静力触探试验(原理和应用)

静力触探试验静力触探测试〔staticconepenetrationtest〕简称静探（CPT）。静力触探试验是把一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压人土中，并测定探头阻力等的一种测试方法，实际上是一种准静力触探试验。荷兰人在20世纪40年代提出了静力触探技术和机械式静力触探仪。试验是用机械装置把带有双层管的圆锥形探头压人土中，在地面上用压力表分别量测套筒侧壁与周围土层间的摩阻力（fs）和探头锥尖贯入土层时所受的阻力（qc）。电测静力触探试验于1964年首先在我国研制成功。原建工部综合勘察院成功地研制了世界上第一台电测静力触探仪，即我国目前普遍应用的单桥（单用）探头静力触探仪。利用电阻应变测试技术，直接从探头中量测贯入阻力，并定义为比贯入阻力。20世纪60年代后期，荷兰开始研制类似的电测静力触探仪，探头为双桥式的。此项成果发表于1971年。从20世纪70年代开始，电测静力触探的发展使静力触探有了新的活力，发展迅猛，应用普遍。其中，最重要的发展是国际上于20世纪80年代初成功研制了可测孔隙水压力的电测式静力触探，简称孔压触探.（CPTU）。它可以同时测量锥头阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力，为了解土的更多的工程性质及提高测试精度提供了极大的可能性和现实性。目前在我国使用的静力触探仪以电测式为主。静力触探具有下列明显优点：（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼有勘探与测试的双重作用；（2）采用电测技术后，易于实现测试过程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，大大减轻了人的工作强度。由于以上原因，电测静力触探是目前应用最广的一种土工原位测试技术，本章将重点加以叙述和讨论。静力触探的主要缺点是对碎石类土和密实砂土难以贯入，也不能直接观测土层。在地质勘探工作中，静力触探常和钻探取样联合运用。图2-1是静力触探示意和得到的测试曲线。从测试曲线和地层分布的对比可以看出，触探阻力的大小与地层的力学性质有密切的相关关系。静力触探技术在岩土工程中的应用在于：对地基土进行力学分层并判别土的类型；确定地基土的参数（强度、模量、状态、应力历史）；砂土液化可能性；浅基承载力；单桩竖向承载力等。图2-1静力触探示意及其曲线（a）静力触探示意及土层剖面（b）静力触探曲线试验设备和方法试验设备静力触探仪一般由三部分构成，即：①触探头，也即阻力传感器；②量测记录仪表；③贯入系统：包括触探主机与反力装置，共同负责将探头压人土中。目前广泛应用的静力触探车集上述三部分为一整体，具有贯入深度大（贯入力一般大于100kN）、效率高和劳动强度低的优点。但它仅适用于交通便利、地形较平坦及可开进汽车的勘测场地使用。贯入力等于或小于50kN者，一般为轻型静力触探仪，使用时，一般都将上述三部分分开装运到现场，进行测试时再将三部分有机地联接起来。在交通不便、勘测深度不大或土层较软的地区，轻型静力触探应用很广。它具有便于搬运、测试成本较低及灵活方便之优点。静力触探仪的贯入力一般为20~100kN，最大贯入力为200kN，因为细长的探杆受力极限不能太大，太大易弯曲或折断。贯入力为20~30kN者，一般为手摇链式电测十字板-触探两用仪。贯入力大于50kN者，一般为液压式主机。在参考资料中对触探仪有较为详尽的介绍。（一）探头1．探头的种类及规格探头是静力触探仪的关键部件。它包括摩擦筒和锥头两部分，有严格的规格与质量要求。目前，国内外使用的探头可分为三种类型（见图2-2和2-3）。（1）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。这种探头结构简单，造价低，坚固耐用。此种探头曾经对推动我国静力触探测试技术的发展和应用起到了积极的作用，自60年代初开始应用以来，积累了相当丰富的经验，已建立了关于测试成果和土的工程性质之间众多的经验关系式。由于测试成本低，被勘测单位广泛采用。但应指出，这种探头功能少，其规格与国际标准也不统一，不便于开展国际交流，其应用受到限制。（2）双桥探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可同时测锥头阻力和侧壁摩擦力两个参数的探头。国内外普遍采用，用途很广。（3）孔压探头：它一般是在双用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，即锥尖阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力，功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。在我国，也会得到越来越多的应用。此外，还有可测波速、孔斜、温度及密度等的多功能探头，不再一一介绍。常用探头的规格见表2-1。探头的功能越多，测试成果也越多，用途也越广；但相应的测试成本及维修费用也越高。因而，应根据测试目的和条件，选用合适的探头。表2-1中各类型探头的底面积不同，主要是为了适应不同的土层强度。探头底面积越大，能承受的抗压强度越高；另一个原因是可有更多的空间安装附加传感器。但在一般土层中，应优先选用符合国际标准的探头，即探头顶角为60，底面积为10cm2，侧壁摩擦筒表面积为150cm2的探头，其成果才具有较好的可比性和通用性，也便于开展技术交流。表2-1常用探头规格探头种类型号锥头摩擦筒标准顶角/直径/mm底面积/cm2长度/mm表面积/cm2I-16035.71057单桥I-26043.71570我国独有I-36050.42081II-06035.710133.7150双桥II-16035.710179200国际标准II-26043.715219300孔压6035.710133.7150国际标准6043.715179200（二）量测记录仪表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（微机控制）。1.电阻应变仪从60年代起直到70年代中期，一直是采用电阻应变仪。电阻应变仪具有灵敏度高、测量范围大、精度高和稳定性好等优点。但其操作是靠手动调节平衡，跟踪读数，容易造成误差；因为是人工记录，故不能连续读数，不能得到连续变化的触探曲线。2.自动记录仪我国现在生产的静力触探自动记录仪都是用电子电位差计改装的。这些电子电位差计都只有一种量程范围。为了在阻力大的地层中能测出探头的额定阻力值，也为了在软层中能保证测量精度，一般都采用改变供桥电压的方法来实现。早期的仪器为可选式固定桥压法，一般分成4-5档，桥压分别为2、4、6、8、10V，可根据地层的软硬程度选择。这种方式的优点是电压稳定，可靠性强；但资料整理工作量大。现在已有可使供桥电压连续可调的自动记录仪。3.数字式测力仪数字式测力仪是一种精密的测试仪表。这种仪器能显示多位数，具有体积小、重量轻、精度高、稳定可靠、使用方便、能直读贯入总阻力和计算贯入指标简单等优点，是轻便链式十字板-静力触探两用机的配套量测仪表。国内已有多家生产。这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。4.微机在静探中的应用以上介绍的各种仪器的功能均比较简单，虽然能满足一般生产的需要，但资料整理时工作量大，效率低。用微型计算机采集和处理数据已在静力触探测试中得到了广泛应用。计算机控制的实时操作系统使得触探时可同时绘制锥尖阻力与深度关系曲线、侧壁摩阻力与深度关系曲线；终孔时，可自动绘制摩阻比与深度关系曲线。通过人机对话能进行土的分层，并能自动绘制出分层柱状图，打印出各层层号、层面高程、层厚、标高以及触探参数值。（三）贯入系统静力触探贯入系统由触探主机（贯入装置）和反力装置两大部分组成。触探主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中。触探主机按其贯入方式不同，可以分为间歇贯入式和连续贯入式；按其传动方式的不同，可分为机械式和液压式；按其装配方式不同可分为车装式、拖斗式和落地式等。现场操作要点1．贯入、测试及起拔要点（1）将触探机就位后，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。当触探机不能按指定孔位安装时，应将移动后的孔位和地面高程记录清楚。（2）探头、电缆、记录仪器的接插和调试，必须按有关说明书要求进行。（3）触探机的贯入速率，应控制在1-2cm/s内，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。（4）在地下水埋藏较深的地区使用孔压探头触探时，应先使用外径不小于孔压探头的单桥或双桥探头开孔至地下水位以下，而后向孔内注水至与地面平，再换用孔压探头触探。（5）探头的归零检查应按下列要求进行：1）使用单桥或双桥探头时，当贯入地面以下0.5~1.0m后，上提5~10cm，待读数漂移稳定后，将仪表调零即可正式贯入。在地面以下1~6m内，每贯入1~2m提升探头5~10cm，并记录探头不归零读数，随即将仪器调零。孔深超过6m后，可根据不归零读数之大小；放宽归零检查的深度间隔。终孔起拔时和探头拔出地面后，亦应记录不归零读数。2）使用孔压探头时，在整个贯入过程中不得提升探头。终孔后，待探头刚一提出地面时，应立即卸下滤水器，记录不归零读数。（6）使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m应记录一次读数；使用自动记录仪时，应随时注意桥压、走纸和划线情况，做好深度和归零检查的标注工作。（7）若计深标尺设置在触探主机上，则贯入深度应以探头、探杆人土的实际长度为准，每贯入3~4m校核一次。当记录深度与实际贯入长度不符时，应在记录本上标注清楚，作为深度修正的依据。（8）当在预定深度进行孔压消散试验时，应从探头停止贯入之时起，用秒表记时，记录不同时刻的孔压值和锥尖阻力值。其计时间隔应由密而疏，合理控制。在此试验过程中，不得松动、碰撞探杆，也不得施加能使探杆产生上、下位移的力。（9）对于需要作孔压消散试验的土层，若场区的地下水位未知或不确切，则至少应有一孔孔压消散达到稳定值，以连续2h内孔压值不变为稳定标准。其它各孔、各试验点的孔压消散程度，可视地层情况和设计要求而定，一般当固结度达60%~70%时，即可终止消散试验。（10）遇下列情况之一者，应停止贯入，并应在记录表上注明。1）触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；2）贯入时探杆出现明显弯曲；3）反力装置失效；4）探头负荷达到额定荷载时；5）记录仪器显示异常。（11）起拔最初几根探杆时，应注意观察、测量探杆表面干、湿分界线距地面的深度，并填人记录表的备注栏内或标注于记录纸上。同时，应于收工前在触探孔内测量地下水位埋藏深度；有条件时，宜于次日核查地下水位。（12）将探头拔出地面后，应对探头进行检查、清理。当移位于第二个触探孔时，应对孔压探头的应变腔和滤水器重新进行脱气处理。（13）记录人员必须按记录表要求用铅笔逐项填记清楚，记录表格式，可按以上测试项目制作。2.注意事项（1）保证行车安全，中速行驶，以免触探车上仪器设备被颠坏。（2）触探孔要避开地下设施（管路、地下电缆等），以免发生意外。（3）安全用电，严防触（漏）电事故。工作现场应尽量避开高压线、大功率电机及变压器，以保证人身安全和仪表正常工作。（4）在贯入过程中，各操作人员要相互配合，尤其是操纵台人员，要严肃认真、全神贯注，以免发生人身、仪器设备事故。司机要坚守岗位，及时观察车体倾斜、地铺松动等情况，并及时通报车上操作人员。（5）精心保护好仪器，须采取防雨、防潮、防震措施。（6）触探车不用时，要及时用支腿架起，以免汽车弹簧钢板过早疲劳。（7）保护好探头，严禁摔打探头；避免探头暴晒和受冻；不许用电缆线拉探头；装卸探头时，只可转动探杆，不可转动探头；接探杆时，一定要拧紧，以防止孔斜。（8）当贯入深度较大时，探头可能会偏离铅垂方向，使所测深度不准确。为了减少偏移，要求所用探杆必须是平直的，并要保证在最初贯入时不应有侧向推力。当遇到硬岩土层以及石头、砖瓦等障碍物时，要特别注意探头可能发生偏移的情况。国外已把测斜仪装人探头，以测其偏移量，这对成果分析很重要。（9）锥尖阻力和侧壁摩阻力虽是同时测出的，但所处的深度是不同的。当对某一深度处的锥头阻力和摩阻力作比较时，例如计算摩阻比时，须考虑探头底面和摩擦筒中点的距离，如贯入第一个10cm时，只记录qc；从第二个10cm以后才开始同时记录qc和fs。（10）在钻孔、触探孔、十字板试验孔旁边进行触探时，