土体原位测试

第一章概述一、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。二、优点（与室内试验比较）1.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。2.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。3.可重复进行验证，缩短试验周期。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。三、土体原位测试的种类四、土体原位测试的应用根据不同的测试方法（包括CPT、DPT、PLT、PMT、FVST、SDPT），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。第二章静力触探一、定义静力触探(StaticConePenetrationTest,简称CPT)是借助机械把一定规格的圆锥形探头匀速压入土中，通过测定探头的端阻qｃ，侧壁摩阻力fｓ来确定土体的物理力学参数，划分土层的一种土体勘测技术。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：单桥静力触探、双桥静力触探、孔压静力触探电测式静力触探的优点：（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼具勘探与测试双重作用；（2）测试数据精度高，再现性好；（3）采用电测技术，便于实现测试工程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，减少了工作强度。二、测试设备与种类设备组成：1.触探主机和反力装置•触探主机可分为液压式和机械式•反力装置可分为自重式和锚式2.测量与记录显示装置3.探头和探杆触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式。触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式。触探主机为机械传动式的，反力装置为地锚式。•探头是静力触探仪的关键部件•分为三种类型：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，uw：孔隙水压力•国际标准探头的规格：锥头顶角60°、底面积10cm2、侧壁摩擦筒面积150cm2、透水石在锥底单用（桥）探头双用（桥）探头多用（孔压）探头三、测试原理电阻应变片电桥I—电流R—电阻U—电压（根据欧姆定律）电压变化（测量值）电流变化应力应变关系21LLKRULLKURELLE四、测试步骤（一）探头率定率定的目的是求出测量仪表的读数与荷载之间的关系——率定系数率定的设备可分为两个主要部分1.可移动的活动架2.量力环探头率定的步骤:a.安装设备b.把连着电缆线和记录仪表的探头安装上c.旋转手轮施加压力，边记录仪表上的读数d.画压力——读数曲线，一般情况下应该是直线e.求率定系数KK等于直线的斜率)mVkN/A(xkx)(kPaAP0（二）野外测试的关键步骤: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注意事项1.触探机就位后，应调平机座，并使用水平尺校准，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。2.触探机的贯入速率应控制在1-2cm/s，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。3.使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m时应记录一次读数。4.遇下列情况时应停止贯入：a、触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；b、贯入时探杆出现明显弯曲；c、反力装置失效；d、探头负荷达到额定荷载时；e、记录仪器显示异常。五、测试数据的处理1.原始数据的整理回零修正触探参数的计算摩阻比FR%100%100csRqfF锥尖阻力侧壁摩阻力ffsqqcXKfXKq侧壁摩阻力：锥尖阻力：'xkx深度（m）锥头阻力qc（kPa）侧壁摩阻力fs（kPa）FR读数回零校正值qc读数回零fs0.14004020.00.840.24214120.51.20.34324120.50.91.03663015.01.14104120.51.2421.338例如：如下表Kq=0.5kPa/R；Kf=0.02kPa/R2．绘制触探参数随深度的变化曲线包括qc-H，fs-H，FR-H3.可以用计算机来数据处理和绘图(page245-249)240页表8-10，填表并绘图六、测试精度影响因素1.探头规格单桥PS双桥qc，fsPSqcqc，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。2.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/s3.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。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。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。1：1002.土类划分a)单桥探头根据Ps，Ps大的一般为砂层，Ps小的一般为粘土层。b)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i.铁道部TBJ37-93规则法ii.中国地质大学法iii.国外法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Ps(Mpa)12346111530Φ(°)29313233343637394.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。表2-24地基基本承载力f0与PS(qc)经验关系式(Mpa).序号提出者经验关系式范围值PS(qc)土层1武汉联合试验组f0=0.1043Pa+0.02690.3—6.0粘性土2交通部三航院f0=0.1Pa+0.0250.5—2.5长江三角洲土3兖州煤矿设计院f0=0.1012Pa+0.0590.35—3.0淮北粘性土4江苏省建筑设计院f0=0.084Pa+0.050.35—5.7南京粘性土5青岛城建局f0=0.074Pa+0.08241.0—0.5青岛粘性土6连云港规划建筑设计院f0=0.0807Pa+0.049滨海软土7铁三院f0=5.8(Pa)1/2-0.046PS单位(kPa)IP7粘性土8铁四院f0=0.112Pa+0.0050.085—0.9软土9武汉冶金勘察公司f0=0.02Pa+0.055.0长江中下游粉细砂土032.01.00sPf序号提出者经验关系式范围值PS(qc)土层10铁一、四院f0=0.044Pa+0.051.0—11.0中粗砂11同济大学等f0=0.055Pa+0.045上海粉土12陕西综合堪察院f0=0.0878Pa+0.024湿陷性黄土13原一机部勘测公司f0=0.098qc+0.019黄土地基14大庆油田、长春地院（1996）f0=0.089qc+0.075f0=0.108qc+0.0644f0=0.0813qc+0.069大庆粘性土、粉土、大庆粘性土大庆粉土15荷兰，比利时f0=(0.033—0.025)qcf0=0.1qc砂土粘性土经统计分析，有人提出：式中α、β为土类修正系数，可参见表2-25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niisspcfdpLfUAqqqqii1a:国外法b.国内的方法铁路系统法单桩的容许承载力看相关的表2-28~2-35)(1][1niisipcppLfUAqKqi第三章孔压静力触探一、定义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孔压触探是可测孔隙水压力的电测式静力触探。孔压触探与一般的静力触探相比，具有下面一些突出优点：1.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。2.可以量测到孔隙水压力，从而有可能进行有效应力分析。3.可以估算土体的渗透系数和固结系数。4.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。5.可以区分排水、部分排水和不排水的贯入条件。6.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。二、孔压探头三、孔压探头的饱和与标定探头饱和的方法有加热排气法和真空排气法可以用水、硅油、甘油等对探头进行饱和孔压探头饱和与检验的装置孔压探头测力传感器的检验与率定同常规探头对孔压探头，还应进行如下检验与标定1.饱和度检验（采用孔压响应试验）2.测力传感器与孔压传感器之间的干扰3.探头孔压传感器的绝缘性检验孔压传感器的率定——孔压率定系数ku四、孔压的测试与数据处理1.贯入过程中测孔压)%(csRuuffscccqfFxkuxkfxkq回零修正触探参数的计算要画随深度变化触探参数曲线孔隙水压力和静水压力10：1孔压消