43__静力触探试验

4.3静力触探试验§4.3.1概述静力触探试验（StaticConePenetration,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。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：单用（桥）静力触探、双用（桥）静力触探、多用（孔压）静力触探。电测式静力触探的优点：①兼有勘探和测试双重作用②测试数据精度高，再现性好，且测试快速、连续、效率高、功能多③采用电子技术，便于实现过程自动化根据静力触探，包括孔压静力触探试验结果，结合地区经验，可以用于以下目的：1）土类定名，并划分土层的界面；2）评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数；3）确定地基承载力；4）确定单桩极限承载力；静力触探试验适应于软土、一般粘性土、粉土、砂土和含有少量碎石的土。与传统的钻探方法相比，静力触探试验具有速度快、劳动强度低、清洁、经济等优点，而且可以连续获得地层的强度和其他方面的信息，不受取样扰动等人为因素的影响。静力触探试验中不能对土进行直接的观察、鉴别，而且不适用于含较多碎石、砾石的土层和很密实的砂层。§4.3.2静力触探试验的仪器设备一、贯入系统1.贯入装置1）液压式静力触探机(贯入力一般为10-20t)3）电动机械式静力触探机(4-5t)。2.探杆探杆是将机械力传递给探头以使探头贯入的装置，是传递贯入力的媒介，为保证触探孔的垂直，探杆一般采用高强度合金无缝钢管制造。探杆有严格的规格和要求，应有足够的强度，应采用高强度无缝管材，其屈服强度不宜小于600MPa。探杆与接头的连接要有良好的互换性。每根探杆的长度一般为1m，其直径应和探头直径相同；但单桥探头探杆直径应比探头直径小。3.反力装置地锚、重物（车辆）或地锚与重物（车辆）联合使用，作用是固定触探主机，提供探头在贯入过程中所需之反力。二、量测系统1.探头探头是静力触探仪的测量贯入阻力的关键部件，主要有单用（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u：孔隙水压力单用（桥）探头双用（桥）探头多用（孔压）探头课本P69图4-31）单桥探头主要由外套筒、顶柱、空心柱等组成。单桥探头是我国所特有的一种探头类型。它是将锥头与外套筒连在一起，因而只能测量一个参数——比贯入阻力ps。这种探头结构简单，造价低，坚固耐用，是我国使用最多的一种探头。ps值是单桥探头在贯入过程中所受到的总的贯入阻力P与探头圆锥锥底截面积A的比值，ps=P/A。比贯入阻力反映了探头锥尖阻力和侧壁摩擦阻力两部分的综合作用。2）双桥探头锥头与摩擦筒分开，可同时测锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs两个参数的探头。由锥尖阻力量测部分和侧壁摩擦阻力量测部分组成。锥尖阻力量测部分：由锥头、空心柱下半段、加强筒组成锥尖阻力传递结构。侧壁摩擦阻力量测部分：由摩擦筒、空心柱上半段及加强筒组成侧壁摩擦阻力传递结构。3）多用（孔压）探头孔隙水压力静力触探(PiezoConepenetrationTest)，简称孔压触探(CPTU)，它是在普通的CPT探头上安装了可以测量孔隙水压力的传感器，使贯入时能在测量qｃ，ｆs的同时，测量贯入引起的超孔隙水压力△ｕ，当停止贯入时，可测量超孔隙水压力△ｕ的消散过程及完全消散时的静止孔隙水压力u０它一般是在双桥探头基础上再安装一种可测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qc、fs及孔隙水压力u，功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。目前，孔压探头上测量孔隙水压力的滤水器可分别位于锥面、锥肩和摩擦筒尾部等三个位置，其测得的孔隙水压力分别记为u1、u2和u3。有的探头在两处或三处同时安装滤水器，可以同时测得在贯入过程中探头不同位置的孔压。不同位置的滤水器所测得的超孔隙水压力不同，超孔压的消散条件和消散速率不相同。在贯入过程中，滤水器的磨损、涂抹和压缩不同，对土层变化的分辨能力也不相同。锥尖和锥面处的滤水器测得得超孔压最大，对土层变化的反应最灵敏，滤水器易磨损，滤水器的渗透性能会随之减小，探头对孔压反应变得迟钝，孔压量测的灵敏度会下降。另外，锥尖附近土体应力条件复杂，使在锥尖和锥面处量测的孔压稳定性较差。在锥头之后的等直径圆柱面上的滤水器，测得的孔压较小，而且随离锥头的距离增大而变小。由于避开了锥头底下的复杂应力区，所测得孔压比较稳定，孔压的消散接近于圆柱轴对称径向排水条件。孔压触探与一般的静力触探相比，具有下面一些突出优点：由于不同土体的渗透性差别很大，CPTU量测孔隙水压力的灵敏度很高，能够分辨1~2cm厚的薄土层土性的变化，因而可以详细分层。特别是在区分砂层和粘土层方面精度很高。可以量测到孔隙水压力，从而有可能进行有效应力分析。可以估算土体的渗透系数和固结系数。可以测定土层不同深度的静止水压力，获得地下水条件的资料。可以区分排水、部分排水和不排水的贯入条件。可计算土的超固结比，评价土层应力历史，计算静止侧压力系数k０等。2.记录仪器量测记录仪表测量与记录探头所受各种阻力。我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器。因此，与其配套的记录仪器主要有以下4种类型：①电阻应变仪；②自动记录绘图仪；③数字式测力仪；④数据采集仪（微机）。一般的测量系统还应包括静力触探专用记录仪器和传输信号的四芯或八芯的屏蔽电缆。电缆的作用是连接探头和量测记录仪表。由于探头功能不同，相应电缆的蕊数也不同，最少的为配单桥探头的四蕊电缆，多则几十蕊，各蕊之间应互相屏蔽。电缆应有良好的防水性和绝缘性，接头处应密封。一、静力触探探头的工作原理静力触探是将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来。电阻应变式传感器最为常见，它应用了虎克定律、电阻定律和电桥原理。二、静力触探试验的贯入机理静力触探试验的贯入机理是个很复杂的问题，而且影响因素也比较多，迄今还没有一种理论能圆满地解释静力触探的贯入机理。临界深度：在均质土层中，不论是锥尖阻力还是侧摩擦阻力，都存在“临界深度”的问题，即在一定深度范围内，均随着贯入深度的增大而增大，但达到一定深度后，qc和fs均达到极限值，贯入深度继续增加，qc和fs不再增加。临界深度是土的密实度和探头直径的函数，土的密实度越大、探头直径越大，临界深度越大，但qc和fs并不一致，一般而言，fs的临界深度比qc的要小。静力触探的破坏机理与探头的几何形状、土类和贯入深度有关。圆锥探头在贯入土中时，在其周围及底部土中会形成一定的扰动区。在软粘土中土体的扰动使强度降低；在松砂中土体的扰动使土被挤压密实，强度提高；在密实砂中砂粒甚至会被压碎。§4.3.3静力触探试验原理三、孔压静力触探的贯入机理孔压静力触探探头贯入土体的机理是十分复杂的，探头贯入所产生的超孔压沿水平径向的初始分布，以及停止贯入时超孔压的消散均属于轴对称问题，对贯入机理所做的简化假设和所选择的土体模型不同，可以建立不同的计算公式。§4.3.4试验方法和技术要求一、试验前的准备工作1）将电缆按探杆的连接顺序一次穿齐，所用的探杆应比计划深度多2-3根，电缆应备有足够的长度；2）安放触探机的地面应平整，使用的反力措施应保证静力触探达到预定的深度；3）检查探头是否符合规定的规格，连接记录仪，检查记录仪是否工作正常，整个系统是否在标定后的有效期内，并调零试压。对于孔压探头应按要求进行预饱和处理。幻灯片35二、孔压探头的饱和处理在测试开始前，应对孔隙水压力探头进行饱和，这是保证孔压测量正确的关键。由于气体的压缩性远大于水的压缩性，如果探头孔压量测系统通道未被水饱和，测量孔压时，则有一部分孔隙水压力在传递过程中会消耗在压缩空气上，使所测孔隙水压力值比实际值小，且滞后。三、触探机的位置和高度1.应注意用水平尺校准机座勘探开孔前用水平尺校准机座保持水平并与反力装置锁定，以保证探杆垂直贯入地下。2.留意原有钻孔距离对触探测试成果的影响根据研究，在30倍桩径或探头直径的范围以内，土体的边界条件对测试成果有一定影响。在一般静力触探试验中，布置的触探孔距原有钻孔的距离至少2m；若需进行平行试验对比，对比孔间距不宜大于3m，且宜先进行静探试验，而后再进行勘探或其他原位试验。孔压静探试验中，与先前孔之间的距离正常情况下应至少为孔直径的25倍。3.探杆平直度的检查前5m，弯曲度不得大于0.05%，5m以后的，孔深小于10m时，不得大于0.2%，大于10m时，不得大于0.1%。四、触探仪的贯入1.进行贯入试验时，若遇到密实、粗颗粒或含碎石颗粒较多的土层，在试验前应先进行预钻孔，必要时使用套筒防止孔壁的坍塌。在软土或松散土中，预钻孔应该穿过硬壳层。2.探头的贯入速率对贯入阻力有一定的影响，应匀速贯入，贯入速率控制在1.2m/min，记录的误差不应大于触探深度的±1%。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。3.在贯入过程中应进行归零检查和深度校核1）对于单桥、双桥探头，将探头贯入地面以下0.5-1.0m后，上提探头5-10cm，观察零漂情况，待测量值稳定后，将记录仪调零并将探头压回原位进行正式贯入。在地面以下6m深度范围内，每贯入2-3m应提升探头一次，并记录零漂值；6m后视零漂的大小可放宽归零检查的深度间隔或不作归零检查。终孔起拔探杆时和探头拔出地面时，应记录仪器的零漂值。2）对于孔压探头，在整个贯入过程中，不得提升探头。终孔起拔探头时应记录锥尖阻力和侧壁摩擦阻力的零漂值；探头拔出地面时，应记录孔压的零漂值。在试验过程中，应每隔3-4m校核一次实际深度。五、孔压消散试验a.停止贯入b.记录超孔压随时间的消散过程超孔压的消散速度取决于土的固结系数，即土的渗透性。c.绘制超孔压随时间的消散过程曲线六、试验的终止当出现以下情况时，应该终止静力触探试验的贯入：1）要求的贯入长度或深度已经达到；2）贯入时探杆出现明显弯曲；3）反力装置失效；4）试验记录显示异常。5）触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；6）探头负荷达到额定荷载时；七、试验操作步骤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§4.3.5试验资料的整理与分析一、静力触探试验成果的影响因素1.孔隙水压力对于饱和土体，静探探头在贯入过程中会产生超空隙水压力，超孔压的产生对土的强度和静探试验指标是有影响的，其影响程度因土的排水条件和贯入速率而异。一般认为，5mm/s的贯入速率相当于排水条件，而50mm/s的贯入速率则相当于不排水条件。§4.3.5试验资料的整理与分析2.温度的影响静探探头贴有的电阻应变片对环境温度的变化非常敏感，温度的变化会引起电阻应变片电阻值的变化，从而产生零位漂移。产生温度变化的原因主要有：（1）标定时的温度与地下温度的差异；（2）量测时应变片通电时间过长，产生电阻热；（3）贯入过程中与土（特别是砂）摩擦产生热量。措施：（1）采用温度补偿应变片来补偿温度变化对应变测量的影响；（2）正式操作前将探头放在地下1m处，放置30min，使探头与地温平衡，再调仪器的初始零点。幻灯片46§4.3.5试验资料的整理与分析3.探孔（探头）的偏斜探孔或探头的偏斜产生两个方面的问题：贯入探杆的长度不能正确反映实际贯入深度，分层界限不准；探头的倾斜使得测得的土层阻力严重失真。措施：（1）试验前检查探杆的平直度；（2）贯入主机放置在平整的地面或人工平台上，采用地锚作为反力装置时，地锚的埋设深度应一致，保持反力的对称与均衡，并将主机调平。（3）在探头上加装测斜仪器，了解贯入过程中探头的倾斜程度，随时进行修正。（4）注意探杆倾斜是否是由于地下障碍物引起，设法排除或绕避。4.孔压传感器的位置与尺寸孔压触探试验中，过滤