第五章—静力触探

第五章静力触探试验1一、概述二、试验的仪器设备三、试验原理四、试验方法及技术要求六、试验成果的工程应用2主要内容五、试验资料的整理与分析一、概述（一）静力触探试验的定义（二）静力触探试验的发展（三）静力触探试验的分类（四）静力触探试验的优缺点及适用性（五）静力触探试验的应用3静力触探试验是利用准静力以恒定的贯入速率将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列探杆压入土中，同时测记贯入过程中探头所受到的阻力，根据测得的贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的现场试验方法。（一）静力触探试验的定义（CPT）一、概述45动力触探静力触探扁铲侧胀旁压十字板（一）静力触探试验的定义（CPT）一、概述61932年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。到20世纪60年代，出现了电测静力触探，使静力触探的测试精度、自动化程度等都得到了提高。70年代又出现了新型的孔压静力触探技术。我国从上世纪60年代引入静力触探技术以来，该试验方法得到了广泛的应用，是我国目前应用最广的原位测试技术。目前，静力触探技术也朝着多功能化发展，测试参数的范围也越来越多，除岩土体的工程性质外，还可以测温、测斜、地磁、土壤电阻以及地下水pH值等。（二）静力触探试验的发展一、概述7按探头功能分为：单桥静力触探；双桥静力触探；孔隙水压力静力触探(PiezoConepenetrationTest)，是可测孔隙水压力的静力触探，简称孔压触探(CPTU)。（三）静力触探试验的分类一、概述8（四）静力触探的优缺点及适用性1．适用土层：适用于软土、粘性土、粉土、砂土类以及含少量碎石的土层。2．优缺点：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，不受取样扰动影响；（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。缺点：贯入机理不清；静力触探不能对土样进行直接的观察、鉴别；不适用于含较多碎石、砾石的土层和很密实的砂层。9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。3.孔压触探的优点：10（五）静力触探试验的应用用于土类定名，划分土层界面；评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数；确定地基承载力；确定单桩极限承载力；判定地基土液化的可能性。11典型静力触探试验结果示例12海床静力触探试验13海床静力触探试验14较早的静力触探试验车15静力触探试验车测试结果示意图16二、试验的仪器设备（一）试验设备的组成（二）贯入系统（三）测量和记录显示装置（四）探头（五）探杆、电缆线等17（一）试验设备组成1.贯入系统：由触探主机和反力装置组成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。触探主机按传动方式分为电动机械式、液压式和手摇链条式。反力装置的作用是平衡贯入阻力对贯入装置的反作用。反力装置可分为压重式、地锚式以及地锚与重物联合式。2.测量与记录显示装置3.探头4.探杆和电缆线等18（二）贯入系统（1）静力触探车：触探主机为液压传动式的，反力装置为压重式。油缸总推力达10～20t，软粘土地区触探深度达60m左右。19（2）拖挂式静力触探车：触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式。20（3）落地式手推静力触探车：触探主机为液压传动式的，反力装置为压重式+地锚式。21（4）小型液压式静力触探仪：触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式。22（5）CLD型静力触探-十字板剪切两用仪：触探主机为机械传动式的，反力装置为地锚式。贯入能力2～3t，软粘土地区触探深度可超过20m。23（6）贯入系统的贯入能力从设备角度来说，贯入系统的贯入能力主要取决于三方面的因素：①贯入设备能力的大小；②触探头截面的大小及其与探杆的配合；③反力装置能提供的反力大小。如果反力不够，整个贯入设备的能力就得不到充分发挥。24（三）测量与记录显示装置量测记录仪表主要有4种类型：电阻应变仪、自动记录绘图仪、数字式测力仪以及电脑数据采集仪。电阻应变仪数字式测力仪(秦皇岛信恒电子科技有限公司)25自动记录绘图仪工作系统26TCY型孔压静力触探数据采集仪27（四）探头静力触探探头为地层阻力传感器，是静力触探仪的关键部件。分为四大类型：单桥探头、双桥探头、孔压探头和多功能探头通常探头包括摩擦筒和锥头两部分。28（1）单桥探头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。29（2）双桥探头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qc和侧壁摩擦力fs两个参数的探头。国内外普遍采用，用途很广。30（3）孔压探头多用（孔压）探头：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。孔压探头可测即锥头阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力u功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。31透水滤器在锥头透水滤器在锥头底部微孔滤水器透水滤器在锥面32除了具有双桥探头所需的各种部件外，还增加了由微孔材料做成的透水滤器和一个孔压传感器，要求材料的渗透系数为(1.1士0.1)×10-5cm/s，抗渗能力为110±5(kPa)。透水滤器的位置可镶嵌于探头的锥尖,锥面或锥尾。微孔材料可以是微孔不锈钢、微孔陶瓷、微孔砂石、微孔塑料等。水滤器在探头上的各种位置从外观上辨认三种探头33孔压探头探头规格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。34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6043.71517920035（五）探杆与电缆探杆是传递贯入力的媒介，通常用外径为32～35mm，壁厚为5mm的高强度合金无缝钢管。每根探杆的长度以1m为宜。36屏蔽电缆（五）探杆与电缆37三、试验的原理（一）静力触探探头的工作原理（二）静力触探贯入机理（三）孔压静力触探贯入机理38（一）静力触探探头的工作原理静力触探探头大部分采用电阻应变式测试技术。应变桥路有两种方式：半桥和全桥。探头的空心柱体上的应变桥路有两种布置方式。受力后，产生电位差，毫伏计便指出流过的电流的大小，这个电流的大小与空心柱体的受力伸长有关。在实际工作中，把空心柱体的微小应变所输出的微弱电压，通过电缆，传至电阻应变仪中的放大器放大几千倍到几万倍后，就可用普通的指示仪表量测出来。39（一）静力触探探头的工作原理半桥双臂布置不受力时：D1D2=R1R2UBD=0D1D2承受拉力，R1R2处于自由状态，电阻不变。受力后：（D1+△D1）（D2+△D2）＞R1R2（1）半桥40全桥四臂布置D1D2承受拉力，D3D4处于受压状态。不受力时：D1D3=D2D4受力后：（D1+△D1）（D3+△D3）＞（D2-△D2）（D4-△D4）UBD＞0这种电测探头可以量测到的最大贯入阻力30MPa，且灵敏度高，可反映10kPa的贯入阻力变化。所量测的只是探头部分所承受的阻力，避免了探杆与孔壁间摩擦的影响。必须考虑温度的影响时，应采用全桥。（2）全桥41（二）静力触探试验的贯入机理1、qc和fs存在“临界深度”；2、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；3、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目前的土力学还不能完善的从理论上解析圆锥探头与周围土体间的接触应力分布及相应的土体变形问题。已有的近似理论分析可分为承载力理论分析、孔穴扩张理论分析两类。42（二）静力触探试验的贯入机理1、qc和fs存在“临界深度”：在均质土层中进行静力触探试验，不论锥尖阻力qc，还是侧壁摩阻力fs，在一定深度范围内随着贯入深度的增大而增大，但达到一定深度后，两者均达到极限值而不再增加。临界深度与土的密实度和探头的直径有关，密实度越大，探头直径越大，临界深度也越大。一般qc比fs要大。4344（二）静力触探试验的贯入机理2、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（1）松散砂土中，探头的阻力主要决定于土的压缩性，多为刺入破坏；（2）一般土和密实的砂土中，贯入深度小于临界深度时，以整体剪切破坏为主；达到临界深度以后，由于土的侧向约束增大，以局部剪切破坏为主。45（二）静力触探试验的贯入机理3、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（1）在软粘土中，由于扰动区的存在往往造成测试强度偏低；（2）在松砂中，扰动区土体被挤压密实，测得强度偏高；（3）在密实砂中，砂粒甚至会被压碎。46（三）孔压静力触探的贯入机理△σoct△τoct探头挤土引起的正应力和刺入引起的剪应力在探头锥尖下面，由于孔穴扩张，孔压的变化主要受平均正应力增大的影响，剪应力的变化影响不大；47ut=u0+△uoct+△usut——试验中量测的孔压；u0——土层中的静止孔隙水压力；△uoct——由正应力变化引起的超孔压；△us——由剪应力变化引起的超孔压。探头圆柱部分，正应力逐渐衰减，剪应力成为孔压变化的主要影响因素，由剪应力引起的超孔压因土的应力历史不同，可正可负。48四、试验方法及技术要求（一）试验前的准备工作（二）孔压探头的校正与饱和处理（三）野外测试的关键步骤与注意事项（四）试验的终止标准49（一）试验前的准备工作1、安装电缆将电缆按探杆的连接顺序一次穿齐，探杆应比计划深度多2～3根，电缆长度应足够。2、安放触探机平整地面，反力措施应能提供足够的反力。3、检查探头应检查探头是否符合规定的规格，整个系统是否在标定后的有效期内。5051（二）孔压探头的校正与饱和处理校正的设备可分为两个主要部分：可移动的活动架和量力环1、测力传感器的校正81076123459钢环测力式探头率定装置图1-活动架上梁；2-顶帽；3-探头；4-活动架；5-底座；6-百分表；7-钢环；8-传动箱；9-手柄；10-顶针校正的步骤:（1）安装设备；（2）把连着电缆线和记录仪表的探头安装上；（3）旋转手轮施加压力，边记录仪表上的读数；（4）画压力-读数曲线，一般情况下应该是直线；（5）求校正系数k。x)(kPaAP0521、测力传感器的校正N各级荷载Pi(kN)仪表读数x（με;mV）加荷卸荷1234123401234567891053测力传感器的校正结果记录表2、孔压探头的饱和处理孔压探头的饱和是正确量测孔压的关键，如果没有饱和会含有气泡，量测时会有一部分孔隙水压力消耗在空气压缩上，使测试孔压数据失真。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处理。54孔压探头排气饱和装置储水瓶集水器真空泵孔压探头排气器通大气通大气通大气55（三）野外测试的关键步骤►（1）布孔位，平整场地；►（2）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；►（3）将探头、测量电缆、探杆连接起来，并检查测量仪表，并调零；►（4）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；►（5）在预定位置做孔压消散测试：停止贯入并记录超孔压随时间的消散过程。56静力触探试验测试过程记录探头所受的阻力侧摩阻力锥