1动力触探试验的特点和种类（1）圆锥动力触探试验的种类和特点炎轻型思胞型61 51205076mm)-lb7474 6fi2542拆标麗人Psi的皿垃KtA lOcnt 的轴f-t入10cm的谕数Mg壬要85用岩土谀醉的

25、填丄|砂九、中紳巧土、极软岩習实和根密的碎石1.软岩,鹽软岩图表3.3.1轻型、重型和超重型圆锥动力触探试验区别它的主要优点是应用广泛，设备简单，操作方便，适应性强，并具有快速连续测试土层的特点。（2）圆锥动力触探的仪器设备1）导向杆，可使穿心锤沿其升落。2）提引器，可提升重锤，升咼到一定咼度后自动脱钩放锤。3） 穿心锤。钢质圆柱形，中心圆孔略大于导向杆3-4mm。4）锤座。包括钢砧与锤垫。5）探杆。6）探头。我国常用的有5种，锥角基本上是60度。3.2圆锥动力触探试验整理及成果应用（1）对圆锥动力触探试验成果有影响的一些因素：1）锤击能量是最重要的因素。落距、自动落锤、控制试验中探杆的偏斜度

26、、 锤击时应防止偏心和探杆晃动等。2）触探杆与土间的侧摩阻力。在实验中可采用下列措施减少侧摩阻力的影响：（a）使探杆直径小于探头直径。在砂土中探头直径与探杆直径比应大于1.3,而在粘土中可小些。（b）贯入一定深度后旋转探杆（2）圆锥动力触探的要求：1）采用自动落锤装置；2）触探杆最大偏斜度不应超过2%,锤击贯入应连续进行。同时防止锤击偏心、探杆倾斜和侧向晃动，保持探杆垂直；锤击速率每分钟宜为15-30击。3） 每贯入1m，宜将探杆转动一圈半；当贯入深度超过 10m，每贯入20cm宜 转动探杆一次。4）对轻型动力触探，当N10100或贯入15cm击数超过50时，可停止试验;对重型动力触探，当连续

27、三次 N63.550时，可停止试验或改用超重型触探。（3）评价碎石土密实度碎石土的密实度可根据圆锥动力触探锤击数按下表确定，表中的N63.5和N120是进行杆长修正后的锤击数。重塑幼力楸探顧击裁亜型幼力観撮镭击致n4Na注i本験适用口时d俺零或小r且最大粒径小于100mm的碎石土.肘F平均粒径尢于SOniin.或最大粒植大于100mm的锌石土.可增超蛋舉功力融探或川忙外现察鉴别.图表3.3.2碎石土密实度按N63.5分类超审科动力蝕探怖击数tii2n密宝度龍小甲功力触探捞击數血汎加A厲沁屆1丨中密图表3.3.3碎石土密实度按N120分类（4）评价砂土的密实度砂土的密实度，是根据标准贯入试验锤击数实测值 N来划分为密实、中密、稍 密和松散。标我彊入钢击敎W憲卖J标准譴人崔击載N15M中S桶密NA30图表3.3.4砂土密实度分类（5）砂土、粉土的液化判别建筑抗震设计规范规定对饱和砂土、粉土的液化判别采用标准贯入试验的(4) 确定地基土承载力(5) 确定抗剪强度和变形模量(6) 确