基于静力触探技术的土层及土类划分方法

研究生课程论文(2009-2010学年第二学期)土工测试原理与技术课程论文研究生：周森提交日期：2010年9月1日研究生签名：学号200920105032学院土木与交通学院课程编号S0814004课程名称土工测试原理与技术学位类别硕士任课教师刘叔灼教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日基于静力触探技术的土层及土类划分方法周森（华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640）摘要：静力触探是一种在工程中广泛应用的原位测试方法。介绍了静力触探的国内、外发展状况、基本原理及成果应用，对单桥静力触探、双桥静力触探和孔压静力触探三种测试方法进行了比较，着重探讨了静力触探曲线在划分土层土类中的应用并总结了划分土层土类的三种方法，即目测经验法、分类图法和变量统计分析方法。通过比较分析得出：双桥静力触探可同时测得锥尖阻力cq和侧壁摩阻力sf，因此较单桥静力触探具有较高的准确度；孔压静力触探方法综合运用hqc、hfs和hu曲线划分土层，进一步提高了区分精度；随着计算机运算技术的发展，基于变量统计理论为基础的静力触探方法是今后的一个发展趋势。关键词：静力触探技术；测试方法；土层土类划分中图分类号：TU432文献标识码：A文章编号：作者简介：周森（1986～），男，河南南阳人，华南理工大学岩土工程专业硕士研究生，主要从事于风险分析方法在岩土工程中的应用及地下结构设计方法的研究。E-mail:[e-mail]。ClassificationsofSoilLayerandSoilPropertiesontheBasisofCPTTechniqueZhouSen(CollegeofCivilEngineering&Transportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:ConePenetrationTestisawidely-usedin-situmeasurementinpracticalproject.Thedevelopment,basicprincipleandapplicationofCPTtechniquearediscussed,threemethods----SinglebridgestaticCPT,doublebridgestaticCPTandporepressureCPTareanalyzedandcompared.Themethodsusedtoclassifysoillayerandsoilpropertiesarefocusedon.Conclusionsaredrawnasfollows:BothresistanceawlcqandsidefrictionsfcanbeobtainedbydoublebridgestaticCPT,thusdoublebridgestaticCPThashigheraccuracythanthatofsinglebridgestaticCPT;Thecurveshqc,hfsandhucanbecomprehensivelyusedbyporepressureCPT,whichimprovestheaccuracymore;TheCPTtechniquebasedonstatisticaltheoryisanevolutiontrendinthefuture.Keywords:CPTtechnique;in-situmeasurement;classification1静力触探的国内、外发展状况静力触探（ConePenetrationTest，简称CPT）是20世纪40年代随着实用土力学和理论土力学的建立，在欧洲一些软土分布较为广泛的国家发展起来的一种原位测试方法［1］。1932年荷兰工程师P.Barentsen进行了世界上第一个静力触探试验，随后荷兰Delft土力学实验室设计出10t的荷兰锥贯入装置并将其用于桩承载力试验研究。1948年，Vermiciden和Plantema对荷兰锥进行了改进，以阻止土从套管和钢杆之间进入。1949年荷兰Delft土力学实验室开始应用电测探头开展了大量的试验研究工作。1953年，Begemann设计出可量测侧阻力的摩擦套，进一步完善了静力触探技术。1965年荷兰Fugro和TNO联合推出了一种电测式探头，为后来ISSMFE标准的建立奠定了基础。从70年代后期，陆续出现了孔压静力触探（CPTU）、环境静力触探及其它多功能探头等，静力触探技术得到了广泛应用和进一步发展［2］。挪威土工研究所（NGI）首次研制了电测式孔压静力触探。1980年以后，出现了不少同时测孔压和测阻力的研究成果并在工程实践中得以应用。我国在30年代出现了机械式的荷兰静力触探仪。1954，陈宗基教授用该技术在黄土地区进行了相关试验研究。1964年，王钟琦等独立成功研制出我国第一台电测式触探仪。但在80年代后期，对探头传感器技术的改进较少，目前应用较多的是“单桥”探头和“双桥”探头，探头规格与国际通用不尽相同，一定程度上给国内外测试成果的比较和学术交流带来了困难和不便。2静力触探技术及其成果应用2.1静力触探技术的基本原理及适用条件静力触探就是用准静力（相对动力触探而言，没有或很少冲击荷载）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中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的［3］。静力触探主要适用于粘性土、粉性土、砂性土。对于各类水利工程、工业与民用建筑工程、公路桥梁工程而言，静力触探适用于地面以下50m内的各种土层，特别是对于地层情况变化较大的复杂场地及不易取得原状土的饱和砂土和高灵敏度的软粘土地层的勘察，更适合采用静力触探进行勘察。2.2静力触探技术成果应用目前，国内工程界使用的静力触探探头有三种：单桥探头、双桥探头和孔压触探头。单桥静力触方法功能简单，在我国占主导地位，但是存在分辨率低，而且和国际标准不接轨等问题［4］。双桥静力触探虽已应用，但发展比较缓慢，孔压静力触探应用则相对较少。静力触探在工程上的应用主要体现在三个方面：划分土层判别土类、确定土的工程性质指标和岩土工程的设计参数。就勘察精度与功能来说，孔压静力触探优于双桥静力触探，双桥静力触探优于单桥静力触探，三种技术对比如下：1）单桥探头法单桥探头静力触探由于应用历史较长相关经验公式较多而且已经列入相关规范，故在目前的工程勘察界被广泛应用。单桥静力触探只能测试比贯入阻力sP，因此只能根据hPs（深度）曲线形态变化和sP值的大小对土体进行定名、分层。工程实践中，对同一层土，由于其形成年代、成因、受荷历时不同，其sP值可相差很多。另外，不同土层也可能具有相同的sP值。因此只用一个指标sP对土层定名分层的分辨率是比较低的。工程实践中往往借助于钻孔取样来对比分析。2）双桥探头法双桥静力触探可测得两个参数及锥尖阻力cq和侧摩阻力sf。又可以计算出摩阻比fR（%100csfqfR），由此可划分土类。根据该项测试资料可获得两条曲线，即hqc和hfs关系曲线。两相对比，精度较高。侧摩阻力sf也是划分土层的极好的参数。3）孔压静力触探法（CPTU）孔压静力触探可以测得三个指标，即比双桥探头多测一个孔隙水压力u，因而其对土层的分辨率要比双桥静力触探高得多。据CPTU的测试成果，在岩土领域已得到广泛应用，其中主要包括四个方面：①修正锥尖阻力，使锥尖阻力真正反映土的性质；②评价渗流、固结特性；③区分排水、部分排水、不排水贯入方式，以满足不同需要；④提高土分层与土质分类的可靠性。孔压静力触探在划分土层土类方面优于单桥、双桥静力触探外，在求取土性指标方面同样优于其他两种方法。如孔压静力触探可求取土层的固结系数和渗透系数，而另外两种方法是不能做到的。从勘察费用来看，孔压静力触探最高，按其价格效应来看，孔压静力触探则是最低的。因此大量推广使用孔压触探，从而提高静力触探的测试精度，并与国际接轨。3静力触探曲线在划分土层土类中的应用确定地基承载力、评价地基土地震液化特性、确定拟挖土层的厚度，尤其是对某一土层的工程性质指标进行统计分析，都需要准确的划分土层及确定土的名称。当把孔压探头借助机械力量匀速压入土中时，探头受到来自于土体的阻力，这个阻力通过探头中的传感器以电信号的形式输入到记录仪并记录下来，然后通过率定系数换算成压力，由此可得各种随深度变化的曲线。由于不同土层强度不同，而同层土强度相似，因此反映到hqc和hfs曲线上就呈现出成层分布的规律。静力触探测试精度高、功能齐全，兼具勘探与测试双重作用。测试中不取样，其成果的可靠性与再现性均好，且采用电测技术，便于实现测试与成果处理的微机化和自动化。它还可以比较连续地获得地层强度和其他方面的信息，不受取样扰动等人为因素的影响，因此得到了广泛应用。静力触探的重要用途之一是划分土层，准确确定土层界面信息，这对于土层的工程性质指标的统计计算具有重要意义。从单桥静力触探发展到现在的孔压静力触探，划分土层和土类的方法也在不断地改进和完善，主要分为以下三种方法。3.1目测经验法它是通过检验静探原始数据，根据经验辨认土类、划分土层。目测经验法主要是指运用单桥静力触探曲线的方法。因为单桥静力触探仪只能获得一个单数sP，单凭这一参数不足以准确判定土的种类，它仅适用于城市、工矿区等对当地底层已有概略了解的地方，且在规范或在规程中已建立了比贯入阻力sP与土的塑性指数pI的相关关系的地区。如天津地区可利用交通部一航局提供的经验关系确定地基土的名称，如表1所示。也有工程师在实践中根据自己的经验，结合对触探曲线形态的理解，以及比贯入阻力并层标准，进行定性的对比分层，分别如表2、3所示［5］。表1交通一航局的psIP关系sP1.05.510.014.020.027.030.035.040.0pI28.417.012.010.08.37.06.66.15.6表2力学分层按贯入阻力变化幅度的并层标准sP或cq（Mpa）最大贯入阻力与最小贯入阻力之比≤1.01.0～1.51.0～3.01.5～2.0＞3.02.0～2.5表3不同土层的sP曲线特征土层淤泥及淤泥质粘性土粘土及粉质粘土粉土砂杂填土基岩风化层sP曲线特征sP值较小，曲线平缓，无突变现象sP值较大，曲线平缓，有缓慢的波形起伏，当土层中有结核存在时，存在个别突变现象曲线起伏较大，其波峰及波谷呈圆形（地下水位以下起伏较小），变化频率不大曲线起伏较大，类似粉土的变化，变化频率大，波峰及波谷呈现尖形曲线变化无规律，往往出现突变现象曲线起伏较大，波峰、波谷呈现圆形，变化频率较大sP线型由此看见，由单一的静力触探曲线参数sP值来划分土层很容易造成土层划分的不统一，以及土质分类的不统一。我国虽然在土质分类的原则上是基本一致的，但在具体指标的界限及土的名称上仍很不一致。比如粘性土的划分界限，国标中以pI＞10为标准，而有的规范以pI＞7为标准。另外对软土的定义及认识也存在着差异。所以由于资料标准的不统一，使得单桥静力触探划分土层的进展受到限制。3.2分类图法触探参数与土类的关系受多种因素的相互影响，是触探参数交替重叠，但在复杂的关系中还是可以找出主要的趋势和规律。人们对双桥静力触探和孔压静力触探所测得的参数进行了大量的研究，得出了以下几种划分土层的分类图法［5］。3.2.1双桥静力触探曲线双桥探头的使用使得静力触探可以同时测得锥尖阻力及侧壁摩阻力两个参数，因此采用双桥参数划分土层及土类比单桥触探曲线提高了精度与准确性。当触探过程中遇到相同的cq，而土性不同时，可以再用sf加以区分土类，因为不同土的cq相同时，sf会不同；反之，sf相同时，cq不同。从很多比例尺相同的双桥探头曲线图上可以看到，砂土sf的曲线在cq曲线的