1、第4章 靜力觸探試驗(yàn),主講：崔德山,目錄,1. 概述 2. 靜力觸探儀器組成 3. 靜力觸探試驗(yàn)原理 4. 試驗(yàn)方法和技術(shù)要求 5. 靜力觸探試驗(yàn)資料整理 6. 靜力觸探成果的工程應(yīng)用 7. 工程實(shí)例 8. 下節(jié)課：第5章 十字板剪切試驗(yàn),1. 概述,靜力觸探試驗(yàn)(static cone penetration test)簡稱靜探（CPT）,是利用靜力以一恒定的貫入速率將圓錐探頭通過一系列探桿壓入土中，根據(jù)測得的探頭貫入阻力大小來間接判定土的物理力學(xué)性質(zhì)的原位試驗(yàn)。 適用于：軟土、粘性土、粉土、（飽和）砂土和含少量碎石的土。,優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： （1）測試連續(xù)、快速，效率高，功能多，兼有勘探與

2、測試的雙重作用； （2）采用電測技術(shù)后，易于實(shí)現(xiàn)測試過程的自動化，測試成果可由計算機(jī)自動處理，大大減輕了人的工作強(qiáng)度。 缺點(diǎn)： （1）貫入機(jī)理不清，無數(shù)理模型 （2）對碎石類土和密實(shí)砂土難以貫入，也不能直接觀測土層。 在地質(zhì)勘探工作中，靜力觸探常和鉆探取樣聯(lián)合運(yùn)用。,巖土工程中的應(yīng)用,（1）對地基土進(jìn)行力學(xué)分層并判別土的類型； （2）確定地基土的參數(shù)（強(qiáng)度、模量、狀態(tài)、應(yīng)力歷史） （3）砂土液化可能性 （4）淺基承載力 （5）單樁豎向承載力等。,2. 靜力觸探儀器組成,2.1、貫入設(shè)備 2.2、量測系統(tǒng) 2.3、標(biāo)定系統(tǒng),2.1、貫入設(shè)備,靜力觸探貫入系統(tǒng)由觸探主機(jī)（貫入裝置）和反力裝置兩大部

3、分組成。觸探主機(jī)的作用是將底端裝有探頭的探桿一根一根地壓入土中。 觸探主機(jī)按其貫入方式不同，可以分為間歇貫入式和連續(xù)貫入式；按其傳動方式的不同，可分為機(jī)械式（手搖鏈條和電動齒輪式）和液壓式；按其裝配方式不同可分為車裝式、拖斗式和落地式等。,2、量測系統(tǒng),包括：探頭和記錄儀器 探頭： 靜力觸探探頭為地層阻力傳感器，是靜力觸探儀的關(guān)鍵部件。 探頭包括摩擦筒和錐頭兩部分。 按探頭功能分：單橋靜力觸探、雙橋靜力觸探、孔壓靜力觸探 記錄儀器： 國內(nèi)靜力觸探量測儀器有數(shù)字式電阻應(yīng)變儀、電子電位差自動記錄儀、微電腦數(shù)據(jù)采集儀。,探頭,（1）單橋探頭：是我國所特有的一種探頭類型。它是將錐頭與外套筒連在一起，因

4、而只能測量一個參數(shù)。這種探頭結(jié)構(gòu)簡單，造價低，堅固耐用。但應(yīng)指出，這種探頭功能少，其規(guī)格與國際標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，不便于開展國際交流，其應(yīng)用受到限制。 （2）雙橋探頭：它是一種將錐頭與摩擦筒分開，可同時測錐頭阻力和側(cè)壁摩擦力兩個參數(shù)的探頭。國內(nèi)外普遍采用，用途很廣。 （3）孔壓探頭：它一般是在雙用探頭基礎(chǔ)上再安裝一種可測觸探時產(chǎn)生的超孔隙水壓力裝置的探頭?？讐禾筋^最少可測三種參數(shù)，即錐尖阻力、側(cè)壁摩擦力及孔隙水壓力，功能多，用途廣，在國外已得到普遍應(yīng)用。 此外，還有可測波速、孔斜、溫度及電導(dǎo)率等的多功能探頭。,單橋探頭結(jié)構(gòu)示意圖 1-四心電纜；2-密封圈；3-探頭管；4-防水塞；5-外套管；6-導(dǎo)線

5、；7-空心柱；8-電阻片；9-防水盤根；10-頂柱 -探頭錐直徑；L-有效側(cè)壁長度；a-探頭錐角,單橋探頭,雙橋探頭,孔壓靜力觸探探頭,除了具有雙橋探頭所需的各種部件外，還增加了由透水陶粒做成的透水濾器和一個孔壓傳感器。透水陶粒要求其滲透系數(shù)為(1.1士0.1) x10-5cm/s，抗?jié)B能力為110士5(kPa)。透水濾器的位置可鑲嵌于探頭的錐尖, 錐面或錐尾，一般以對稱3-6孔鑲嵌于錐面為佳?？讐红o力觸探探頭具有能同時測定錐頭阻力、側(cè)壁摩擦阻力和孔隙水壓力的裝置，同時還能測定探頭周圍土中孔隙水壓力的消散過程。,記錄儀器,我國的靜力觸探幾乎全部采用電阻應(yīng)變式傳感器。因此，與其配套的記錄儀器主要

6、有以下4種類型： 電阻應(yīng)變儀； 自動記錄繪圖儀； 數(shù)字式測力儀； 數(shù)據(jù)采集儀（微機(jī)控制）,3、標(biāo)定系統(tǒng),率定的目的是求出測量儀表的讀數(shù)與荷載之間的關(guān)系率定系數(shù)k 測力傳感器的率定 孔壓傳感器的飽和與率定,3. 靜力觸探試驗(yàn)原理,（1）靜力觸探探頭的工作原理 （2）靜力觸探試驗(yàn)的貫入機(jī)理 （3）孔壓靜力觸探的貫入機(jī)理,（1）靜力觸探探頭的工作原理,靜探探頭大部分都采用電阻應(yīng)變式測試技術(shù)，探頭的空心柱體上的應(yīng)變橋路有兩種布置方式。受力后，產(chǎn)生電位差，毫伏計便指出流過的電流的大小，這個電流的大小與空心柱體的受力伸長有關(guān)。 在實(shí)際工作中，把空心柱體的微小應(yīng)變所輸出的微弱電壓，通過電纜，傳至電阻應(yīng)變儀中

7、的放大器放大幾千倍到幾萬倍后，就可用普通的指示儀表量測出來。,（2）靜力觸探試驗(yàn)的貫入機(jī)理,靜力觸探試驗(yàn)的貫入機(jī)理是個很復(fù)雜的問題，而且影響因素也比較多，因此，目前土力學(xué)還不能完善地從理論上解析圓錐探頭與周圍土體間的接觸應(yīng)力分布及相應(yīng)的土體變形問題，已有的近似理論分析可分為承載力理論分析、孔穴擴(kuò)張理論分析和穩(wěn)定貫入流體理論分析三類。,（3）孔壓靜力觸探的貫入機(jī)理,孔壓靜探探頭貫入土體的機(jī)理是十分復(fù)雜的，探頭貫入所產(chǎn)生的超孔壓沿水平徑向的初始分布，以及停止貫入時超孔壓的消散均屬于軸對稱問題，由于對貫入機(jī)理所做的簡化假設(shè)和所選擇的土體模型的不同，可以建立不同的計算公式。 （1）飽和粘性土中初始超孔

8、壓的孔穴擴(kuò)張理論 （2）孔壓消散理論,4. 試驗(yàn)方法和技術(shù)要求,在靜力觸探試驗(yàn)工作之前，應(yīng)注意搜集場區(qū)既有的工程地質(zhì)資料，根據(jù)地質(zhì)復(fù)雜程度及區(qū)域穩(wěn)定性，結(jié)合建筑物平面布置、工程性質(zhì)等條件確定觸探孔位、深度，選擇使用的探頭類型和觸探設(shè)備。 （1）靜力觸探儀的選擇 （2）試驗(yàn)等級及精度要求 （3）孔壓探頭的脫氣處理 （4）觸探機(jī)的位置和高度 （5）觸探儀的貫入 （6）試驗(yàn)的終止 （7）孔壓消散試驗(yàn),（1）靜力觸探儀的選擇,D是最常用的，我們希望一次試驗(yàn)可以得到更多的數(shù)據(jù)。,（2）試驗(yàn)等級及精度要求,歐洲標(biāo)準(zhǔn),（3）孔壓探頭的脫氣處理,孔壓系統(tǒng)的飽和，是保證正確量測孔壓的關(guān)鍵。如果探頭孔壓量測系統(tǒng)未

9、飽和，則在量測時會有部分孔隙水壓力在傳遞過程中消耗在壓縮空氣上。空氣壓縮后又有一部分水補(bǔ)充進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。這樣，就使所測的孔隙壓力在數(shù)值比比真實(shí)值低一些。而且在時間上會產(chǎn)生較大的滯后，如果對此認(rèn)識不足，或存在僥幸心里，將導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。 （1）過濾器的脫氣； （2）孔壓應(yīng)變腔的抽氣和注液； （3）孔壓探頭的組裝； （4）孔壓探頭飽和度的保持 當(dāng)?shù)叵滤癫剌^深時，應(yīng)使用一個較孔壓探頭直徑大的實(shí)心錐頭，預(yù)貫入至地下水位之下，提出實(shí)心探頭，孔內(nèi)注滿水，然后換用孔壓探頭進(jìn)行觸探試驗(yàn)。,（4）觸探機(jī)的位置和高度,1、應(yīng)注意用水平尺校準(zhǔn)機(jī)座 2、留意原有鉆孔距離對觸探測試成果的影響 在一般靜力觸探試驗(yàn)中，應(yīng)使布

10、置的觸探孔距原有鉆孔的距離至少2m;如果出于平行試驗(yàn)對比需要，考慮到土層在水平方向的變異性，對比孔間距不宜大于3m，此時，宜先進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，而后進(jìn)行勘探或其他原位試驗(yàn)。 3、防止反力方案不當(dāng)或?qū)τ|探阻力估計不足 4、探桿平直度的檢查,（5）觸探儀的貫入,在進(jìn)行貫入試驗(yàn)時，如果遇到密實(shí)、粗顆粒或含碎石顆粒較多的土層，在試驗(yàn)之前，應(yīng)該先打預(yù)鉆孔。預(yù)鉆孔應(yīng)該在粗顆粒土的頂層使用，有時也使用套筒來防止孔壁的坍塌;在軟土或松散土中，預(yù)鉆孔應(yīng)該穿過硬殼層。如果需要用孔壓探頭量測孔壓，那么，該預(yù)鉆孔的地下水位以上部分應(yīng)用水充滿。 探頭的貫入速度對貫入阻力有影響，CPT的標(biāo)準(zhǔn)貫入速度為2mm/s，其誤差極

11、限為士25%，己得到國際土工界公認(rèn)。國外一些專家認(rèn)為，對于孔壓靜探試驗(yàn)，這個容許極限速率應(yīng)該定得更小一些，在孔壓靜探試驗(yàn)中，觸探儀將被以20士5mm/s的恒定速度壓入土體中。,（6）試驗(yàn)的終止,當(dāng)遇到以下情況時，靜力觸探試驗(yàn)的貫入應(yīng)該終止: 要求的貫入長度或深度已經(jīng)達(dá)到; 圓錐觸探儀的傾斜度已經(jīng)超過了允許范圍; 當(dāng)允許的最大貫入力已經(jīng)達(dá)到。 任何對試驗(yàn)設(shè)備可能造成損壞的因素都可以使試驗(yàn)被迫終止。,（7）孔壓消散試驗(yàn),（1）觸探過程中的孔壓消散現(xiàn)象 觸探機(jī)工作時，在上、下行程交替過程中，或在加接探桿時，常有一短暫的停頓，在此期間的孔壓必會部分或全部消散，其消散速度取決于土的固結(jié)系數(shù)，即決定于土的

12、滲透性和壓縮性。當(dāng)重新向下貫入時，脫氣良好的探頭，其孔壓值會迅速恢復(fù)到前一行程終止時的孔壓值，即使在飽和松砂中貫入，其孔壓恢復(fù)所需的貫入距離一般在10cm 以內(nèi)，如果這個貫入距離超過50cm，則應(yīng)認(rèn)為孔壓探頭已不飽和，應(yīng)返工重做。 （2）孔壓消散試驗(yàn) 孔壓消散試驗(yàn)可在地下水位以下任何指定深度進(jìn)行。試驗(yàn)前，操作者可事先通過鉆探資料確定進(jìn)行孔壓消散試驗(yàn)的深度，當(dāng)探頭貫入到指定深度時，就應(yīng)立即開始孔壓消散試驗(yàn)。,5. 靜力觸探試驗(yàn)資料整理,（1）靜力觸探試驗(yàn)成果的影響因素 （2）靜力觸探資料整理 （3）靜力觸探成果分析,（1）靜力觸探試驗(yàn)成果的影響因素,臨界深度 探頭的幾何形狀和貫入深度 孔隙水壓力

13、 溫度的影響 關(guān)于量測的正確性 探孔的偏斜 孔壓傳感器的位置與尺寸,（2）靜力觸探資料整理,1.原始數(shù)據(jù)的修正 深度修正 零飄修正 錐尖阻力的修正 側(cè)壁摩擦力修正 2.貫入阻力計算 3.繪制觸探曲線,一、貫入數(shù)據(jù)的處理 1、原始數(shù)據(jù)的整理 回零修正 觸探參數(shù)的計算,摩阻比FR： 探頭總錐尖阻力（孔壓觸探）： 為修正面積比，一般取0.840,1. 導(dǎo)出觸探參數(shù)的計算,孔壓參數(shù)比用Bq ：,例如：如下表Kq=0.5kPa/R；Kf=0.02kPa/R,例如：如下表Kq=0.5kPa/R；Kf=0.02kPa/R,例如：如下表Ku=1.0kPa/R,包括qc-H，fs-H， u -H，F(xiàn)R-H 等,

14、2繪制觸探參數(shù)隨深度的變化曲線,靜力觸探成果曲線及其相應(yīng)土層劃分,1.數(shù)據(jù)整理 超孔壓的消散速度不僅與土類有關(guān)，還與消散時間有關(guān),二、孔壓消散數(shù)據(jù)的處理,設(shè)探頭率定系數(shù)ku=1kPa/r,umax=讀數(shù)ku,數(shù)據(jù)整理 超孔壓的消散速度不僅與土類有關(guān)，還與消散時間有關(guān),設(shè)探頭率定系數(shù)ku=1kPa/r,umax=讀數(shù)ku,數(shù)據(jù)整理 超孔壓的消散速度不僅與土類有關(guān)，還與消散時間有關(guān),設(shè)地下水位埋深1.0m,測試點(diǎn)靜止水壓力40kPa,數(shù)據(jù)整理 超孔壓的消散速度不僅與土類有關(guān)，還與消散時間有關(guān),設(shè)地下水位埋深1.0m,測試點(diǎn)靜止水壓力40kPa,孔壓消散曲線,2.繪制超孔壓隨時間的消散過程曲線,（3

15、）靜力觸探成果分析,地基土鑒別與分層 土的原位狀態(tài)與應(yīng)力歷史 土的強(qiáng)度參數(shù) 土的變形參數(shù) 土的滲透性參數(shù),6. 靜力觸探 成果的工程應(yīng)用,淺基礎(chǔ)方面的應(yīng)用 深基礎(chǔ)方面的應(yīng)用 地基處理質(zhì)量控制 液化判定,一、土層分類,繪制CPT的貫入曲線（qc-H，fs-H，u-H，F(xiàn)R-H ），根據(jù)相近的qc、fs、u和FR，將觸探孔分層力學(xué)分層，并計算各參數(shù)的平均值。 結(jié)合鉆探取樣，考慮臨界深度的影響進(jìn)一步分層工程地質(zhì)分層，并定土名。,孔壓靜探貫入曲線特征,孔壓靜探貫入曲線特征,模型試驗(yàn)及實(shí)測表明，地表厚層均質(zhì)土的貫入阻力自地表向下是逐漸增大的。當(dāng)超過一定深度后，阻力才趨近一個常數(shù)值，這個土層表面一定深度就

16、稱為臨界深度。 臨界深度在砂土中表現(xiàn)明顯，在粘土中基本不存在。,臨界深度,孔壓靜探在劃分土層方面精度極高,利用孔壓靜力觸探貫入曲線劃分土層 孔壓探頭在區(qū)分砂層和粘土層方面精度極高，能區(qū)分1-2cm厚的砂土層,圖4-6 利用孔壓靜探曲線劃分土層,鉆孔及靜力觸探孔聯(lián)合剖面圖（廣州番禺）,1、單橋觸探法根據(jù)Ps， Ps大的一般為砂層， Ps 小的一般為粘土層。 2、雙橋觸探法 在劃分土類時，以qc為主，結(jié)合fs（或FR），并在同一層內(nèi)的觸探參數(shù)值基本相近為原則。 不同的土有不同的FR，砂類土 FR通常小于或等于1，粘性土FR常大于2。,二、土類劃分,采用孔隙水壓力參數(shù)比來劃分土類，常用的孔壓參數(shù)比用

17、Bq來表示，表達(dá)式如下：,3、 孔壓觸探法,三、 確定土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),1、確定砂土的內(nèi)摩擦角,自70年代以來，國內(nèi)不少單位對qc與Ps的關(guān)系進(jìn)行了研究，經(jīng)驗(yàn)表 明，ps/qc值大致在1.0-1.5間，每一個換算公式都有其特定的經(jīng)驗(yàn)性。 比貫入阻力：ps=qc+6.41fs,3、確定不排水抗剪強(qiáng)度Cu,4、確定砂土的相對密實(shí)度,5、確定土的壓縮模量Es和變形模量E0,鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程_壓縮模量Es,鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程_變形模量E0,6、判別黏性土的塑性狀態(tài),四、 確定地基土的承載力,用靜力觸探確定地基承載力一般依據(jù)的是經(jīng)驗(yàn)公式，是建立在靜力觸探與載荷試驗(yàn)的對比關(guān)系上； 確定的

18、是地基承載力的基本值，需經(jīng)過深、寬修正； 地基土的成因、時代及含水量等對靜力觸探求地基承載力的經(jīng)驗(yàn)公式有影響，經(jīng)驗(yàn)公式有地區(qū)性。,黏性土,砂土,粉土,鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程_基本承載力,鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程_極限承載力,靜力觸探機(jī)理和樁的作用機(jī)理類似，靜力觸探相當(dāng)于沉樁的模擬試驗(yàn)。 與靜力觸探相比，樁的表面粗糙，直徑大，沉樁對樁周土的擾動大，沉降速度慢。 應(yīng)與樁載荷測試配合使用，互相驗(yàn)證。 靜力觸探法計算單樁極限承載力的基本公式：,五、確定單樁承載力,六、判斷飽和砂土液化的可能性,7. 工程實(shí)例,聲學(xué)技術(shù)的應(yīng)用 在做靜力觸探試驗(yàn)過程中，探頭連著電纜存在很多隱患，不但在處理探桿時耗費(fèi)時間，

19、而且電纜和連接頭容易意外損壞。 無纜靜力觸探系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的有纜靜力觸探系統(tǒng)，它使得靜力觸探試驗(yàn)變得更加方便、安全、高效。而且，使得試驗(yàn)過程中自動加接探桿成為可能。聲學(xué)技術(shù)應(yīng)用于靜力觸探試驗(yàn)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無纜靜力觸探解決方案，其傳輸距離取決于探桿和土層條件，可以達(dá)到20200m。 聲學(xué)技術(shù)所解決的是，不用信號電纜而將測試數(shù)據(jù)從探頭發(fā)送到地面，它通過一個微處理器將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成音頻信號，通過探桿傳送到安裝在地面的檢波器。,光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用,光學(xué)傳感器安裝在探桿頂部，照相機(jī)安裝在觸探設(shè)備頂部。測試數(shù)據(jù)通過光學(xué)傳感器傳輸給照相機(jī)。光學(xué)傳感器在連接探桿時被安置于探桿頂部。 數(shù)據(jù)采集儀將照相機(jī)傳輸

20、來的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時數(shù)據(jù)儲存和實(shí)時顯示，而測試命令通過光學(xué)傳送器從數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送給電子錐。如果是人工加接探桿，數(shù)據(jù)傳輸可以中斷10s鐘而不會丟失數(shù)據(jù)。,無線電波技術(shù)的應(yīng)用,無線電波技術(shù)的應(yīng)用，仍然是解決靜力觸探試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)無電纜傳輸?shù)囊环N解決方案。無線電波在空心探桿內(nèi)進(jìn)行傳播，從而將探頭測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妗Ｅc聲學(xué)無纜靜力觸探技術(shù)相比，應(yīng)用無線電波無纜靜力觸探技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸量將提高一千倍！這不但可以提高測試采樣率和測試分辨率，而且它能實(shí)現(xiàn)地震探頭SCPT測試數(shù)據(jù)的無纜傳輸，或者將探頭內(nèi)置照相機(jī)在貫入過程中拍攝的穿透地層的照片實(shí)時傳輸?shù)降孛妗?Georgia Tech,SCPTu Sounding

21、,Real-Time readings in computer screen,靜力觸探連續(xù)貫入技術(shù),靜力觸探試驗(yàn)給巖土工程勘察和原位試驗(yàn)提供了一種有效的方法，但常常丟失軟弱薄夾層的信息，而這些薄夾層往往是巖土工程師非常關(guān)心的。 傳統(tǒng)靜力觸探需要一套活塞將探頭壓入土層中。然而當(dāng)活塞每次結(jié)束向下行程后向上返回時測試即被中斷，一直要等到活塞回復(fù)到頂部位置再次向下貫入，這個過程中，整米間隔處的細(xì)粒土薄層的數(shù)據(jù)會因消散效應(yīng)或者摩阻力的累積而丟失或者受到影響。 而解決這一問題的辦法，人們想到了連續(xù)貫入！要實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入需要解決的三個技術(shù)前提是：無電纜數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、加接探桿過程中貫入過程不間斷、探桿實(shí)現(xiàn)自動加

22、接。 （1）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) （2）加接探桿過程中貫入過程不間斷 在向下運(yùn)動過程中由上部夾具自動夾住探桿，并根據(jù)其行程距離的終結(jié)而自動釋放，并且夾緊功能自動交由下部液壓夾具來承擔(dān)。液壓夾具的夾持直徑范圍是可調(diào)的。它可以安裝在各種觸探車上。 （3）實(shí)現(xiàn)自動加接探桿 加接探桿由全自動探桿操作系統(tǒng)自動完成。,瑞典GEOTECH 無電纜靜力觸探系統(tǒng),荷蘭阿姆斯特丹三角海洋咨詢公司,CPT技術(shù)及裝備的研究開發(fā)是公司技術(shù)開發(fā)中最重要的成果，最初的CPT只能在陸上及近海使用，1970年又研發(fā)成功了遙控靜力海床觸探技術(shù)和裝備，目前已能在水深3000米的海面上進(jìn)行CPT工作。 CPT的測試工藝也在不斷的改進(jìn)，最初為了防止探桿