第7章 工程地质原位测试

1、1,第 7 章 工程地质原位测试,2,内容提要,主要介绍常用原位测试方法及试验数据的分析: 静力载荷试验(CPT)、静力触探试验(DPT)、 圆锥动力触探(DPT) 、标准贯入试验(SPT) 、十字板剪切试验(VST) 、扁铲侧胀试验 、旁压试验、波速测试、现场大型直剪试验 、块体基础振动试验。,3,工程地质勘察中的试验有室内的土工试验和现场的原位测试。通过试验可以取得土和岩石的物理力学性质指标及地下水等性质指标，以供土木工程师设计时采用。 现场原位测试就是在岩土层原来所处的位置基本保持的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下，测定岩土的工程力学性质指标。,7.0 原位测试技术概述,4,原位测

2、试的优点：可以测定难于取得不扰动样的有关工程力学性质；可避免取样过程中应力释放的影响；影响范围大，代表性强。 原位测试的缺点：各种原位测试有其适用条件；有些理论往往建立在统计经验的关系上等。,5,选择哪种现场原位测试试验方法应根据建筑类型、岩土条件、设计要求、地区经验和测试方法的适用性等因素综合选用。,目前常用原位测试方法主要有： 静力载荷试验(CPT)； 静力触探试验(DPT)； 标准贯入试验(SPT)； 十字板剪切试验(VST)； 地基土动力特性试验(波速测试) 等 。,6,7.1 静力载荷试验(CPT),平板载荷试验示意图 静荷载试验（堆载）现场 大吨位静载试验（锚桩）现场,一般静力载荷

3、试验分为平板载荷试验、螺旋板载荷试验、深层平板载荷试验等。,7,静力载荷试验指在拟建场地上，在挖至设计的基础深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板，将上述装置安装好后，可开始试验。 （在其上逐级加荷载，测定相应荷载作用下地基土的稳定沉降量，分析研究地基土的强度与变形特性，求得地基土容许承载力与变形模量等力学数据。）,8,试验目的：确定地基土承载力特征值及土的变形模量。 适用条件：各种地基土，各种复合地基，各种基础工程(主要是桩基础单桩，群桩),7.1.1 试验目的和适用条件,9,（2）反力系统 a.堆载：堆载平台及其刚度设计,重量(率定)1.2倍,偏心问题 b.地锚与锚桩 c.联合反力方

4、式,7.1.2 试验设备(试验装置) （1）加荷系统 a.承压板 b.加荷设备(油压千斤顶),（3）观测系统 a.百分表 b.基准梁 (位置，刚度，数量),10,11,7.1.3 试验要求或方法,将试坑挖到基础的持力层位置，用12cm中粗砂找平，放上承压板； 施加荷载试验时，总加荷量约为设计荷载的2倍； 荷载按预估极限荷载的1/81/10分级施加，每级荷载稳定的标准为连续2小时内，每小时的沉降增量不大于0.1mm。 试验应做到破坏，破坏的标志是：承压板周围土有明显的侧向挤出，或同一级荷载下，24小时内沉降不稳，呈加速发展的趋势。达到破坏时应停止加荷。,12,13,1地基承载力: 地基单位面积上

5、承受荷载的能力。地基承载力问题属于地基的强度和稳定问题。 2地基极限承载力Pu: 地基即将丧失稳定性时的承载能力。 3容许承载力R: 是指地基稳定有足够的安全度，并且变形控制在建筑物的容许范围内时的承载力。它同时兼顾地基强度、稳定性和变形要求这两个条件时的承载力。它是一个变量，是和建筑物允许变形值密切联系在一起。,14,4承载力基本值（fo）：按有关规范规定的一定的基础宽度和埋深条件下的地基承载能力，可按规范查表确定。（是根据室内物理、力学指标平均值，查表确定的承载力值，包括载荷试验得到的值）。 5承载力标准值（fk）：是指按有关规范规定的标准方法试验并经统计处理后的地基承载能力。包括：标贯试

6、验、静力触探、旁压及其它原位测试得到的值。 6承载力设计值（f）或特征值：地基承载力标准值经过深宽修正后的地基承载力。,15,1. 地基变形的三个阶段,发生整体剪切破坏的地基，分为三个阶段：,（I）线性变形阶段：oa段接近于直线关系。此阶段地基中各点的剪应力，小于地基土的抗剪强度，地基处于稳定状态。地基仅有小量的压缩变形，主要是土颗粒互相挤紧、土体压缩的结果。,16,（II）弹塑性变形阶段: abc段，p-S关系线是下弯的曲线。，在地基的局部区域内，发生了剪切破坏。这样的区域称塑性变形区。随着荷载的增加，地基中塑性变形区的范围逐渐向整体剪切破坏扩展。这一阶段是地基由稳定状态向不稳定状态发展的过

7、渡性阶段。,17,（III）破坏阶段:当荷载增加到某一极限值时，地基变形突然增大。说明地基中的塑性变形区，已经发展到形成与地面贯通的连续滑动面。地基土向基础的一侧或两侧挤出，地面隆起，地基整体失稳，基础也随之突然下陷。,18,2. 成果应用,(1) 确定地基土的承载力 由载荷试验PS曲线确定地基土承载力，可按PS曲线的线型可分别采用拐点法、相对沉降法和极限荷载法等。, 拐点法(强度控制法） 取第一拐点P0(比例界限点)所对应的荷载为地基土的承载力基本值。,19,当PS曲线上拐点不太明显时，用下述方法加以确定： 1)在某一级荷载下，其沉降增量超过前一级荷载下沉降增量的两倍，即 的点所对应的压力即

8、为比例界限压力或临塑压力P0； 2)利用lgplgs和ps/p等辅助曲线来确定拐点。,20,在PS曲线上取Sb一定比值所对应的荷载为地基土的容许承载力： 若承压板面积为0.25-0.50m2 1)对一般粘性土、粉土等中、高压缩性土宜采用Sb=0.02对应的压力为容许承载力； 2）对砂土等低压缩性土宜采用 Sb=0.010.015对应的压力为地基土的容许承载力。, 相对沉降法,21,a）比例界限P0与极限荷载Pu接近时，将Pu除以安全系数Fs(Fs=23)作为地基土的容许承载力； b）当比例界限P0与极限荷载Pu相差较远时，可按下式确定地基土承载力标准值。, 极限荷载法,22,a)当载荷试验加荷

9、至破坏荷载，则取破坏荷载的前一级荷载为极限荷载Pu： b)用PS、lgplgs、Slgp、pS/P、PSt等曲线确定的第二拐点所对应的荷载为极限荷载Pu；, 确定极限荷载的方法有：,23,c)当载荷试验未做到破坏荷载，则可用外插作图法确定其极限荷载。,24,不同埋深的载荷试验，计算地基土变形模量的方法不同（圆和方承压板）： 埋深为零时 对于埋深为零的常规载荷试验，地基土的变形模量Eo可按下式计算：,(2)、确定地基土的变形模量E。,25,当载荷试验有一定埋深时，相当于地表有超载存在。此时，地基承载力将明显提高。在这种情况下，可先按上式计算变形模量Eo，再乘以小于1的修正系数k，即为有超载时的变

10、形模量Eo。k可查图表得。, 有一定埋深时（有超载时）,26,用快速法载荷试验得到的极限荷载Pu估算饱和粘性土的不排水抗剪强度Cu(0=0)可用下式计算：,(3)、估算地基土的不排水抗剪强度Cu,Nc承压系数。,27,(4)、确定地基土基床反力系数Ks,可根据常规载荷试验PS曲线由下式计算得到载荷试验基床系数Kv(kNm3)： 直线段的斜率。,基床反力系数：弹性半空间地基上某点所受的法向压力与相应位移的比值。类似于虎克定理里的K ，地基刚度。,28,由载荷试验基床反力系数计算基准基床系数Kv1(kNm3),由基准基床系数Kv1(kNm3)确定地基土基床反力系数Ks。,29,静力触探试验指通过一

11、定的机械装置，将某种规格的金属探头用静力压人土层中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的贯人阻力，以此来判断、分析、确定地基土的物理力学性质。,7.2 静力触探试验(DPT),30,目的：主要用于划分土层、估算地基土的物理力学指标参数、评定地基土的承载力、估算单桩承载力及判定砂土地基的液化等级等。 适用条件：适用于粘性土、粉土和砂土，,（1）试验目的与适用条件,31,为静力触探仪，其由贯人装置（包括反力装置）、传动系统和量测系统三部分组成。 常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头。,（2）试验装置静力触探试验主要设备,32,(1) 单桥探头：是我国特有的一种探头型式，只能测量比贯入阻

12、力ps（p/A)一个参数，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(Qc/A)和侧壁摩阻力fs(Pf/F)两个参数的探头，分辨率较高。,单桥只能测得总贯入阻力，而双桥则能同时测得侧壁阻力fs和锥尖阻力Qc。,33,（3）试验要求,(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，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，以便使探头与地面垂直；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

13、12cm/s。,34,（4）试验资料处理及成果应用 根据试验结果绘制比贯入阻力-深度关系曲线、锥尖阻力-深度关系曲线、侧壁摩阻力-深度关系曲线和摩阻比-深度关系曲线。 由静力触探成果可划分土层界线、评定地基土的强度参数、评定土的变形参数、评定地基土的承载力、预估单桩承载力及判定饱和砂土和粉土的液化。,35,36,37,38,圆锥动力触探指利用锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打人土中的阻抗大小判别土层的变化，对土层进行力学分层，并确定土层的物理力学性质，对地基土作出工程地质评价。通常以打入土中一定距离所需的锤击数来表示土的阻力。,7.3 圆锥动力触探(DPT),39,圆锥动力触探的优

14、点: 设备简单、操作方便、工效较高、适应性广，并具有连续贯入的特性。对难以取样的砂土、粉土、碎石类土等，对静力触探难以贯入的土层，动力触探是十分有效的原位测试手段。,圆锥动力触探的缺点: 是不能采样对土进行直接鉴别描述，试验误差稍大，再现性差。,40,试验目的： (a) 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。 (b) 定量评价：确定砂土垢孔隙比、相对密实度、粉土和粘性土的状态、土的强度和变形参数、评定地基土的承载力或单桩承载力。 适用条件：适用于强风化、全风化的硬质岩石、各种软质岩石及各类土。,（1）试验目

15、的与适用条件,41,（2）试验装置动力触探设备 主要由探头和落锤两部分组成，可分为轻型、重型及超重型三类。,42,（3）试验技术要求 (a) 采用自动落锤装置； (b) 触探杆最大偏斜度不应超过2%，防止锤击偏心、探杆倾斜和侧向晃动，锤击贯入应连续进行；锤击速率每分钟宜为1530击； (c) 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； (d) 对轻型动力触探当N10100或贯入15cm锤击数超过50时,可停止试验；对重型动力触探，当连续三次N63.550时，可停止试验或改用超重型动力触探。,43,（4）试验资料处理及成果应用 根据试验结果绘制锤击数和锤

16、击随深度变化的关系曲线。 其成果主要应用： (a) 确定砂土和碎石土的密实度；,44,45,(b) 确定地基土的承载力和变形模量；,46,(c) 检验评估地基土加固与改良的效果； (d) 确定单桩承载力标准值。,47,7.4 标准贯入试验(SPT),标准贯入试验是动力触探类型之一，其利用规定重量的穿心锤，从恒定高度上自由落下，将一定规格的探头打人士中，根据打人的难易程度判别土的性质。,48,所不同的是其触探头不是圆锥形探头，而是标准规格的圆筒形探头(由两个半圆管合成的取土器)，称为贯入器。,49,（1）试验目的与适用条件目的： (a) 根据标准贯入击数N，利用地区经验，对砂土的密实度和粉土、粘

17、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。 (b) 估算单桩极限承载力和判定沉桩可能性。 (c) 判定饱和粉砂、砂质粉土的地震液化可能性及液化等级。 适用条件： 砂土、粉土和一般粘性土，最适用N=250击的土层。,50,（2）试验装置 标准贯入试验的仪器设备主要由触探头、触探杆及穿心锤三部分组成。,51,标准贯入试验一般结合钻孔进行，其优点是：操作筒便，设备简单，土层的适应性广，而且通过贯入器可以采取扰动土样，对它进行直接鉴别描述和有关的室内土工试验，如取砂土做颗粒分析试验。 该试验特别对钻探中难以取样的砂土和粉土的工程性质的评定具有独特意义。,52,（3）试验要求,(a) 试

18、验孔采用回转钻进，并保持孔内水位略高于地下水位。当孔壁不稳定时,可用泥浆护壁，钻至试验标高以上15cm 处，清除孔底残土后再进行试验；(b) 采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，并减小导向杆与锤间的摩阻力，避免锤击时的偏心和侧向晃动，保持贯入器、探杆、导向杆联接后的垂直度，锤击速率应小于30 击/min；(c) 贯入器打入土中15cm 后，开始记录每打入10cm 的锤击数，累计打入30cm的锤击数为标准贯入试验锤击数N。,53,（4）试验资料处理及成果应用 试验成果有标贯击数N与深度的关系曲线、标贯孔工程地质柱状剖面图。 成果应用由标贯成果可: 判定饱和砂土的地震液化可能性及液化等级； 评定砂土

19、的密实度和相对密度等;,54,判定饱和砂土的地震液化可能性及液化等级,当饱和砂土或饱和粉土实测标准贯入锤击数No值小于下式确定的临界值时，则应判别为可液化土，否则为不液化土。,ds标准贯入点深度(m)；dw地下水位深度(m).,55,评定砂土的密实度和相对密度：,56,评定粘性土的状态,57,评定砂土抗剪强度指标,有一些经验关系式，见P228。,58,评定粘性土的不排水抗剪强度指标Cu,太沙基和佩克:Cu=(66.5)N 日本规范: Cu=(610)N,59,评定土的变形模量和压缩模量,60,确定地基承载力,61,估算单桩承载力,见P229的经验关系式。,62,7.5 十字板剪切试验(VST)

20、,将十字板头压入被测土层中，施加一定的扭转力矩，将土体剪坏，测定土体对抵抗扭剪的最大力矩，通过换算得到土体的抗剪强度值。,63,（1）试验目的与适用条件 目的：测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度Cu、估算软粘性土的灵敏度。 适用条件：十字板剪切试验适用于灵敏度不大于10，固结系数不大于100m2/年的均质饱和软粘土。,64,（2）试验装置 主要由十字板头、测力装置（钢环、百分表等）和施力传力装置（轴杆、转盘、导轮等）三部分组成。,65,（3）技术要求,试验时，先将十字板压入土中至测试的深度，然后由地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土体剪切破坏（破坏面为十字板旋转

21、所形成的圆柱面）。,(a) 十字板板头形状宜为矩形，径高比1:2，板厚宜为2 3mm；(b) 十字板头插入钻孔底的深度不应小于钻孔或套管直径的35倍；(c) 十字板插入至试验深度后，至少应静止23min，方可开始试验；,66,(d) 扭转剪切速率宜采用(1度2度)/10s，并应在测得峰值强度后继续测记1min；(e) 在峰值强度或稳定值测试完后，顺扭转方向连续转动6 圈后，测定重塑土的不排水抗剪强度；(f) 对开口钢环十字板剪切仪，应修正轴杆与土间的摩阻力的影响。,67,（4）试验资料处理及成果应用 （a）测定软粘土的不排水抗剪强度Cuf；,68,（b）估算软粘性土的灵敏度St； （c）评定地

22、基土的承载力。,69,7.6 扁铲侧胀试验,指用静力将扁铲形探头贯入土中，达试验深度后，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验。,确定静止侧压力系数Ko、评定应力历史OCR、确定不排水抗剪强度Cu、确定土的变形参数Es、确定水平固结系数Ch、侧向受荷桩的设计。,70,（1）试验目的与适用条件目的：划分土类、确定静止侧压力系数、评定应力历史等 适用条件：扁铲侧胀试验适用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用于含碎石的土、风化岩等。,（2）试验装置,扁铲形探头,71,A) 扁铲侧胀试验探头长230240mm、宽9496mm、厚1416mm、探头前缘刃角12度16度，探头侧面钢膜片的

23、直径60mm； B) 每孔试验前后均应进行探头率定，取试验前后的平均值为修正值；膜片的合格标准为： 率定时膨胀至0.05mm的气压实测值A=525kPa； 率定时膨胀至1.10mm的气压实测值B=10110kPa；,（3）试验要求,72,C) 试验时，应以静力匀速将探头贯入土中，贯入速率宜为2cm/s；试验点间距可取2050cm； D) 探头达到预定深度后，匀速加压和减压测定膜片膨胀至0.05mm、1.10mm和回到0.05mm的压力A、B、C值；,73,（4）试验资料处理及成果应用 试验成果主要有：匀速加压和减压测定膜片膨胀至0.05mm、1.10mm和回到0.05mm的压力A、B、C值、率

24、定时膨胀至0.05mm的气压实测值A和膨胀至1.10mm的气压实测值A 、B ，计算p0、p1、p2 与深度的变化曲线； 绘制扁胀模量ED、水平应力指数KD、扁胀指数ID、扁胀孔压力指数UD与深度的变化曲线(P234)。,74,由试验成果可划分土类,75,确定静止侧压力系数Ko、评定应力历史OCR、确定不排水抗剪强度Cu、确定土的变形参数Es、确定水平固结系数Ch、侧向受荷桩的设计。,76,旁压试验（PMT）是将圆柱形旁压器竖直地放人土中，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）将压力传给周围土体（或岩层），使土体或岩层产生变形直至破坏，通过量测施加的压力和土变形之间的关

25、系，可得到地基土在水平方向上的应力应变关系。,7.7 旁压试验 (横压试验),77,（1）试验目的与适用条件试验目的和适用条件：用于测定粘性土、粉土、砂土、碎石土、软质岩石和风化岩的承载力fk、旁压模量Em等(软土地基一般不适宜）。,78,（2）试验装置 1) 旁压器，2)量测系统，3)加压系统等三部分组成。,79,（3）试验要求 （a) 准备工作：试验前，必须进行系统的校正工作。 (b) 加压：加荷等级按预计极限荷载的1/8-1/12。 (c)每级压力维持1分钟或3分钟再施加下一级压力。 (d)当土体已发生破坏，试验则可结束。,80,（4）试验资料处理及成果应用 旁压试验的成果主要为压力和扩

26、张体积曲线(p-V)、压力和半径增量曲线(p-r)。 a. 评定地基承载力: 根据旁压曲线可评定地基承载力,81,特征值的确定：特征值包括初始压力(p0)，临塑压力(pf)和极限压力(pl)。 p0的确定：旁压曲线中段直线段的起始点或蠕变曲线的第一拐点相应的压力。 临塑压力pf:为旁压曲线中段直线的末尾点或蠕变曲线的第二拐点相应的压力。 极限压力pl:扩张后体积相当于二倍固有体积时的压力。,82,b. 确定旁压模量 根据压力与体积曲线的直线段斜率，按下式计算旁压模量：,Vc旁压器量测腔初始固有体积， p/V旁压曲线直线段的斜率。,83,7.8 波速测试,波速测试是测定土层的波速，依据弹性波在岩

27、土体内的传播速度间接测定岩土体在小应变条件下（10-4-10-6）动弹性模量和泊松比。,84,（a） R波：在地面上呈滚动形式； （b） L波：在地面上呈蛇形运动形式。,85,（1）试验目的与适用条件 适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速。根据任务要求可采用单孔法、跨孔法或面波法。 （2）试验装置 试验方法可分为单孔法、跨孔法和面波法。,86,a-检层法；b-面波法：c-试验布置图,87,（3）试验要求,88,（4）试验资料处理及成果应用,a. 确定土力学参数,杨氏模量,剪切模量,泊松比,89,b. 判别建筑场地类别和岩基质量,根据Vsm值将场地划分为坚硬场地土(Vs500m/s

28、)、中硬场地 土(500Vsm250)、中软场地土(250Vsm140)、软弱场地土(Vsm 140m/s)等四种类型。 岩土工程勘察规范GB5002194规定，当Vsm=350时为强风化岩,350Vsm=250为全风化岩， Vsm350为残软土。,90,b. 判别建筑场地类别和岩基质量,根据Vsm值将场地划分为坚硬场地土(Vs500m/s)、中硬场地 土(500Vsm250)、中软场地土(250Vsm140)、软弱场地土(Vsm 140m/s)等四种类型。 岩土工程勘察规范GB5002194规定，当Vsm=350时为强风化岩,350Vsm=250为全风化岩， Vsm350为残软土。,91,d. 判断砂土液化,c.估算场地卓越周期,92,7.9 现场大型直剪试验,建筑物由于土的原因引起的事故中，一部分是沉降过大，或是差异沉降过大造成的；另一方面是由于土体的强度破坏而引起的。对于土工建筑物（如：路堤、土坝等）来说，主要是后一个原因。从事故的灾害性来说