岩土静力触探试验原理及技术讲义(54页-图文丰富)

第六讲静力触探试验岩土工程测试原理及技术讲义6.1.1静力触探试验概念静力触探试验(CPT)(conepenetrationtest)是用准静力(没有或少有冲击荷载)将一个内部装有传感器的标准规格的探头匀速压入土中，同时量测探头阻力，测定土的力学特性。由于地层中各种土的状态和密实度不同，探头所受的阻力也不一样，传感器将这些大小不同的贯入阻力转换成电信号，借助电缆传送到记录仪并记录下来，通过贯入阻力与土的工程地质特性之间的定性关系和统计相关关系，来实现获取土层剖面、提供浅基础承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等岩土工程勘察的目的。§6.1静力触探试验概念6.1.1静力触探试验概念静力触探试验就是利用贯入阻力的大小与土层的性质相关的特点，通过贯入阻力的变化情况，达到了解土层的工程性质的目的。静力触探试验兼有勘探和测试双层功能。既可以对地基土进行力学分层并判断土的类型，又可以确定地基土的参数(强度、模量、状态、应力历史)、砂土液化可能性、浅基础承载力、单桩竖向承载力等。静力触探试验适用于软土、一般粘性土、粉土、砂土和含少量碎石的土。静力触探试验对碎石类土和较密实砂土难以贯入，也不能直接地识别土层。静力触探试验一般和钻探一起配合运用。§6.1静力触探试验概念6.1.1静力触探试验概念§6.1静力触探试验概念图6-6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6.1.2静力触探试验特点静力触探试验具有快速、精确、经济和节省人力等特点。特别是对于地层变化较大的复杂场地以及不易取得原状土样的饱和砂土和高灵敏度的软粘土地层的勘察。另外，静力触探试验还能够准确地确定桩尖持力层，这是其余勘探手段难以比拟的。§6.1静力触探试验概念6.2.1静力触探贯入设备静力触探贯入设备包括加压装置和反力装置两部分，其目的是将探头压入土中。§6.2静力触探试验设备一.加压装置其作用是将探头压入土中。一般有“手摇式、齿轮机械式、全液压传动式”等，详见下页图。手摇式——用于较大设备难以进入的狭小场地的浅层地基土的现场测试。齿轮机械式——可单独落地组装，也可装在汽车上，贯入阻力小，贯入深度有限。全液压传动式——普遍应用的贯入设备，最大贯入阻力可达200kN。6.2.1静力触探贯入设备包括“利用地锚作反力、利用重物作反力、利用车辆自重作反力”等方法。利用地锚作反力——用于地表有一层较硬的粘性土覆盖时。利用重物作反力——用于地表土为砂砾、碎石土等地锚难以下入时。利用车辆自重作反力——贯入设备装在汽车上时。§6.2静力触探试验设备二.反力装置6.2.1静力触探贯入设备§6.2静力触探试验设备6.2.1静力触探贯入设备§6.2静力触探试验设备6.2.1静力触探贯入设备§6.2静力触探试验设备6.2.1静力触探贯入设备§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头静力触探试验将探头压入土中时，由于土层的阻力，会使探头受到压力。土层的强度越高，探头所受到的压力越大。探头内置由传感器，通过探头内的阻力传感器，会将土层的阻力转换成电信号，然后由仪表测量出来。探头就是这样工作的，再利用材料变形的胡克定律、电量变化的电阻率定律和电桥原理，而实现岩土原位勘察功能的。§6.2静力触探试验设备一.探头的工作原理6.2.2静力触探探头1.材料变形的胡克定律传感器受力后要产生变形。根据弹性力学原理中的胡克定律，如果应力不超过材料的弹性范围，其应变的大小与土的阻力大小成正比，而与传感器的截面积成反比。因此，只要能够将传感器的应变变化的大小测量出来，即可知道土阻力的大小，从而求得土的有关指标。§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头2.电量变化的电阻率定律如果在传感器上贴上应变片，当传感器受力变形时，应变片也随之产生相应的应变，从而引起应变片的电阻产生变化。根据电量变化的电阻定律，应变片的阻值变化与电阻丝的长度变化成正比，与电阻丝的截面积变化成反比，这样就能将传感器的变形转化为电阻的变化。此时，只要能够将应变片的电阻变化的大小测量出来，就可知道传感器的应变变化的大小。§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头3.电桥原理传感器在弹性范围内的变形很小，引起的传感器上贴的应变片的电阻变化也很小，不容易被测量出来。此时，可以在传感器上贴一组应变片，组成一个电桥电路，使电阻的变化转化为电压的变化，通过放大，就可以测量出来。此时，只要测出放大了电桥电路的电压的变化，就可以测量出来应变片的电阻变化。§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头静力触探试验就是通过探头传感器而实现的一系列的能量转换：土的强度→土的阻力→传感器的应变→电阻的变化→电压的输出。最后由电子仪器将“电压的输出”的电信号放大和记录下来，经过换算，就可达到获取土的强度和其他指标的目的。§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头静力触探的探头的构造基本差不多，主要是根据电桥电路的不同，区分为：单桥探头、双桥探头、孔压探头(在单桥或双桥探头的基础上增加了能够量测孔隙水压力的功能)这几种，详见下页图。§6.2静力触探试验设备二.探头的结构6.2.2静力触探探头§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头§6.2静力触探试验设备6.2.2静力触探探头§6.2静力触探试验设备6.2.3静力触探量测仪器目前我国常用的静力触探试验测量装置主要有电阻应变仪、自动记录仪、静探微机等三种类型。其中静探微机能采用人机结合的方法整理资料，能自动计算静力触探分层力学参数，自动计算单桩承载力，提供qc、fc、Es等地基参数，是目前常用的静力触探测量仪器。§6.2静力触探试验设备6.3.1试验准备工作静力贯入试验的准备工作包括以下一些内容：1.设置反力装置(或利用车装重量)。2.安装压入和量测装备。将触探机就位后，应调平机座底板，并用水准尺校核，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。3.检查电源电压是否符合要求。4.检查仪表是否正常。5.将探头接上测量仪器(应与探头标定时的测量仪器相同)，并对探头进行试压，检查顶柱、锥头、摩擦筒是否能正常工作。§6.3静力触探试验要点6.3.2现场试验工作试验现场的主要工作需要注意的主要有§6.3静力触探试验要点一.探头归零将探头压入地表下0.5m左右，经过一定时间后，将探头提升10~25cm，使探头在不受压的状态下与地温平衡，以设法消除温度变化对传感器的影响。待读数漂移稳定后，将仪表调零，然后可以开始贯入。开始贯入后，应该继续进行探头归零工作，以消除温度变化对传感器的影响。具体做法是：每贯入一定深度(一般2m左右)，提升探头5~10cm，并记录探头不归零数，随即将仪器归零。6.3.2现场试验工作触探机的贯入必须匀速，其贯入速率一般控制在1.2±0.3(m/min)。§6.3静力触探试验要点二.贯入速率孔深超过6m后，可根据不归零数大小，放宽归零检查的深度间隔。终孔起拔时和探头拔出地面后，都应记录不归零数。不归零数也称为“初读数”，是指探头在不受土层阻力的条件下，传感器初始应变的读数(即零点漂移)。初读数的主要用途是后面进行读数修正。6.3.2现场试验工作一般要求每10cm左右记录一次读数，也可根据土层情况增减，但不能超过0.2cm；使用自动记录仪时，应注意桥压、走纸和划线情况。深度记录误差不超过±1%，当贯入深度超过30m或穿过硬土层后，应有倾斜数据。§6.3静力触探试验要点三.贯入读数四.终止贯入当贯入到达预定深度或出现下列情况之一时，应停止贯入：(1)触探主机达到最大容许贯入能力；(2)探头阻力达到最大容许压力；(3)探杆出现明显弯曲；(4)反力装置失效。《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)的第10.3.3条：“静力触探试验成果分析应包括下列内容：1.绘制各种贯入曲线：单桥和双桥探头应绘制ps-z曲线、qc-z曲线、fs-z曲线、Rf-z曲线；孔压探头尚应绘制ui-z曲线、qt-z曲线、ft-z曲线、Bq-z曲线和孔压消散曲线ut-lgt曲线；2.根据贯入曲线的线型特征，结合相邻钻孔资料和地区经验，划分土层和评定土类；计算各土层静力触探有关试验数据的平均值，或对数据进行统计分析，提供静力触探数据的空间变化规律。§6.4静力触探资料整理原始记录的修正包括读数修正、曲线脱节和深度修正三个内容。1.读数修正——消除温度影响：自动记录仪读数时，在触探前和触探过程中，每每贯入一定深度(一般2m左右)，提升探头一次，并将仪器的初读数调零，这样得到的数据可以不做修正。如果初读数不归零，仍然需要每贯入一定深度(一般2m左右)，提升探头一次，不调零但记录初读数，然后根据归零检查的深度间隔按线性内插法对测试值加以修正。ε=ε1-ε0一.原始记录的修正§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理2.曲线脱节修正：非连续贯入触探仪每一行程结束和新的行程开始时，自动记录仪的自动记录的曲线会出现台阶或喇叭口状，如右下图所示。对于这种情况，一般以停机前曲线位置为准，顺应曲线变化趋势，将曲线较圆滑地连接起来，见右图中的虚线所示。§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理3.深度修正：静力触探过程中，由于导轮磨损、导轮与触探杆打滑，以及触探孔倾斜、触探杆弯曲等原因，会造成记录曲线上记录深度与实际深度不符。对于触探杆打滑、速度比不准等原因造成的深度误差，应在贯入过程中随时注意，做好标记，在整理资料时，按深度线性修正误差或在漏记处补全。对于导轮磨损引起的误差，应及时更换导轮。对于孔倾斜引起的误差，则应在触探的同时量测探杆的倾斜角(相对铅垂线)，则可以按下式对贯入量进行修正。§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理触探时，量测到的某段探杆倾斜角(相对铅垂线)为△hi，则该段的贯入修正量为：式中△hi——第i段深度修正值；θ,θi——第i次和第i-1次实测的倾斜角。触探结束时的总修正量为∑△hi，则实际的贯入深度应为：§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理2cos11iiihihh单桥探头的比贯入阻力、双桥探头的锥头阻力及侧壁摩阻力按下列公式计算：ps=Kp·εpqc=Kq·εq；fs=Kf·εf式中：ps——单桥探头的比贯入阻力(MPa)；qc——双桥探头的锥头阻力(MPa)；fs——双桥探头的侧壁摩阻力(MPa)；Kp、Kq、Kf——分别为单桥探头、双桥探头的标定系数(MPa/με)；εp、εq、εf——分别为单桥探头、双桥探头贯入的应变量(με)。二.贯入阻力的计算§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理摩阻比α是以百分率表示的各对应深度的锥头阻力和侧壁摩擦力的比值：α=fs/qc×100%式中α——双桥探头的摩阻比。三.摩阻比的计算§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理使用微机触探时，可由微机自动完成需要的单孔静探曲线。人工读数记录时，需要根据测得的数据绘制单孔静探曲线。需要绘制的曲线一般包括：ps-h曲线、qc-h曲线、fs-h曲线、α-h曲线等，详细可见下页图形。其中：ps——单桥探头的比贯入阻力(MPa)；qc——双桥探头的锥头阻力(MPa)；fs——双桥探头的侧壁摩阻力(MPa)；α——双桥探头的摩阻比。四.绘制单孔静探曲线§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理§6.4静力触探资料整理6.4.1单孔资料整理如前所述，静力触探试验就是用静力将装有传感器探头匀速压入土中，同时量测探头的阻力。由于地层中各种土的状态和密实度不同，探头所受的阻力也不一样，因此可以通过贯入阻力的变化，了解土层的工程性质，查明地基土在水平方向和垂直方向的变化，以此来划分土层。分层时应首先考虑静探曲线形态变化的趋势，再结合考虑本地区地层情况或钻探资料进行。划分土层时，划分的详细程度应满足实际观测的需要，对主要受力层以及对观测有影响的软弱夹层和下卧层应详细划分。§6.4静力触探资料整理6.4.2划分土层划分分层界限时，需要考虑贯入阻力曲线中有超前和滞后现象。这种现象一般出现在探头由密实土层进入软土