岩土工程测试技术岩土的原位测试技术

三三 岩土的原位岩土的原位测试测试技技术术1 1 概概述述1.1 1.1 概概念念指指现场现场基本保持地基土的基本保持地基土的天然天然结构结构、天然含水量、天然含水量、天然天然应应力力状态状态的情的情况况下，下，测测定地基土的物理定地基土的物理-力力学学性性质质指指标标的的试验试验方法方法不需不需经过经过钻钻探取探取样样，直接，直接测测定岩土力定岩土力学学性性质质，更能，更能真实真实反映岩土的反映岩土的天然天然结构结构及天然及天然应应力力状态状态下的特性下的特性原位原位测试测试所涉及的土尺寸所涉及的土尺寸较较室室内试验样内试验样品要大得多品要大得多(土土体体体体积积大、代表性好大、代表性好)，因而更能反映土的宏，因而更能反映土的宏观结构观结构如如裂隙等裂隙等对对土的性土的性质质的影的影响响，比土，比土样样具代表性具代表性可可重重复进复进行行验证验证，缩缩短短试验试验周期周期1.2 1.2 优优点（点（与与室室内试验内试验比比较较）u土体原位土体原位测试测试方法很多，可以方法很多，可以归纳为归纳为下列下列两类两类：(1)(1)土土层层剖面剖面测试测试法法(logging or stratigraphic profiling logging or stratigraphic profiling methods)methods)：主要包括：主要包括静静力力触触探、探、动动力力触触探、扁探、扁铲铲松松胀胀仪试验仪试验及波速法等及波速法等 土土层层剖面剖面测试测试法具有可法具有可连续进连续进行、快速行、快速经济经济的的优优点。点。(2)(2)专门测试专门测试法法(specific test methods)specific test methods)：主要包括：主要包括载载荷荷试试验验、旁、旁压试验压试验、标标准准贯贯入入实验实验、抽水和注水、抽水和注水试验试验、十、十字板剪切字板剪切试验试验等等土的土的专门测试专门测试法可得到土法可得到土层层中中关键关键部位土的各部位土的各种种工程工程性性质质指指标标，精度高，精度高，测试测试成果可直接供成果可直接供设计设计部部门门使用使用 精度超精度超过过室室内试验内试验的成果的成果1.3 1.3 土体原位土体原位测试测试的的种类种类u根据不同的根据不同的测试测试方法（包括方法（包括CPTCPT、DPTDPT、PLTPLT、PMTPMT、FVSTFVST、SDPTSDPT），），其其应应用可用可归纳为归纳为：（1 1）土土层层土土类划类划分分（2 2）确定天然地基承确定天然地基承载载力力（3 3）测测定土的物理力定土的物理力学学性性质质指指标标（C C、）（4 4）在在桩桩基勘察中的基勘察中的应应用用（5 5）评评价砂土和粉土的地震液化价砂土和粉土的地震液化（6 6）求解土的固求解土的固结结系系数数、渗透系、渗透系数数及不排水抗剪强度等及不排水抗剪强度等（7 7）检验压实填检验压实填土的土的质质量及强夯效果量及强夯效果（8 8）进进行行浅浅基基础础的沉降的沉降计计算算（9 9）1.4 1.4 土体原位土体原位测试测试的的应应用用2 2 静静力力载载荷荷试验试验2.1 2.1 定定义义及特点及特点平板平板静静力力载载荷荷试验试验(PLT:plate load test)PLT:plate load test)，简称载简称载荷荷试验试验在保持地基土天然在保持地基土天然状态状态下，在一定面下，在一定面积积的承的承压压板上向地基板上向地基土逐土逐级级施加荷施加荷载载，并观测并观测每每级级荷荷载载下地基土的下地基土的变变形特性，形特性，是模是模拟拟建筑物基建筑物基础础工作工作条条件的一件的一种测试种测试方法方法u优优点：点：对对地地基基土土不不产产生生扰扰动动，结结果果最最可可靠靠、最最具具有有代代表表性性，可可直直接用于工程接用于工程设计设计是确定承是确定承载载力的最主要方法力的最主要方法u缺点：缺点：价格价格昂贵昂贵、费时费时现场载现场载荷荷试验试验千斤顶荷荷载载板板2.2 2.2 静静力力载载荷荷试验设备试验设备u加加载稳压载稳压系系统统承承压压板、加板、加载载千斤千斤顶顶、稳压稳压器、油器、油泵泵、油管等油管等组组成成u反力系反力系统统有堆有堆载载式、撑壁式、式、撑壁式、锚锚固式等固式等u量量测测系系统统压压力表、百分表或力表、百分表或位移位移传传感器感器（1 1）载载荷荷测试测试一般在方形坑中一般在方形坑中进进行行（2 2）安装）安装设备设备（3 3）分）分级级加荷加荷 加荷原加荷原则则：第一：第一级为级为坑底原有重力，后每坑底原有重力，后每级级按：中低按：中低压缩压缩性土性土5050kPakPa，高高压缩压缩性土性土2525kPakPa，特特软软土土为为1010kPakPa2.3 2.3 静静力力载载荷荷试验试验方法方法（4 4）观测观测每每级级荷荷载载下的沉降下的沉降观测时间间观测时间间隔：加荷隔：加荷开开始后，按始后，按间间隔隔5 5、5 5、1010、1010、1515、15min15min观测观测沉降；以后每沉降；以后每3030minmin进进行一次行一次u稳稳定的定的标标准准连续两连续两小小时内时内每小每小时时的沉降量的沉降量0.1mm0.1mm时时，本，本级级荷荷载载下沉降已下沉降已趋稳趋稳定，可加下一定，可加下一级级荷荷载载对对于于软软粘土最好粘土最好观测观测24h24h以上，以上，对对于正常固于正常固结结粘土要粘土要8h8h，对对于老粘土、砂土、于老粘土、砂土、砾砾石等要石等要4 4h h（5 5）尽尽可能使最可能使最终终荷荷载达载达到地基土的到地基土的极极限承限承载载力，以力，以评评价承价承载载力的安全度力的安全度u结结束束试验试验的的标标准准 当当下述情下述情况况出出现时现时即可停止即可停止实验实验a)a)承承压压板周板周围围的土体出的土体出现现裂裂缝缝或隆起，沉降的很快或隆起，沉降的很快b)b)在荷在荷载载不不变变的情的情况况下，沉降速率加速下，沉降速率加速发发展或接近一展或接近一个个常常数数。压压力力沉降曲沉降曲线线出出现现明明显显拐点拐点c)c)总总沉降量超沉降量超过过承承压压板板宽宽度（或直度（或直径径）的）的1/101/10（6 6）当当需要卸需要卸载载观测观测回回弹弹时时，每，每级级卸荷量可卸荷量可为为加荷量加荷量的的2 2倍，倍，历时历时1 1h h，每隔每隔1515minmin观测观测一次。荷一次。荷载载完全完全卸除后，卸除后，继续观测继续观测3h3h2.4 2.4 测试数测试数据整理据整理u压压力力沉降量沉降量关关系曲系曲线线P-sP-s曲曲线线的特征：的特征：段直段直线线段段段曲段曲线线段段段直段直线线段段P P0 0P Pu uP Po oS S（1 1）以以压压力力为为依据依据 Ps Ps 曲曲线线上的上的两个两个特征点特征点 比例比例极极限限P P0 0(临临塑荷塑荷载载P Pcrcr)：P-sP-s曲曲线线上第一直上第一直线线段的段的终终点点对应对应的荷的荷载载，可以作，可以作为为砂砂土、超固土、超固结结粘土、粘土、砾砾石土的石土的承承载载力力极极限承限承载载力力P Pu u ：P-s P-s曲曲线线上的第二上的第二个个拐点拐点对应对应的荷的荷载载2.4.1 2.4.1 地基的承地基的承载载力可用下述方法确定力可用下述方法确定 确定确定地基的容地基的容许许承承载载力力 RR R=R=P Pcrcr R=R=P Pu u/F/F，安全系安全系数数F=2F=23 3P P0 0P Pu uP Po oS S（2 2）以相）以相对对沉降量沉降量为为依据依据对对中、高中、高压缩压缩性土性土，地基受，地基受压压破坏形式破坏形式为为局部剪切破坏局部剪切破坏或冲剪破坏，或冲剪破坏，P-sP-s曲曲线线无明无明显显拐点。拐点。这时这时用用P-sP-s曲曲线线上上沉降量沉降量s s与与承承压压板的板的宽宽度度B B之比之比为为0.020.02所所对应对应的的压压力力为为地地基容基容许许承承载载力力对对砂土和新近沉砂土和新近沉积积的粘性土的粘性土则则采用采用s/B=0.01-0.015s/B=0.01-0.015所所对对应应的的压压力力u土的土的变变形模量形模量指土在指土在单轴单轴受力，无受力，无侧侧限情限情况况下的下的应应力力与应变与应变之比之比可可由由P-sP-s曲曲线线的的直直线线变变形形段段，按按弹弹性性理理论论公公式式求求得得，下下式式适用于同一适用于同一层层位的均位的均匀匀地基地基2.4.2 2.4.2 计计算算变变形模量形模量E E0 02.5 2.5 测试测试精度影精度影响响因素因素（1 1）承）承压压板的尺寸板的尺寸B B45cm(5000cm45cm(5000cm2 2)时时，沉降量，沉降量随随B B的增加而降的增加而降低低B B45cm(5000cm45cm(5000cm2 2)时时，沉降量，沉降量随随B B的增加而增的增加而增加加由于基由于基础宽础宽度一般均超度一般均超过过3030cmcm，所以所以B B不宜太小不宜太小 S(mm)045B(cm)一般一般来说来说，大的比小的好，最好，大的比小的好，最好与实际与实际基基础础面面积积相同相同 但太大但太大则则需大的需大的压压力，有力，有时难时难以以达达到到所以承所以承压压板的面板的面积应积应适中适中 1000cm 1000cm2 2A A5000cm5000cm2 2（2 2）承）承压压板埋深板埋深载载荷荷测试测试的影的影响响深度一般深度一般为为1.5-21.5-2倍承倍承压压板板宽宽度（或直度（或直径径）在影在影响响深度范深度范围内围内土性土性应应保持一致保持一致，否，否则测试则测试成果就不成果就不能反映出土能反映出土层层的的真实真实性性质质如果如果场场地土地土层层多，且都是重要的持力多，且都是重要的持力层层，应应分分层层做做载载荷荷试验试验如果土如果土层较层较薄，薄，达达不到不到2 2倍承倍承压压板的板的宽宽度，就度，就应应采用小采用小的承的承压压板或螺旋板板或螺旋板载载荷荷试验试验2.6 2.6 螺旋板螺旋板载载荷荷试验试验u螺旋板螺旋板载载荷荷试验试验将将螺旋形承螺旋形承压压板旋入地面以下板旋入地面以下预订预订深度，在土深度，在土层层的的天然天然应应力力条条件下，通件下，通过传过传力杆向螺旋形承力杆向螺旋形承压压板施加板施加压压力，直接力，直接测测定定载载荷荷与与土土层层沉降的沉降的关关系系测测定土的定土的变变形模量、不排水抗剪强度和固形模量、不排水抗剪强度和固结结系系数数测测定深度定深度为为101015m15m2.7 2.7 水平水平载载荷荷试验试验地基土水平地基土水平载载荷荷试验试验单桩单桩水平水平载载荷荷试验试验3.1 3.1 定定义义u静静 力力 触触 探探(Static Static Cone Cone Penetration Test,Penetration Test,简称简称CPT)CPT)是是借借助助机机械械把把一一定定规规格格的的圆圆锥锥形形探探头头匀匀速速压压入入土土中中，通通过过测测定定探探头头的的端端阻阻q q、侧侧壁壁摩摩阻阻力力f f来来确确定定土土体体的的物物理理力力学学参参数数，划划分分土土层层的的一一种种土体勘土体勘测测技技术术3 3 静静力力触触探探试验试验3.2 3.2 测试设备与种类测试设备与种类设备组设备组成：成：触触探主机和反力装置探主机和反力装置触触探探主主机机可可分分为为液液压压式式和机械式和机械式反力装置可分反力装置可分为为自重式自重式和和锚锚式式测测量量与记录显与记录显示装置示装置探探头头和探杆和探杆触触探主机探主机为为液液压传动压传动式的，反力装置式的，反力装置为为自重式自重式触触探主机探主机为为液液压传动压传动式的，反力装置式的，反力装置为为地地锚锚式式触触探主机探主机为为机械机械传动传动式的，反力装置式的，反力装置为为地地锚锚式式3.3 3.3 静静力力触触探探探探头头u工作原理工作原理将将探探头压头压入土中入土中时时，由于土，由于土层层的阻力，使探的阻力，使探头头收到收到一定的一定的压压力；土力；土层层的强度越高，探的强度越高，探头头所受到的所受到的压压力力越大越大通通过过探探头内头内的阻力的阻力传传感器，感器，将将土土层层的阻力的阻力转换为电转换为电信信号号，由，由仪仪表表测测量出量出来来u国际标国际标准探准探头头的的规规格格锥头顶锥头顶角角6060、底面、底面积积1010cmcm2 2、侧侧壁摩擦筒面壁摩擦筒面积积150150cmcm2 2、透水石在透水石在锥锥底底3.3 3.3 测试测试原理原理u运运用三用三个个方面的原理方面的原理材料材料弹弹性性变变形的虎克定律、形的虎克定律、电电量量变变化的化的电电阻率定律阻率定律和和电桥电桥原理原理土的强度土的强度土的阻力土的阻力传传感器的感器的应变应变电电阻的阻的变变化化电压电压的的输输出出电电子子仪仪器的放大和器的放大和输输出出II电电流流RR电电阻阻 UU电压电压 探头是静力触探仪的关键部件分为三种类型：单用（桥）探头、双用（桥）探头、多用（孔压）探头Ps：比贯入阻力，qc：锥尖阻力，fs：侧壁摩阻力，uw：孔隙水压力单用（桥）探头 双用（桥）探头 多用（孔压）探头（一）探（一）探头头率定率定u率定的目的是求出率定的目的是求出测测量量仪仪表表的的读数与读数与荷荷载载之之间间的的关关系系率定系率定系数数u率定的率定的设备设备可分可分为两个为两个主要主要部分部分1.1.可移可移动动的活的活动动架架2.2.量力量力环环3.4 3.4 测试测试步步骤骤探探头头率定的步率定的步骤骤:a.a.安装安装设备设备b.b.把把连连着着电缆线电缆线和和记录仪记录仪表的探表的探头头安装上安装上c.c.旋旋转转手手轮轮施加施加压压力，力，边记录仪边记录仪表上的表上的读数读数 d.d.画压画压力力读数读数曲曲线线，一般情，一般情况况下下应该应该是直是直线线e.e.求率定系求率定系数数K KK K等于直等于直线线的斜率的斜率x0野外野外测试测试的的关键关键步步骤骤:a.a.布孔位，平整布孔位，平整场场地地b.b.安装安装触触探机，探机，并调并调平机座（平机座（为为使使贯贯入入压压力保持垂直方向）力保持垂直方向），把机座，把机座与与反力装置反力装置衔衔接接 c.c.将将探探头头、测测量量电缆电缆、探杆、探杆连连接起接起来来，并检查测并检查测量量仪仪表，表，并调并调零零d.d.将连将连着探杆的探着探杆的探头压头压入地下入地下，同同时记录时记录深度深度值值和和测测量量仪仪表的表的数数据据注意事注意事项项(1)(1)触触探探机机就就位位后后，应应调调平平机机座座，并并使使用用水水平平尺尺校校准准，使使贯贯入入压压力保持力保持竖竖直方向，直方向，并并使机座使机座与与反力装置反力装置衔衔接、接、锁锁定定(2)(2)触触探探机机的的贯贯入入速速率率应应控控制制在在1-21-2cm/scm/s，一一般般为为2 2cm/scm/s；使使用手用手摇摇式式触触探机探机时时，手把，手把转转速速应应力求均力求均匀匀(3)(3)使用使用记读记读式式仪仪器器时时，每每贯贯入入0.10.1mm或或0.20.2mm时应记录时应记录一次一次读数读数(4)(4)遇下列情遇下列情况时应况时应停止停止贯贯入：入：a a、触触探主机探主机负负荷荷达达到其到其额额定荷定荷载载的的120%120%时时 b b、贯贯入入时时探杆出探杆出现现明明显弯显弯曲曲 c c、反力装置失效反力装置失效 d d、探探头负头负荷荷达达到到额额定荷定荷载时载时 e e、记录仪记录仪器器显显示示异异常常3.5.1 3.5.1 初初读数读数的的处处理理u初初读数读数指探指探头头在不受土在不受土层层阻力的阻力的条条件下，件下，传传感器的初始感器的初始应变应变的的读数读数影影响响初初读数读数的因素很多，最主要的是的因素很多，最主要的是温温度。度。消除初消除初读数读数影影响响的的办办法，可采用每隔一定深度法，可采用每隔一定深度将将探探头头提升一次，提升一次，在其不受力的情在其不受力的情况况下下将应变仪调将应变仪调零一次，或零一次，或测测定一次初定一次初读数读数。后者在后者在进进行行应变应变量量计计算算时时，按下式消除初，按下式消除初读数读数的影的影响响 =1 1-o o 式中：式中：应变应变量，量，1 1探探头压头压入入时时的的读数读数 o o初初读数读数3.5 3.5 测试数测试数据的据的处处理理3.5.2 3.5.2 贯贯入阻力的入阻力的计计算算u将电将电阻阻应变仪测应变仪测出的出的应变应变量量，换换算成比算成比贯贯入阻力入阻力p ps s（单桥单桥探探头头），或），或锥头锥头阻力阻力q qc c 及及侧侧壁摩擦力壁摩擦力f fs s(双桥双桥探探头头)，计计算公式如下：算公式如下：式中：式中：a a、a al l、a a2 2应变仪标应变仪标定的定的单桥单桥探探头头、双桥双桥探探头头的的锥头传锥头传感器及摩擦感器及摩擦传传感器的感器的标标定系定系数数，MPaMPa 、q q、f f单桥单桥探探头头、双桥双桥探探头头的的锥头锥头及及侧侧壁壁传传感器的感器的应变应变量，量，3.5.3 3.5.3 摩阻比的摩阻比的计计算算u摩阻比摩阻比以百分率表示的以百分率表示的双桥双桥探探头头的各的各对应对应深度的深度的锥头锥头阻力阻力和和侧侧壁摩擦力的比壁摩擦力的比值值，即，即（2 2）绘绘制制触触探探参数随参数随深度的深度的变变化曲化曲线线u包括包括q qc c-H-H，f fs s-H-H，F FR R-H-H CPT CPT 在土木工程中的在土木工程中的应应用特用特别别广泛广泛 （1 1）土）土层划层划分分绘绘制制CPTCPT的的贯贯入曲入曲线线（包括（包括q qc c-H H，f fs s-H-H，F FR R-H-H ），），然后然后根据相近的根据相近的q qc c、f fs s和和F FR R，将触将触探孔分探孔分层层力力学学分分层层，并并计计算各算各参数参数的平均的平均值值结结合合钻钻探取探取样样，考，考虑临虑临界深度界深度进进一步分一步分层层工程地工程地质质分分层层，并并定土名定土名3.6 3.6 测试测试成果的成果的应应用用u临临界深度界深度模型模型试验试验及及实测实测表明，地表明，地表厚表厚层层均均质质土的土的贯贯入阻力入阻力自地表向下是逐自地表向下是逐渐渐增大增大的。的。当当超超过过一定深度后，阻力一定深度后，阻力才才趋趋近一近一个个常常数值数值，这个这个土土层层表面一定深度就表面一定深度就称为称为临临界深度界深度临临界深度在砂土中表界深度在砂土中表现现明明显显，在粘土中基本不存在，在粘土中基本不存在（2 2）土）土类划类划分分a)a)单桥单桥探探头头根据根据PsPs，PsPs大的一般大的一般为为砂砂层层，PsPs小的一般小的一般为为粘土粘土层层b)b)双桥双桥探探头头 在在划划分土分土类时类时，以，以q qc c为为主，主，结结合合f fs s（或或R Rf f），），并并在同在同一一层内层内的的触触探探参数值参数值基本相近基本相近为为原原则则不同的土有不同的不同的土有不同的R Rf f ，砂砂类类土土 R Rf f通常小于或等于通常小于或等于1 1，粘性土粘性土R Rf f常大于常大于2 2CPTCPT可以确定可以确定如如 c,c,C,Cu u,D,Dr r,E,Es s,satsat,等土的物理力等土的物理力学学性性质质指指标标Ps(Mpa)12346111530()2931323334363739（3 3）确定土的物理力）确定土的物理力学学性性质质指指标标（4 4）确定）确定浅浅基的承基的承载载力力用用静静力力触触探确定地基承探确定地基承载载力一般依据的是力一般依据的是经验经验公式，公式，是建立在是建立在静静力力触触探探与载与载荷荷试验试验的的对对比比关关系上系上确定的是地基承确定的是地基承载载力的基本力的基本值值，需，需经过经过深、深、宽宽修正修正用于一般的建筑物用于一般的建筑物地基土的成因、地基土的成因、时时代及含水量等代及含水量等对静对静力力触触探求地基探求地基承承载载力的力的经验经验公式有影公式有影响响，经验经验公式有地公式有地区区性性地基基本承地基基本承载载力力f f0 0与与P PS S(q(qc c)经验关经验关系式系式(MpMpa a)序序号号提出者提出者经验关经验关系式系式范范围值围值P PS S(q(qc c)土土层层1 1武武汉联汉联合合试验组试验组f f0 0=0.1043P=0.1043Pa a+0.0269+0.02690.36.00.36.0粘性土粘性土2 2交通部三航院交通部三航院f f0 0=0.1P=0.1Pa a+0.025+0.0250.52.50.52.5长长江三角洲土江三角洲土3 3兖兖州煤州煤矿设计矿设计院院f f0 0=0.1012P=0.1012Pa a+0.059+0.0590.353.00.353.0淮北粘性土淮北粘性土4 4江江苏苏省建筑省建筑设计设计院院f f0 0=0.084P=0.084Pa a+0.05+0.050.355.70.355.7南京粘性土南京粘性土5 5青岛青岛城建局城建局f f0 0=0.074P=0.074Pa a+0.0824+0.08241.00.51.00.5青岛青岛粘性土粘性土6 6连连云港云港规划规划建筑建筑设计设计院院f f0 0=0.0807P=0.0807Pa a+0.049+0.049滨滨海海软软土土7 7铁铁三院三院f f0 0=5.8(P=5.8(Pa a)1/21/2-0.046-0.046P PS S单单位位(kPa)kPa)I IP P77粘性土粘性土8 8铁铁四院四院f f0 0=0.112P=0.112Pa a+0.005+0.0050.0850.90.0850.9软软土土9 9武武汉汉冶金勘察公司冶金勘察公司f f0 0=0.02P=0.02Pa a+0.05+0.05 5.05.0长长江中下游粉江中下游粉细细砂土砂土序序号号提出者提出者经验关经验关系式系式范范围值围值P PS S(q(qc c)土土层层1010铁铁一、四院一、四院f f0 0=0.044P=0.044Pa a+0.05+0.051.011.01.011.0中粗砂中粗砂1111同同济济大大学学等等f f0 0=0.055P=0.055Pa a+0.045+0.045上海粉土上海粉土1212陕陕西西综综合堪察院合堪察院f f0 0=0.0878P=0.0878Pa a+0.024+0.024湿湿陷性陷性黄黄土土1313原一机部勘原一机部勘测测公司公司f f0 0=0.098q=0.098qc c+0.019+0.019黄黄土地基土地基1414大大庆庆油田、油田、长长春地院春地院（20192019）f f0 0=0.089q=0.089qc c+0.075+0.075f f0 0=0.108q=0.108qc c+0.0644+0.0644f f0 0=0.0813q=0.0813qc c+0.069+0.069大大庆庆粘性土、粉粘性土、粉土、土、大大庆庆粘性土粘性土大大庆庆粉土粉土1515荷荷兰兰，比利，比利时时f f0 0=(0.0330.025)q=(0.0330.025)qc cf f0 0=0.1q=0.1qc c砂土砂土粘性土粘性土经统计经统计分析，有人提出：分析，有人提出：式中式中、为为土土类类修正系修正系数数静静力力触触探机理和探机理和桩桩的作用机理的作用机理类类似，似，静静力力触触探相探相当当于于沉沉桩桩的模的模拟试验拟试验。与静与静力力触触探相比，探相比，桩桩的表面粗糙，直的表面粗糙，直径径大，沉大，沉桩对桩桩对桩周土的周土的扰动扰动大，沉降速度慢。大，沉降速度慢。应与桩载应与桩载荷荷测试测试配合使用，互相配合使用，互相验证验证。静静力力触触探法探法计计算算单桩极单桩极限承限承载载力的基本公式如下：力的基本公式如下：（5 5）确定）确定单桩单桩的承的承载载力力a.a.国国外法外法b.b.国内国内的方法的方法铁铁路系路系统统法法单桩单桩的容的容许许承承载载力力4 4 标标准准贯贯入入试验试验4.1 4.1 定定义义u标标准准贯贯入入试验试验（简称为简称为SPTSPT）在在现场现场用用质质量量为为63.5kg63.5kg的穿心的穿心锤锤，以落距，以落距76cm76cm自由落下，自由落下，将将一定一定规规格的格的带带有小型取土筒的有小型取土筒的标标准准贯贯入器先打入土中入器先打入土中15cm15cm，然后，然后记录记录再打入再打入30cm30cm的的锤击数锤击数的原位的原位试验试验4.2 4.2 计数计数方法方法 、将贯将贯入器入器预预先打入先打入15cm15cm，不，不计数计数；、然后、然后开开始始记录记录每每10cm10cm的的击数击数，累，累计计打入打入30cm30cm；、最后、最后将将30cm30cm的的击数击数累加。累加。一般表示一般表示为为：N=5+6+5 N=5+6+5 、如果、如果击数达击数达到到5050击时击时，贯贯入深度入深度还还未未达达到到30cm30cm，则则 可停止可停止试验试验，记录记录5050击时击时的的实际贯实际贯入深度，然后再入深度，然后再 换换算成算成30cm30cm的的击数击数，即，即N=30*50/SN=30*50/S；、如果、如果贯贯入器入器进进入碎石土或碎入碎石土或碎块状块状岩石岩石层层出出现现反反弹弹，则则停止停止试验试验，击数记为击数记为“反反弹弹”、判、判别别砂土的密砂土的密实实度度（GB50021-2019GB50021-2019）4.3 4.3 主要主要应应用用、利用、利用贯贯入器采取的入器采取的扰动样扰动样，进进行土行土层层定名定名（GB50021-2019GB50021-2019）、判、判别饱别饱和砂土、粉土的液化和砂土、粉土的液化建筑抗震建筑抗震设计规设计规范范 （GB50011-2019GB50011-2019）、划划分花分花岗岗岩岩风风化化带带岩土工程勘岩土工程勘察察规规范范（福建省工程建（福建省工程建设设地方地方标标准）准）（DBJ13-84-DBJ13-84-20192019）、估算地基承、估算地基承载载力力岩土工程勘察岩土工程勘察规规范范（福建省工程建（福建省工程建设设地方地方标标准）（准）（DBJ13-84-DBJ13-84-20192019）、关关于于应应用用标贯击数时标贯击数时是否需要修正的是否需要修正的问题问题 1 1）、）、岩土工程勘察岩土工程勘察规规范范（GB50021-2019GB50021-2019）、）、建建筑抗震筑抗震设计规设计规范范（GB50011-2019GB50011-2019）不需要）不需要进进行修正；行修正；2 2）、）、建筑地基基建筑地基基础设计规础设计规范范（GB50007-2019GB50007-2019）中）中判判断断砂土密砂土密实实度度时时不需要修正，确定地基承不需要修正，确定地基承载载力力时时需要修正；需要修正；3 3）、其）、其它国内它国内外外规规范范对该问题对该问题也有不同也有不同规规定。定。因此，由于各因此，由于各种规种规范的意范的意见见不不统统一，所以勘察一，所以勘察报报告首先提告首先提供未供未经经修正的修正的实测值实测值，这这是基本是基本数数据。然后在据。然后在应应用用时时，根据，根据当当地地积积累累资资料料时时的具体情的具体情况况，确定是否修正和如何修正。，确定是否修正和如何修正。福建省工程建福建省工程建设设地方地方标标准准岩土工程勘察岩土工程勘察规规范范（DBJ13-84-2019DBJ13-84-2019）对该问题对该问题做出明确做出明确规规定如下：定如下：The endThe end5.1 5.1 定定义义u十字板剪切十字板剪切试验试验(FVSTFVST：field vane shear test)field vane shear test)是用是用插插入入软软粘土中的十字板粘土中的十字板头头，以一定的速率旋，以一定的速率旋转转，测测出土的出土的抵抗力矩抵抗力矩，然后，然后换换算算成土的成土的抗剪强度抗剪强度的一的一种测试种测试方法方法5 5 野外十字板剪切野外十字板剪切试验试验u优优点点不不用用取取样样，特特别别是是对对难难以以取取样样的的灵灵敏敏度度高高的的粘粘性性土土，可可以以在在现现场场对对基基本本上上处处于于天天然然应应力力状状态态下下的的土土层层进进行行扭扭剪剪。所求所求软软土抗剪强度指土抗剪强度指标标比其他方法都可靠比其他方法都可靠野外野外测试设备轻测试设备轻便，操作容易便，操作容易测试测试速度速度较较快，效率高，成果整理快，效率高，成果整理简单简单u缺点缺点仅仅适适用用于于江江河河湖湖海海的的沿沿岸岸地地带带的的软软土土，适适应应范范围围有有限限，对对硬硬塑塑粘粘性性土土和和含含有有砾砾石石杂杂物物的的土土不不宜宜采采用用，否否则则会会损损伤伤十字板十字板头头 FVSTFVST主要用于主要用于测测定定饱饱水水软软粘土的不排水抗剪强度粘土的不排水抗剪强度M1H HDM2时：4.2 4.2 测试测试原理原理4.3 4.3 测试设备测试设备(1)(1)压压入主机入主机(2)(2)十字板十字板头头(3)(3)扭扭力力传传感器感器(4)(4)量量测扭测扭力的力的仪仪表表(5)(5)施加施加扭扭力装置力装置(6)(6)其其它它（探杆等）（探杆等）4.4 4.4 测试测试步步骤骤4.4.1 4.4.1 扭扭力力传传感器率定感器率定将将板板头与传头与传感器感器连连接，接，拧紧拧紧后，把板后，把板头插头插入率定入率定仪仪的的规规定座定座内内逐逐级级施加施加扭扭矩，矩，并记录仪并记录仪表表的的读数读数，直到，直到传传感器的最大感器的最大容容许扭许扭矩矩绘绘制制扭扭矩矩与读数与读数的的关关系曲系曲线线，确定确定传传感器的率定系感器的率定系数数MM 4.4.2 4.4.2 现场现场十字板剪切十字板剪切测试测试（1 1）平整）平整场场地，安装机架，地，安装机架，并并固定固定（2 2）把板）把板头压头压至至测试测试深度深度（3 3）卡住）卡住钻钻杆，杆，并调并调零零（4 4）转动转动手柄，旋手柄，旋转钻转钻杆，使板杆，使板头产头产生生扭扭矩矩(每每1010秒使秒使摇摇柄柄转动转动一圈，每一圈，每转动转动一圈一圈测记应变读数测记应变读数一次一次)（5 5）测测量量扭扭矩直至峰矩直至峰值值出出现现（6 6）松）松动钻动钻杆杆（7 7）完全）完全扰动测试扰动测试土体，重土体，重复复2-52-5测测量量扰动扰动土的剪切强度土的剪切强度注意事注意事项项：应应先先将将电电缆缆穿穿过过施施加加扭扭力力装装置置的的中中心心孔孔，然然后后再再穿穿入入探杆探杆在在扭扭剪前，剪前，应读应读取初始取初始读数读数或或将仪将仪器器调调零零匀匀速速转动转动手手摇摇柄，柄，摇摇柄每柄每转转一圈，十字板一圈，十字板头头旋旋转转一度一度测测试试重重塑塑土土时时，用用扳扳手手或或管管钳钳快快速速将将探探杆杆顺顺时时针针方方向向旋旋转转6 6圈圈，使使十十字字板板头头周周围围的的土土充充分分扰扰动动后后，立立即即拧拧紧紧钻钻杆杆夹夹具具4.5 4.5 测试数测试数据据处处理理u计计算土的抗剪强度算土的抗剪强度 Cu Cu十字板剪切十字板剪切试验记录试验记录表表转转角角（度）（度）原原状状土土重塑土重塑土灵灵敏度敏度StSt应变仪读数应变仪读数剪剪应应力（力（kPakPa）应变仪读数应变仪读数剪剪应应力（力（kPakPa）5 5101020201010222225251515474732322020747436362525101101353530301081083535353510110135354040969635354545898935355050828214.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.8u计计算重塑土的抗剪强度算重塑土的抗剪强度u计计算土的算土的灵灵敏度敏度S St t十字板剪切十字板剪切试验记录试验记录表表转转角角（度）（度）原原状状土土重塑土重塑土灵灵敏度敏度StSt应变仪读数应变仪读数剪剪应应力（力（kPakPa）应变仪读数应变仪读数剪剪应应力（力（kPakPa）5 5101020201010222225251515474732322020747436362525101101353530301081083535353510110135354040969635354545898935355050828214.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.0十字板剪切十字板剪切试验记录试验记录表表转转角角（度）（度）原原状状土土重塑土重塑土灵灵敏度敏度StSt应变仪读数应变仪读数剪剪应应力（力（kPakPa）应变仪读数应变仪读数剪剪应应力（力（kPakPa）5 5101020201010222225251515474732322020747436362525101101353530301081083535353510110135354040969635354545898935355050828214.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.03.0绘绘制抗剪强度制抗剪强度与转与转角的角的关关系曲系曲线线4.6 4.6 测试测试精度影精度影响响因素因素u十字板十字板头头的旋的旋转转速率速率剪切（旋剪切（旋转转）速率越大，抗剪强度越大，）速率越大，抗剪强度越大，应规应规定一定一个个统统一的旋一的旋转转速率（速率（1/101/10s s）对对一般粘性土，最大的抗剪强度出一般粘性土，最大的抗剪强度出现现在在20-3020-30之之间间，所用所用时间为时间为3-53-5minmin，属属不排水抗剪强度不排水抗剪强度u土的各向土的各向异异性性在板在板头头范范围内围内，土的非均一性，土的非均一性天然土天然土层层的抗剪强度的非等向性的抗剪强度的非等向性u十字板十字板头头的的规规格格指十字板指十字板头头的形的形状状、板厚及、板厚及轴轴杆直杆直径径板厚及板厚及轴轴杆直杆直径径越大，板越大，板头插头插入土中入土中对对土的土的扰动扰动越越大，抗剪强度越小大，抗剪强度越小7575mm150mmmm150mm，厚厚3 3mmmm，轴径轴径1616mmmm50mm100mm50mm100mm，厚厚2 2mmmm，轴径轴径1313mmmmu排水排水条条件件测测定的定的结结果果为为土的不排水抗剪强度（土的不排水抗剪强度（=0=0时时的的C C值值），但，但实际测试实际测试中，已有部分排水，所中，已有部分排水，所测测C Cu u值值偏大，偏大，应应修正修正4.7 4.7 结结果的果的应应用用u估算地基容估算地基容许许承承载载力力 对对于于内内摩擦角摩擦角为为零的零的饱饱和和软软粘土，可以用下式估算粘土，可以用下式估算地基容地基容许许承承载载力力 R R R R=2=2C Cu u+h h式中：式中：基基础础底面以上土的容重底面以上土的容重 h h基基础础埋深埋深u预预估估单桩单桩承承载载力力 在在饱饱和和软软粘土中，粘土中，单桩单桩的的极极限端阻力限端阻力q qp p和和极极限限侧侧摩摩阻力阻力q qf f可由下式可由下式计计算算u求求软软粘土粘土灵灵敏度敏度 野外十字板剪切野外十字板剪切实验实验是确定是确定软软粘土粘土灵灵敏度的最可靠敏度的最可靠的方法的方法u其其它它 如确定地基土的强度如确定地基土的强度5 5 动动力力触触探探5.1 5.1 定定义义u动动力力触触探探测试测试(DPT:dynamic DPT:dynamic penetration test)penetration test)：是利用一定的是利用一定的锤击动锤击动能能，将将一一定定规规格的探格的探头头打入土中，根据打入土中，根据打入土的打入土的难难易程度（可用易程度（可用贯贯入入度、度、锤击数锤击数或探或探头单头单位面位面积动积动贯贯入阻力入阻力来来表示）判定土表示）判定土层层性性质质的一的一种种原位原位测试测试的方法的方法优优点点（1 1）设备简单设备简单，且，且坚坚固耐用固耐用（2 2）操作及）操作及测试测试方法容易，一方法容易，一学学就就会会（3 3）适用性广）适用性广（4 4）快速，）快速，经济经济，能，能连续测试连续测试土土层层（5 5）有些）有些动动力力触触探，可同探，可同时时取取样样，观观察描述察描述（6 6）经验经验丰富，使用广泛丰富，使用广泛u分分类类依据依据为为穿心穿心锤锤的重量和探的重量和探头类头类型型u标贯与标贯与一般一般动动探的主要探的主要区别区别在于探在于探头头不同不同5.2 5.2 测试测试原理原理lDPT DPT 的基本原理可以用能量平衡法的基本原理可以用能量平衡法来来分析分析u在在一一次次锤锤击击作作用用下下的的功功能能转转换换按按能能量量守守恒恒原原理理，其其关关系可系可写写成：成：E Emm=E Ek k+E+Ec c+E+Ef f+E+Ep p+E+Ee e 式中：式中：E Emm-穿心穿心锤锤下落能量下落能量 E Ek k-锤与触锤与触探器探器碰碰幢幢时损时损失的能量失的能量 E Ec c-触触探器探器弹弹性性变变形所消耗的能量形所消耗的能量 E Ef f-贯贯入入时时用于克服杆用于克服杆侧侧壁磨阻力所耗能量壁磨阻力所耗能量 E Ep p-由于土的塑性由于土的塑性变变形而消耗的能量形而消耗的能量 E Ee e-由于土的由于土的弹弹性性变变形而消耗的能量形而消耗的能量u考考虑虑在在动动力力触触探探测试测试中，只能量中，只能量测测到土的永久到土的永久变变形，故形，故将将和和弹弹性有性有关关的的变变形略去，通形略去，通过过推推导导可得土的可得土的动贯动贯入阻入阻力力R Rd d为为：u其中：其中：ee贯贯入度（入度（mmmm），），每每击贯击贯入的深度；入的深度；MM重重锤质锤质量；量；mm触触探器探器质质量；量；AA圆锥圆锥探探头头底面底面积积（mm2 2）（一）（一）轻轻型型动动力力触触探探（1 1）先用）先用轻轻便便钻钻具具钻钻至至试验试验土土层标层标高以上高以上0.30.3mm处处，然后，然后对对土土层进层进行行连续触连续触探探（2 2）试验时试验时，穿心，穿心锤锤落距落距为为0.500.020.500.02mm，记录记录每打入每打入0.300.30mm所需的所需的锤击数锤击数（3 3）如想取）如想取样样，则则需把需把触触探杆拔出，探杆拔出，换钻头进换钻头进行取行取样样（4 4）一般用于）一般用于触触探深度小于探深度小于4 4mm的土的土层层（二）中型（二）中型动动力力触触探（省略）探（省略）5.3 5.3 测试测试程序程序与与要求要求（三）重型（三）重型动动力力触触探探（1 1）试验试验前前将触将触探架安装平探架安装平稳稳，使，使触触探保持垂直地探保持垂直地进进行行 垂直度的最大偏差不得超垂直度的最大偏差不得超过过2%2%（2 2）贯贯入入时应时应使穿心使穿心锤锤自由落下自由落下 地面上的地面上的触触探杆的高度不宜探杆的高度不宜过过高，以免高，以免倾倾斜斜与摆动与摆动太大太大（3 3）锤击锤击速率宜速率宜为为每分每分钟钟15-3015-30击击（4 4）及）及时记录时记录每每贯贯入入0.100.10mm所需的所需的锤击数锤击数（5 5）对对于于一一般般砂砂、圆圆砾砾和和卵卵石石，触触探探深深度度不不宜宜超超过过12-1512-15mm；超超过该过该深度深度时时，需考，需考虑触虑触探杆的探杆的侧侧壁摩阻的影壁摩阻的影响响（6 6）每）每贯贯入入0.10.1mm所需所需锤击数连续锤击数连续三次超三次超过过5050击时击时，即停止，即停止试试验验5.4 5.4 测试数测试数据据处处理理1.1.实测击数实测击数的的统计统计分析分析a.a.每每层实测击数层实测击数的算的算术术平均平均值值。x-x-脚脚标标代表代表锤锤重。重。式中，式中，N Nx x 的平均的平均值值 N Nx x实测锤击数实测锤击数 nn参参加加统计统计的的测测点点数数对对于于轻轻型型动动力力触触探探为为每每贯贯入入3030cmcm的的锤击数锤击数对对于于中型、重型中型、重型为为每每贯贯入入1010cmcm的的锤击数锤击数分别为10，28，63.5，120等b.b.如果土很硬，完全如果土很硬，完全贯贯入很入很难难，则则：对对于于标贯标贯有有 式中，式中，NSPTNSPT锤击数锤击数；n n实际贯实际贯入深度的入深度的实测击数实测击数 ss实际贯实际贯入深度入深度中型中型动动力力触触探杆探杆长长修正系修正系数数探杆长度l（m）1 12 23 34 45 56 68 81010121215151.001.000.960.960.90.90 00.80.85 50.80.83 30.810.810.70.78 80.760.760.750.750.740.742.2.击数击数的杆的杆长长修正（修正（对对于中、重型于中、重型动动力力触触探）探）3.3.绘绘制制N Nx x-H-H曲曲线线 5.5 5.5 测试测试精度影精度影响响因素因素（1 1）动动力力触触探的有效探的有效锤击锤击能量能量 有效有效锤击锤击能量的大小是影能量的大小是影响动响动力力触触探成果探成果N N值值的最主要的最主要因素因素探探头头的的单单位位动贯动贯入阻力和入阻力和锤击数锤击数成正比成正比关关系系，因此可以，因此可以用探用探头头的的动贯动贯入阻力作入阻力作为动为动力力触触探的成果，探的成果，评评价土的工价土的工程性程性质质动动力力触触探探探探头头大小、穿心大小、穿心锤锤重量等差重量等差别较别较大，可以用大，可以用动动贯贯入阻力入阻力将将各各种动种动探做探做归归一化一化处处理，即可相互通用。理，即可相互通用。（2 2）测试设备与测试设备与方法的方法的标标准化准化落落锤锤技技术术比比较关键较关键人力人力牵牵引的引的锤击数锤击数要小于自要小于自动动落落锤锤的的锤击数锤击数自自动动落落锤锤的的锤击数锤击数再再现现性好，性好，结结果可靠果可靠人力人力牵牵引落引落锤锤的的锤击数锤击数需修正，建需修正，建议议采用自采用自动动落落锤锤技技术术（3 3）动动力力触触探探设备贯设备贯入能力入能力动动力力触触探的探的设备贯设备贯入能力由入能力由锤锤重、落距、探重、落距、探头头截面形截面形状状等等决决定定在在软软土中土中测试测试，应应采用采用轻轻型型动动力力触触探，以探，以获获得得较较高的高的精度精度在在砾砾石等土中，石等土中，应应用重型或超重型的用重型或超重型的动动力力触触探，以探，以获获得有效的得有效的贯贯入入不同不同类类型的型的动动力力触触探适宜于不同土探适宜于不同土层层，轻轻型不大于型不大于10m10m，重型的，重型的为为14-25m14-25m，超重型的可，超重型的可达达40m40m（4 4）探杆）探杆长长度的影度的影响响u我我国国建筑地基基建筑地基基础设计规础设计规范范（GBJ7-89GBJ7-89）中）中规规定定应对应对杆杆长进长进行修正行修正钻钻（探）杆（探）杆长长度校正系度校正系数数 表表探杆长度l（m）3 36 69 912121515181821211 10.90.92 20.0.86860.80.81 10.0.77770.0.73730.70.70 0（5 5）钻进钻进方式的影方式的影响响在在标贯试验标贯试验中，在中，在测试测试前不能采用冲前不能采用冲击钻进击钻进，必，必须须采用回采用回转钻进转钻进方式方式在砂在砂层层中中钻进应钻进应采用泥采用泥浆护浆护壁壁（6 6）土的深度（土的有效上覆）土的深度（土的有效上覆压压力）的影力）的影响响（7 7）探杆偏斜影）探杆偏斜影响响5.6 5.6 测试测试成果的成果的应应用用（1 1）划划分土分土类类或土或土层层剖面剖面锤击数锤击数越少，土的越少，土的颗颗粒越粒越细细；锤击数锤击数越多，土的越多，土的颗颗粒越粗粒越粗动动力力触触探直方探直方图图及土及土层划层划分分（2 2）确定地基土承确定地基土承载载力力 N土类10153050中、粗砂180250340500粉、细砂140180250340砂土地基容砂土地基容许许承承载载力（力（kPakPa）（）（标贯标贯法）法）粘性土、粉土地基承粘性土、粉土地基承载载力力（中型中型动动力力触触探）探）N28234681012fk(kPa)120150180240290350400（3 3）确定）确定单桩单桩容容许许承承载载力力MeyerhofMeyerhof法法式中：式中：B B为桩宽为桩宽度或直度或直径径 mm，h h为桩进为桩进入砂入砂层层的深度的深度 mm日本法日本法式中：式中：N1N1为桩为桩端端处处的的N N值值，N2N2为桩为桩尖上尖上1010B B范范围内围内的平均的平均N N值值6 6 扁扁铲侧胀试验铲侧胀试验6.1 6.1 定定义义用精力或用精力或锤击动锤击动力把扁力把扁铲铲形探形探头贯头贯入土中，入土中，达预订达预订试验试验深度后，利用深度后，利用气压气压使扁使扁铲侧铲侧面的面的圆圆形形钢钢膜向外膜向外扩张进扩张进行行试验试验可作可作为为一一种种特殊的旁特殊的旁压试验压试验适用于适用于黏性土、粉土、中密以下砂土和黏性土、粉土、中密以下砂土和黄黄土土等等不适用于含不适用于含碎石的土、碎石的土、风风化岩化岩等等u优优点点试验简单试验简单、快速、重、快速、重复复性好性好连连接示意接示意图图 测试测试示意示意图图6.2 6.2 基本原理基本原理u扁扁胀试验时胀试验时膜向外膜向外扩张扩张可假可假设为设为在无限在无限弹弹性介性介质质中中在在圆圆形面形面积积上施加均布荷上施加均布荷载载P P，如，如弹弹性介性介质质的的弹弹性性模量模量为为E E，泊松比，泊松比为为u u，膜的半，膜的半径为径为R R（R R=30mm=30mm），），膜中心的外移膜中心的外移为为s s，则则如把定义为扁胀模量s为1.10mm，则上式变为（1 1）扁）扁胀胀模量模量（2 2）扁）扁账账水平水平应应力指力指数数作用在扁作用在扁胀仪胀仪上的原位上的原位应应力力 即，水平有效即，水平有效应应力力 与与竖竖向有效向有效应应力力 之比，可定之比，可定义为义为水平水平应应力指力指数数：（3 3）扁）扁账账指指数数（4 4）扁）扁账账孔孔压压指指数数6.3 6.3 仪仪器器设备设备及及试验试验技技术术u扁扁铲铲形探形探头头的尺寸的尺寸长长230230240mm240mm、宽宽949496mm96mm、厚、厚141416mm16mm。铲缘铲缘刃角刃角为为1212度度1616度，在扁度，在扁铲铲的一的一侧侧面面为为一直一直径径60mm60mm的的钢钢膜膜 u探探头头可可与静与静力力触触探的探杆或探的探杆或钻钻杆杆连连接，接，对对探杆的要求探杆的要求与静与静力力触触探相同探相同u量量测仪测仪表表为静为静探探测测量量仪仪，并并前置控制箱前置控制箱 （1 1）扁）扁铲铲形探形探头头和量和量测仪测仪器器（2 2）扁）扁胀试验胀试验技技术术要求要求 试验时试验时，测测定三定三个钢个钢膜僮的膜僮的压压力力A A，B B，C C 压压力力A A为当为当膜片中心膜片中心刚开刚开始向外始向外扩张扩张，向垂直扁，向垂直扁铲铲周周围围的土体水平位移的土体水平位移0.050.05（+0.02+0.02，-0.00-0.00）mmmm时时作作用在膜片用在膜片内侧内侧的的气压气压压压力力B B为为膜片中心外移膜片中心外移达达1.100.03mm1.100.03mm时时作用在膜作用在膜片片内侧内侧的的气压气压压压力力C C为为在膜片外移在膜片外移1.10mm1.10mm后，后，缓缓慢降慢降压压，使膜片，使膜片内缩内缩到到刚启动刚启动前的原前的原来来位置位置时时作用在膜片作用在膜片内内的的气