3.静力触探测试(二)

1原位测试静力触探测试（二）2八、成果应用1.土层划分2.土类判别3.测定土的物理力学性质指标4.在桩基堪察中的应用5.求浅基承载力6.评价砂土和粉土的震动液化7.检验压实填土质量及强夯效果8.黄土湿陷性评价9.判定土质滑坡滑动面、土洞及冻融土强度10.求饱和土层固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度31、土层划分1)绘制各种贯入阻力曲线图，如qc-h，fs-h，FR-h，U-h(Bq-h)等，将触探孔分层，并计算每一分层参数的平均值；1ixxn=∑a)当分层厚度大于1m，且土质比较均匀时，应扣除其滞后深度和超前深度范围的触探参数值；b)对于分层厚度不足1m的均质土层，如为软层，应取其最小值为层平均值；如为硬层应取其大值平均值(最大值上下各20cm范围内测值的平均值)；c)分层曲线中，如遇异常大值，应予剔除，不参与平均计算；42)力学分层工程地质分层a)根据贯入曲线形态特征和参数值大小进行工程地质分层，对每层土进行定名；b)用临界深度和层面影响段概念准确确定各土层分界面。5土层qc(Ps)-h线型特征qc(Ps)-h线型淤泥和淤泥质粘性土qc(Ps)值极低的平缓曲线，无突变现象粘土及粉质粘土Ps值较高的平缓曲线，有缓慢的波形起伏，结核的存在使曲线呈现个别突变现象，qc正负相差10％～20％粉土曲线起伏较大，呈驼背状，其峰值和谷值呈圆形，变化频率不很大，qc正负相差30％～40％砂曲线起伏较大，变化频率大，峰值和谷值呈现尖形，qc正负相差100％杂填土曲线变化无规律，往往出现突变现象基岩风化层曲线起伏较大，波峰和波谷呈圆形，变化频率较大根据土层锥尖阻力曲线特征分层6A－硬壳层B－非粘性土表层C－软粘土D－砂填土E－中密粉土、砂F－密实粉砂、砂或砾石G－密实砾石或冰碛土H－向冰碛土过渡J－粘土与砂土互层K－粉砂根据参数值大小分层7★临界深度的概念地表厚层均质土的贯入阻力自地面向下是逐渐增大的，当超过一定深度后，阻值才趋近于常数值，则将该深度称为临界深度(Hcr)。临界深度在砂土中表现比较明显，而在粘土中基本不存在。8砂土临界深度（单桥静力触探曲线）9砂土临界深度（双桥静力触探曲线）10粘土静力触探曲线（单桥探头）11粘土静力触探曲线（双桥探头）12砂土的临界深度的大小与砂土的密实度、触探头的底面直径密切相关。对于松砂土临界深度较小；小直径探头临界深度较小。13★层面影响段研究发现：探头前后一定范围内的土层性质均对触探参数值有影响。也就是说，各参数是探头上下一定厚度土层的综合贯入阻力值。如下层土硬，阻值随探头贯入深度增大而继续增大；如下层土软，则变小。这一变化段称为层面影响段（过渡带）。层面影响段又可以分为超前段和滞后段。每一层的阻值曲线都有超前段、近似常数段及滞后段。14层面影响段示意图16静力触探成果曲线及其相应土层剖面17根据静力触探曲线进行土层划分的理论依据()0shhhhfhμσμσσμσμζγ==+=+双桥探头fsfsσhσhqcσnσnσn——垂直于锥面的阻力；f——土体对锥面的摩擦力；fs——侧壁摩擦阻力；qc——锥尖阻力；σh——土体产生的水平向抗力；μ——摩擦系数；——土被横向压缩时产生的应力；——土层中天然水平应力；——土的侧压力系数；——土的重力密度；h——锥头入土深度；hσ0hσζγf侧壁摩阻力阻力可以表示为：18锥尖阻力可以表示为：由和得与那些因素有关？2cos2cos2cnqfασα′=+双桥探头fsfsσhσhqcσnσnfαα′=nfμσ=()13cnqμσ=+nσ19锥头贯入对土产生两个力f和σn，将σn分解：同样，对f进行分解；得到锥头对土层的作用力：锥头对土层作用力图解31,22hvnnnnσσσσ==32132hvhnhnvnvnffμσσσμσσσ⎧−=−=⎪⎪⎨+⎪=+=⎪⎩20σh和σv分别由锥头贯入压缩土层产生的压缩应力和土层中的天然水平应力和天然垂直应力叠加而成。压缩应力用σh和σv表示，天然原位应力用σh0和σv0表示，又由及00hhhhvvvvhhσσσσζγσσσσγ=+=+⎧⎪⎨=+=+⎪⎩32132hvhnhnvnvnffμσσσμσσσ⎧−=−=⎪⎪⎨+⎪=+=⎪⎩()13cnqμσ=+21从上式可以看出，qc和fs均和土的重力密度、埋藏深度、侧压力系数、土和探头的摩擦系数密切相关。此外，σh和σv为贯入时孔穴扩张所产生的附加压缩水平应力与附加压缩垂直应力，它们主要和土的力学强度有关。这也正是由qc和fs进行土层划分的依据，也可以解释砂土的临界深度及贯入阻力随深度的增加而增加的现象。()()()213/3chshqhfhσζγμμμσμζγ⎧=++−⎪⎨=+⎪⎩222、土类判别土类因其成因、时代、密实度不同，一般其锥尖阻力（或比贯入阻力）也会有明显不同；也不排除有些土类由于某种原因（如砂层和老粘土）可能具有相同的锥尖阻力（或比贯入阻力），但侧壁摩擦力和孔压值可大不相同。因而在划分土类时，要求以qc为主，结合fs(或FR)和孔压值(或孔压参数比)予以划分。目前，三种探头所测贯入参数均可用来划分土层或土类，但其划分精度有很大差别。232.1单桥探头法结合少量钻探或与室内土工试验资料对比，用单桥探头测试法划分土层还是可行的。方法是将Ps－h变化曲线按其形态和Ps值的大小分成几段，进行宏观分层。需要指出，同一类土，不同时代、不同成因及不同密度的Ps值，可以差别很大；但对于同时代同成因的土层来说，土类和Ps值是密切相关的。这个规律具有普遍意义，不只限于某一地区。24武汉地区长江第四纪冲积层的单桥静力触探曲线252.2双桥探头法双桥探头可测出qc和fs，又可计算出FR，用它来划分土类，要比单桥探头测试法的精度高得多。不同的土类，FR值是不同的。比如，砂类土的FR通常小于或等于1％，而粘性土常大于2％，是极好的划分土类的参数。具体的划分方法有铁道部TBJ37－93规则法、中国地质大学法、国外方法等。26铁道部TBJ37－93规则法（双桥）此法的优点是建立了土类划分边界方程，便于计算机处理；其缺点是划分土类太粗糙。qc小于0.7MPa为软土27中国地质大学法利用双桥探头测试得到的qc、fs、FR三个参数绘制三角图划分土类。28划分土类三角图0.07粗砂中砂粉砂和细砂粉土粉土和粉质粘土29淤泥三角图30国外方法（双桥）根据锥尖阻力和摩阻比来划分土类。由大庆地区的资料绘制的分类图国外资料31土的分类图322.3孔压探头法用孔压探头所测的参数(锥尖阻力、孔隙水压力及侧壁摩擦阻力)在划分土类方面都很有用。与双桥探头法相比，划分土类的精度又有了很大提高，特别是在区分砂(层)和粘土(层)方面的精度极高。其主要原因是孔压探头所测超孔隙水压力值的大小直接和土类密切相关。孔隙水压力值随土类、深度等的不同而异。为了便于比较，一般采取孔隙水压力参数比Bq来划分土类。33孔压参数比020qtvuUBqσ−=−式中，Bq——孔压参数比；u2——某一深度的最大孔隙水压力（kPa）；U0——某一深度的静水压力（kPa）；σv0——土层的上覆压力；ρw——水的密度（10kg/m3）；h——水位至测点的深度（m）；qt——总锥尖阻力；0wUhρ=⋅()2211atcccAqquaquA⎛⎞=+−=+−⎜⎟⎝⎠α——有效面积比（0.3~0.9）；Aa——顶柱横截面积；Ac——锥底横截面积；u2——贯入时锥肩孔压；34利用孔压静力触探曲线划分土层U0——静水压力；Ud——超孔隙水压力；σv0——上覆压力；35《铁路工程地质原位测试规程》（TB10041-2003）主判别辅助判别（u1位置）36孔压静力触探判别土类（u2位置）37国外方法（孔压）分类一(据Robertson等)38分类二(据Senneset等)39分类三(据Jones等)403、测定土的物理力学性质指标土的室内试验指标是经过钻探取样、室内试验获得的。室内土工试验指标(如压缩模量Es，液性指数Il，孔隙比e，天然重力密度γ，含水量W，抗剪强度指标C、φ、Cu，砂土的相对密度Dr等)与静力触探参数Ps、qc、fs等之间的关系也呈现出一定的规律性。413.1砂类土用静力触探求砂土的相对密度Dr，已积累了相当丰富的经验，效果较好。有列表法和图示法两种。42用静力触探评定砂土的密实度Ps——国产单桥探头所测砂土的比贯入阻力，100kPa；qc——双桥探头所测砂土的锥尖阻力，100kPa；43锥尖阻力qc（100kPa）有效上覆压力相对密度Dr用锥尖阻力求砂土相对密度46铁道部静探规则（TBJ37-93）47砂土内摩擦角与锥尖阻力关系图Nq——承载力系数；qc——锥尖阻力；σ'v0——有效上覆压力；φ——内摩擦角；内摩擦角φ承载力系数483.2粘性土1)求粘性土的内聚力C和内摩擦角φ0.00690.1023ctgqϕ=−400qc8200(kPa)sCafb=−式中，C，fs单位为kPa；a，b与土类有关。如：当16fs80kPa时，a＝12.14，b＝32.77；当1fs9时，a＝5.47，b＝3.80。492)求粘性土不排水抗剪强度Cu0cvukqCNσ−=Cu——粘性土的不排水剪强度（100kPa）；σv0——上覆土层压力（100kPa）；Nk——经验圆锥系数，一般为11～19；一般来说，Nk随软粘土灵敏度的增高而降低。50由Ps（qc）求Cu（kPa）513)求软粘土灵敏度St根据中国地质大学在深圳和武汉软土地基的勘察和研究中，发现双桥静力触探和十字板测试的软土灵敏度(St)之间存在如下关系：100tRSF=524)判断土的稠度状态（含水量）()40.90.18ln1006.21ln9.943lssIPWP=−=+(0.2Ps6.9)MPa53用孔压探头法判定土的状态020qtvuUBqσ−=−545)求饱和重力密度γsat44.456ln12.2412.110.25/satssatsPPγγ=+=−0.2≤Ps≤2.5（Mpa）2.5≤Ps≤6.9（Mpa）注：西南交大研究成果556)求土的压缩模量Es及变形模量E0公式法求压缩模量Es56表格法求压缩模量Es57按比贯入阻力Ps确定地基土变形模量E0587)求土的天然孔隙比e0594、在桩基勘察中的应用静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探试验相当于沉桩的模拟试验。因此，它很早就被应用于桩基勘察中。用静力触探成果计算单桩承载力，效果特别良好；与桩基静力载荷测试相比，静力触探具有明显的优点：①静力触探试验可以在每根桩位上进行，快速经济，简便有效；②桩的静载设备笨重，成本高，周期长，而且只有在成桩后才能做，试验数量非常有限，测试成本也远远高于静力触探试验。因此，静力触探在桩基勘察中得到了广泛应用。60但两者还是有区别的：①桩的表面较粗糙，桩的直径也大，沉桩时对桩周围土层扰动也大；②静载试验中，桩的沉降量很小，沉降速度很慢；而静力触探贯入速率较快。因此，要对静力触探成果的锥尖阻力和侧壁摩擦力加以修正后才能应用于桩基计算中。由于桩载荷试验求出的单桩承载力最可靠，所以将静力触探试验和桩载荷试验配合应用，互相验证，将会减少桩基检测费用。61应用静力触探法计算单桩极限承载力的基本公式∑=+⋅⋅=+=niisspcfdpLfUAqqqqii1βαqp——单桩竖向极限承载力（kN）；qc——桩端附近的平均锥尖阻力（kPa）；A——桩端截面积（m2）；α——桩端阻力修正系数；Up——桩身截面周长（m）；fsi——第i层土静探侧壁摩阻力平均值（kPa）；Li——桩身在第i层土中的长度（m）；βsi——fsi的修正系数；n——沿桩侧所分的土层数；624.1铁道部《静力触探技术规则》打入混凝土预制桩的单桩极限承载力qc为桩端以上、以下4倍桩径范围内的qc平均值，如桩端以上4倍桩径的qc平均值大于桩端以下4倍桩径的qc平均值，则取桩端以下4倍桩径范围的qc平均值；条件αβsi同时满足qc2000kPa和fsi/qc≤0.014不同时满足qc2000kPa和fsi/qc≤0.014()0.3512.06