貫入試驗在我國的發(fā)展

一、靜力觸探法的研究本文試圖在中國進行實驗性試驗，重點介紹了靜力觸碰應(yīng)用，尤其是對入侵樁的估算經(jīng)驗。早在30年代,已經(jīng)有手工操作的靜力觸探儀(圖1),它具有圓錐形的錐頭、探桿、探管(摩擦筒),類似于老式的荷蘭靜力觸探儀。這是當(dāng)時在上海的外國工程師組織“中國工程協(xié)會”的“基礎(chǔ)工程委員會”研制的。前浚浦局的工程師用這個靜力觸探儀查勘了上海復(fù)興島(當(dāng)時叫周家咀島)吹填土的稠度,但在抗日戰(zhàn)爭期間停頓下來了,現(xiàn)在未能找到詳細的檔案資料。50年代,陳宗基教授等研制了靜力觸探車,探頭的簡圖見圖2。林崇義曾用以研究蘭州黃土的性質(zhì)。建工部綜合勘察院王鐘琦教授等1964年研制的我國第一臺電測靜力觸探儀,并于1966年在武漢召開的第二屆全國土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議上提出了題為《電阻應(yīng)變式靜力觸探及其初步應(yīng)用》報告,但會議論文集因故未能編輯付印。以后,曾有英文本發(fā)表,這是一種“單橋”式電測靜力觸探儀,量測和記錄探頭貫入的總阻力,即錐尖阻力與側(cè)壁摩阻力的總和。后來,有了“雙橋”式電測靜力觸探儀,把錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力分別記錄下來。王鐘琦教授曾委托科技情報工作單位進行檢索,由此知道國際上最早的Fugro電測靜力觸探儀的報道,見于1971年美國《工程新聞記錄》(EngineeringNewsRecord)雜志,比我國的報告遲5年。因此,可認為我國電測靜力觸探儀的研制處于國際上領(lǐng)先地位。但是,根據(jù)荷蘭Delft土工研究所的報告電測靜力觸探儀是1948年在荷蘭首先研制的,由于未能找到關(guān)于電測靜力觸探儀歷史及發(fā)展的報告,也因為不同地區(qū)的科學(xué)工作者在不同時間獨立地制訂研究方案,得出各自的成果,是歷史上常有的事情,所以這只能作為一個問題提出來。早在50年代,南京水利實驗處參考美國標準,制訂了標準貫入儀(SPT)的操作規(guī)程。與此同時,不同的動力觸探法也在工程實踐中應(yīng)用了。幾種通用的標準貫入儀及動力觸探儀的探頭規(guī)格示于圖3及表1。二、確定接頭貫入速率幾種目前通用的電測靜力觸探儀探頭的示意圖及規(guī)格列在表2中。其中,單橋探頭記錄的比貫入阻力ps值為雙橋探頭記錄的錐尖阻力(qc)和側(cè)壁摩阻力(fs)分別為式中,Af=πDL,D及L分別為錐頭直徑及摩擦筒的長度。探頭的貫入速率通常在0.8—1.6m/min之間。用不同規(guī)格的探頭(表2),當(dāng)貫入速率在上述范圍內(nèi)時,對于測得貫入阻力(ps,qc,fs)值不會有顯著的差別。三、[r]-psps唐賢強工程師等匯總了土的貫入阻力ps與不排水抗剪強度cu之間的相關(guān)關(guān)系,摘錄示于圖4及表3。從圖4、表3可看出,除式e外,以上列舉的4個經(jīng)驗公式都是很接近的。這些經(jīng)驗公式僅適用于軟粘土地基。在我國基礎(chǔ)設(shè)計及地基勘探規(guī)范、規(guī)程中,通常給出從靜力觸探阻力估算地基土的容許承載力[R]、變形模量E0及壓縮模量Es數(shù)值的經(jīng)驗公式,用于低層房屋、小橋的設(shè)計計算。其中有鐵道部的暫行規(guī)定、建筑部門的勘察規(guī)范,以及北京的規(guī)定、上海地基設(shè)計規(guī)范(1989)等。地基土的容許承載力[R](也叫“基本強度”),系指在保證地基土穩(wěn)定并且不發(fā)生太大(不能容許)的沉降時的基底壓力數(shù)值。[R]值可根據(jù)地區(qū)性經(jīng)驗確定;也可以從荷載板試驗,從土的物理力學(xué)性指標值,或者從比貫入阻力ps確定。[R]-ps相關(guān)關(guān)系示于圖5、表4、圖6及圖7。唐賢強等建議把以上經(jīng)驗公式分為三類:1.較高[R]值的土(即圖5的曲線a,b)相當(dāng)于Q3或更古老的硬粘土,一般為超壓密土。2.中等[R]值的土(即圖5的曲線c,d,e)相當(dāng)于Q4,一般為正常壓密土。3.較低[R]值的土(即圖5的曲線f)相當(dāng)于新近沉積的土,一般為欠壓密土。通常認為從靜力觸探比貫入阻力Ps估算[R]值,對于軟粘土和中等堅硬程度的粘土可以得到比較滿意的結(jié)果,而用于硬粘土不很滿意。關(guān)于從比貫入阻力ps估算砂土的容許承載力[R],提出如下幾點認識:1.因為取砂土的“不擾動”試樣比較困難,所以從ps值估算[R]值是很實用的方法。2.從ps值估算[R]值,對于中密砂比較可靠,對于松砂、密砂不夠滿意。3.在室內(nèi)試驗槽內(nèi)建立密砂的[R]-Ps經(jīng)驗關(guān)系時,測得的ps值可能是相應(yīng)于把砂粒壓碎時的數(shù)值(因此偏高),這不符合于原位測試的條件。4.對于飽和的密實砂土與粉土,用帶孔隙水壓力計的探頭較好,否則由于密砂的“剪脹性”可能得到過高(虛假)的貫入阻力。圖8是根據(jù)北京市勘察院的規(guī)定中關(guān)于中等堅硬程度粘土的條文繪制的。圖中探頭尺寸不同于表2列出的幾種規(guī)格,另外,圖8(d)的ps-N10經(jīng)驗關(guān)系是地區(qū)性經(jīng)驗,不應(yīng)隨便推廣應(yīng)用于其它地區(qū)。圖8的目的是為了舉例說明不同規(guī)格的探頭的參數(shù)之間是否可以找到換算關(guān)系,也為了說明觸探方法應(yīng)當(dāng)考慮逐漸標準化?？碧綀蟾嬷型ǔ＝o出的地基土變形性質(zhì)參數(shù)為變形模量E0及壓縮模量Es,用于估算低層房屋淺基礎(chǔ)的沉降。變形模量E0是從荷載板試驗的P-S曲線確定的。式中μ為土的泊松比;A,d分別為荷載板的面積及邊長(或直徑);S是P-S曲線上對應(yīng)于壓力p的沉降值。壓縮模量Es是從室內(nèi)固結(jié)試驗的孔隙比e與壓力p關(guān)系曲線上求得的。式中取p1=0.1MPa,或等于上覆壓力;Δp=0.1或0.2MPa。E0及Es值其實是不很確定的,與地區(qū)性經(jīng)驗有關(guān),也與人為因素有關(guān)。關(guān)于變形模量E0與壓縮模量Es的關(guān)系,可以導(dǎo)得如下的公式:式中β為小于1的系數(shù),當(dāng)μ=0.05及0.45時,β分別等于0.996及0.264。但根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出的結(jié)果,絕大多數(shù)情況是E0>Es。圖9為武漢聯(lián)合小組提出的粘性土變形性質(zhì)參數(shù)E0,Es與比貫入阻力ps的經(jīng)驗關(guān)系曲線。圖10為按照勘察規(guī)范TJ21-77條文繪制的(E0,Es)-ps經(jīng)驗關(guān)系。四、樁側(cè)摩阻力p值的計算過去大量使用的是鋼筋混凝土打入樁,這里主要報道用貫入阻力估算鋼筋混凝土打入樁單樁承載力的經(jīng)驗。其它類型的樁(例如鉆孔灌注樁)的有關(guān)問題,目前已經(jīng)開展了研究工作。單樁極限承載力估算值P的一般公式式中A,U分別為樁端截面積和樁身周長;p為樁端阻力;fi為i層土的樁側(cè)摩阻力;li為i層土的厚度。假定樁端阻力p作用在樁端全斷面處(即平面,見圖11(a)),或作用在樁尖處(即平面,見圖11(c)),為了估算樁端阻力p值,考慮平面(或)以上厚度為d1的土層的貫入阻力(單橋探頭的ps值,或雙橋探頭的qc值),以及厚度為d2土層的貫入阻力(Ps或qc);取d1,d2范圍內(nèi)的貫入阻力平均值(),或者用其它數(shù)學(xué)方法處理,再乘以修正系數(shù),即得樁端阻力P。土層i的側(cè)摩阻力fi為li層的貫入阻力(ps或qc)的平均值乘上一個修正系數(shù)。我國已制訂了幾種用靜力觸探貫入阻力估算單樁承載力的方法,并得到了應(yīng)用。下面簡單介紹三種方法。(一)身份土側(cè)摩阻力p的測定他們所用的雙橋探頭為表2中的Ⅱ-1型。把式(7)改寫如下:式中為d1=4D及d2=D范圍內(nèi)的qc平均值,d1,d2從平面算起(見圖11(c));對于不同的土,取K=2或3;fsi為i層土的側(cè)摩阻力,等于該土層的探頭局部摩阻力fs的平均值。此法系根據(jù)8根試樁資料統(tǒng)計獲得,這種方法所得的單樁承載力P與試樁承載力Pt對比數(shù)據(jù)見文獻。唐賢強等報道了8根試樁的對比數(shù)據(jù),其中4根與上述重復(fù)。黃世銘報道了14根試樁的對比資料。把以上26根試樁對比資料匯總見表5。該方法簡單明瞭,但參加統(tǒng)計子樣較少,地層及樁的規(guī)格單一,估算精度不高。(二)樁身體積d,dfs值該方法最先在《巖土工程學(xué)報》創(chuàng)刊號(1979)上發(fā)表,后又編入第2屆歐洲觸探會議(1982)論文集;并由鐵道部基建總局等列為“暫行規(guī)定”,是全國范圍內(nèi)使用的方法之一。用的也是雙橋探頭(表2的Ⅱ-3型)。式(7)改寫成如下形式:式中qcd取樁端全斷面(即平面,見圖11(a))以上d1=4D范圍內(nèi)的錐尖阻力平均值,以及以下d2=4D范圍的錐尖阻力平均值,再取兩者的平均值;α和凡βi為綜合修正系數(shù),取決于地基土的種類、qc值及其在d1,d2范圍內(nèi)的分布,以及fs值。公式的詳細說明見周鏡等的報道。文獻列舉的61根試樁的P與Pt值對比的情況見表6。該方法是我國鐵路和公路工程中廣泛采用的,特點是能用計算機統(tǒng)計出相關(guān)關(guān)系的優(yōu)化組合,但機理不夠明顯。(三)上海靜力研究團隊提出的方法1.樁端阻力psb的計算最初提出了用單用探頭(表2的Ⅰ-2型)估算單樁承載力的方法,見唐賢強等的報道;后來有了改進,見童翊湘等的文章;又經(jīng)過簡化,列入上海地基設(shè)計規(guī)范(1989)。將式(7)改寫如下:采用式(10)估算單樁承載力P時須注意以下幾點:(1)系數(shù)α的變化范圍為(L≤7m)到α=1(L≥30m);對于7<L<30m時,用α=5/6。(2)樁端阻力psb取決于d1及d2范圍內(nèi)的ps值,在不同條件下采用不同的方法。(3)d1和d2不是常量,而是隨樁端全斷面(即平面)的支承條件而不同的。當(dāng)平面位于軟土持力層中,而以下(1-2)D范圍內(nèi)存在著硬的下臥層時,取d1=4D,d2=D;除上述情況以外的其他任何情況時,取d1=8D,d2=4D。(4)不同土類的側(cè)摩阻力fi的取值不同。(軟粘土≤1.0MPa),取fi值等于該層厚度li范圍內(nèi)的比貫入阻力平均值的5%;硬粘土(≥3.0MPa),取fi=0.1MPa;中間情況,用直線插入法取值;砂土、粉土,取fi=0.02,且fi≤0.1MPa。這里僅說明了估算方法的一些要點,細節(jié)可參考文獻。用該法估算上海及華東沿海地區(qū)的136根試樁,其結(jié)果見表7,其中90%左右的樁的估算承載力值P與載荷試驗值Pt比較的誤差在±20%范圍內(nèi)。2.采用psb的試驗結(jié)果隨著單用探頭估算公式的提出,上海小組又提出了用雙用探頭(表2中Ⅱ-2型)估算單樁承載力的方法。將式(7)改寫為式中α為樁端阻力修正系數(shù),取α=1;的取值范圍及方法與式(10)中psb的范圍與方法大致相同;為第i層土探頭局部側(cè)摩阻力平均值;βi為側(cè)摩阻力的修正系數(shù)。用該法估算上海及華東沿海地區(qū)的118根試樁,其結(jié)果列在表8中;68%的樁的估算承載力P與載荷試驗值Pt比較的誤差在±20%范圍內(nèi)。上海靜力觸探小組提出的兩種估算公式,其基本假定是一致的,公式易理解,但計算方法還太繁瑣,希進一步簡化。五、靜力觸探的應(yīng)用以上簡單介紹了靜力觸探在我國的發(fā)展與應(yīng)用。還有幾個問題需作說明。地基勘察中(特別是低層房屋及輕型結(jié)構(gòu)物),靜力觸探通常用于初步的地層劃分,評價土性指標如粘性土的不排水剪強度cu,砂性土的內(nèi)摩擦角φ及相對密度Dr等等。用靜力觸探來評價地基土的設(shè)計參數(shù),如承載力[R]值、變形模量E0和壓縮模量Es值是很方便的,并已推廣應(yīng)用了;但很難對求得的參數(shù)可靠(可信)程度作出評價,也很少知道根據(jù)這些參數(shù)([R],E0,Es),設(shè)計的結(jié)構(gòu)物在使用期間的性狀如何。相信現(xiàn)有的報道都是地區(qū)性的經(jīng)驗總結(jié),不應(yīng)當(dāng)隨便推廣應(yīng)用。靜力觸探的應(yīng)用已經(jīng)列入地方規(guī)范,例如北京的規(guī)定、上海地基設(shè)計規(guī)范(1989)等。對我國許多地區(qū)不同的土,包括西北的濕陷性黃土、北方的季節(jié)性土、西南的紅土及膨脹土等都已采用了靜力觸探。鐵路靜力觸探小組及武漢水利電力學(xué)院劉祖德教授對由室內(nèi)模型試驗探討靜力觸探機理已進行了研究,本文不一一贅述。因為在勘察工作中使用了多種型式的探頭(表1、表2),所以巖土工程師關(guān)注如何建立不同的貫入阻力參數(shù)(如N,ps,qc,fs等)之間的換算關(guān)系,為此,在圖8(d)中給出了N10-ps的經(jīng)驗關(guān)系。但是,這樣的經(jīng)驗關(guān)系的報道還很少看到,相信建立這種經(jīng)驗關(guān)系曲線并不容易。同時,認為有逐步標準化的需要。幾十年來,我國的巖土工程師一貫地重視靜力觸探,而較少注意標準貫入(SPT)和動力觸探;這可能是我國較早地把靜力觸探應(yīng)用于評價砂土液化勢的原因之一。有一個重要的研究成果指出,靜力觸探評價“純”砂的液化勢是比較可靠的,但對于含細顆粒的砂不太滿意。海洋巖土工程領(lǐng)域內(nèi),靜力觸探理所當(dāng)然地占有了重要的地位。中科院力學(xué)所錢壽易教授說,中國目前是用美國石油學(xué)會(API)的標準來估算石油平臺的長鋼管樁的承載力,主要是參考Toolan等的著作;但還沒有與載荷試驗