静力触探试验ppt课件

岩土工程测试技术 1 第三章静力触探试验 2 2 1概述 静力触探试验 StaticConePenetration CPT 是利用准静力以恒定的贯入速率将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列探杆压入土中 同时测记贯入过程中探头所受到的阻力 根据测得的贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的现场试验方法 3 4 2 1概述 静力触探首先在荷兰研制成功 因此静力触探也叫 荷兰锥 试验 按测量机理分 机械式静力触探和电测式静力触探 按探头功能分 单桥静力触探 双桥静力触探 孔压静力触探 电测式静力触探的优点 1 测试连续 快速 效率高 功能多 兼具勘探与测试双重作用 2 测试数据精度高 再现性好 3 采用电测技术 便于实现测试工程的自动化 测试成果可由计算机自动处理 减少了工作强度 5 2 1概述 根据静力触探 包括孔压静力触探试验结果 结合地区经验 可以用于以下目的 1 土类定名 并划分土层的界面 2 评定地基土的物理 力学 渗透性质的相关参数 3 确定地基承载力 4 确定单桩极限承载力 5 判定地基土液化的可能性 6 2 1概述 静力触探试验适应于软土 粘性土 粉土 砂类土和含有少量碎石的土层 与传统的钻探方法相比 静力触探试验具有速度快 劳动强度低 清洁 经济等优点 而且可以连续获得地层的强度和其他方面的信息 不受取样扰动等人为因素的影响 静力触探试验中不能对土进行直接的观察 鉴别 而且不适用于含较多碎石 砾石的土层和很密实的砂层 7 2 2静力触探试验的仪器设备 一 贯入系统1 贯入装置1 液压式静力触探机 10 20t 8 2 2静力触探试验的仪器设备 2 手摇链条式静力触探机 2 3t 9 2 2静力触探试验的仪器设备 3 电动机械式静力触探机 4 5t 10 11 12 13 2 2静力触探试验的仪器设备 2 探杆探杆是传递贯入力的媒介 为保证触探孔的垂直 探杆一般采用高强度合金无缝钢管制造 探杆也有一定的规格和要求 应有足够的强度 应采用高强度无缝管材 其屈服强度不宜小于600MPa 探杆与接头的连接要有良好的互换性 每根探杆的长度一般为1m 其直径应和探头直径相同 但单桥探头探杆直径应比探头直径小 3 反力装置地锚 重物或地锚与重物联合使用 14 2 2静力触探试验的仪器设备 二 量测系统1 探头探头是静力触探仪的关键部件 主要有单桥探头 双桥探头 孔压探头及其他多功能探头 ps 比贯入阻力 qc 锥尖阻力 fs 侧壁摩阻力 uw 孔隙水压力 15 16 17 单桥探头双桥探头孔压探头 18 2 2静力触探试验的仪器设备 1 单桥探头主要由外套筒 顶柱 空心柱等组成 19 2 2静力触探试验的仪器设备 单桥探头是我国所特有的一种探头类型 它是将锥头与外套筒连在一起 因而只能测量一个参数 比贯入阻力ps 这种探头结构简单 造价低 坚固耐用 是我国使用最多的一种探头 ps值是单桥探头在贯入过程中所受到的总的贯入阻力P与探头圆锥锥底截面积A的比值 ps P A 比贯入阻力反映了探头锥尖阻力和侧壁摩擦阻力两部分的综合作用 20 2 2静力触探试验的仪器设备 2 双桥探头锥头与摩擦筒分开 可同时测锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs两个参数的探头 21 2 2静力触探试验的仪器设备 由锥尖阻力量测部分和侧壁摩擦阻力量测部分组成 锥尖阻力量测部分 由锥头 空心柱下半段 加强筒组成锥尖阻力传递结构 侧壁摩擦阻力量测部分 由摩擦筒 空心柱上半段及加强筒组成侧壁摩擦阻力传递结构 22 2 2静力触探试验的仪器设备 3 孔压探头孔隙水压力静力触探 PiezoConepenetrationTest 简称孔压触探 CPTU 它是在普通的CPT探头上安装了可以测量孔隙水压力的传感器 使贯入时能在测量q s的同时 测量贯入引起的超孔隙水压力 当停止贯入时 可测量超孔隙水压力 的消散过程及完全消散时的静止孔隙水压力u 它一般是在双桥探头基础上再安装一种可测触探时产生的超孔隙水压力装置的探头 孔压探头最少可测三种参数 即qc fs及孔隙水压力u 功能多 用途广 在国外已得到普遍应用 23 2 2静力触探试验的仪器设备 目前 孔压探头上测量孔隙水压力的滤水器可分别位于锥面 锥肩和摩擦筒尾部等三个位置 其测得的孔隙水压力分别记为u1 u2和u3 有的探头在两处或三处同时安装滤水器 可以同时测得在贯入过程中探头不同位置的孔压 图3 6 24 2 2静力触探试验的仪器设备 不同位置的滤水器所测得的超孔隙水压力不同 超孔压的消散条件和消散速率不相同 在贯入过程中 滤水器的磨损 涂抹和压缩不同 对土层变化的分辨能力也不相同 锥尖和锥面处的滤水器测得得超孔压最大 对土层变化的反应最灵敏 滤水器易磨损 滤水器的渗透性能会随之减小 探头对孔压反应变得迟钝 孔压量测的灵敏度会下降 另外 锥尖附近土体应力条件复杂 使在锥尖和锥面处量测的孔压稳定性较差 在锥头之后的等直径圆柱面上的滤水器 测得的孔压较小 而且随离锥头的距离增大而变小 由于避开了锥头底下的复杂应力区 所测得孔压比较稳定 孔压的消散接近于圆柱轴对称径向排水条件 25 2 2静力触探试验的仪器设备 孔压触探与一般的静力触探相比 具有下面一些突出优点 由于不同土体的渗透性差别很大 CPTU量测孔隙水压力的灵敏度很高 能够分辨1 2cm厚的薄土层土性的变化 因而可以详细分层 特别是在区分砂层和粘土层方面精度很高 可以量测到孔隙水压力 从而有可能进行有效应力分析 可以估算土体的渗透系数和固结系数 可以测定土层不同深度的静止水压力 获得地下水条件的资料 可以区分排水 部分排水和不排水的贯入条件 可计算土的超固结比 评价土层应力历史 计算静止侧压力系数k 等 26 2 2静力触探试验的仪器设备 2 记录仪器量测记录仪表测量与记录探头所受各种阻力 我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器 因此 与其配套的记录仪器主要有以下4种类型 电阻应变仪 自动记录绘图仪 数字式测力仪 数据采集仪 微机 一般的测量系统还应包括静力触探专用记录仪器和传输信号的四芯或八芯的屏蔽电缆 电缆的作用是连接探头和量测记录仪表 由于探头功能不同 相应电缆的蕊数也不同 最少的为配单桥探头的四蕊电缆 多则几十蕊 各蕊之间应互相屏蔽 电缆应有良好的防水性和绝缘性 接头处应密封 27 2 3静力触探试验原理 一 静力触探探头的工作原理静力触探是将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中 由于地层中各种土的软硬不同 探头所受的阻力自然也不一样 传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来 电阻应变式传感器最为常见 它应用了虎克定律 电阻定律和电桥原理 28 静力触探探头大多采用电阻应变式测试技术 探头空心柱体上的应变桥路有两种布置方式 半桥两臂工作 空心柱体四周对称地粘贴四个电阻应变片 其中两个竖向的承受拉力 另外两个横向的处于自由状态 全桥四臂工作 电阻应变片的粘贴方式与前者相同 但由于空心柱体空心长度较长 所以横向电阻应变片处于受压状态 2 3静力触探试验原理 29 2 3静力触探试验原理 30 2 3静力触探试验原理 31 2 3静力触探试验原理 二 静力触探试验的贯入机理静力触探试验的贯入机理是个很复杂的问题 而且影响因素也比较多 迄今还没有一种理论能圆满地解释静力触探的贯入机理 临界深度 在均质土层中 不论是锥尖阻力还是侧摩擦阻力 都存在 临界深度 的问题 即在一定深度范围内 均随着贯入深度的增大而增大 但达到一定深度后 qc和fs均达到极限值 贯入深度继续增加 qc和fs不再增加 临界深度是土的密实度和探头直径的函数 土的密实度越大 探头直径越大 临界深度越大 但qc和fs并不一致 一般而言 fs的临界深度比qc的要小 静力触探的破坏机理与探头的几何形状 土类和贯入深度有关 圆锥探头在贯入土中时 在其周围及底部土中会形成一定的扰动区 在软粘土中土体的扰动使强度降低 在松砂中土体的扰动使土被挤压密实 强度提高 在密实砂中砂粒甚至会被压碎 32 2 3静力触探试验原理 三 孔压静力触探的贯入机理孔压静力触探探头贯入土体的机理是十分复杂的 探头贯入所产生的超孔压沿水平径向的初始分布 以及停止贯入时超孔压的消散均属于轴对称问题 对贯入机理所做的简化假设和所选择的土体模型不同 可以建立不同的计算公式 33 2 4试验方法和技术要求 一 试验前的准备工作1 将电缆按探杆的连接顺序一次穿齐 所用的探杆应比计划深度多2 3根 电缆应备有足够的长度 2 安放触探机的地面应平整 使用的反力措施应保证静力触探达到预定的深度 3 检查探头是否符合规定的规格 连接记录仪 检查记录仪是否工作正常 整个系统是否在标定后的有效期内 并调零试压 对于孔压探头应按要求进行预饱和处理 34 2 4试验方法和技术要求 二 孔压探头的饱和处理在测试开始前 应对孔隙水压力探头进行饱和 这是保证孔压测量正确的关键 由于气体的压缩性远大于水的压缩性 如果探头孔压量测系统通道未被水饱和 测量孔压时 则有一部分孔隙水压力在传递过程中会消耗在压缩空气上 使所测孔隙水压力值比实际值小 且滞后 35 2 4试验方法和技术要求 36 2 4试验方法和技术要求 37 2 4试验方法和技术要求 三 触探机的位置和高度1 应注意用水平尺校准机座勘探开孔前用水平尺校准机座保持水平并与反力装置锁定 以保证探杆垂直贯入地下 2 留意原有钻孔距离对触探测试成果的影响根据研究 在30倍桩径或探头直径的范围以内 土体的边界条件对测试成果有一定影响 在一般静力触探试验中 布置的触探孔距原有钻孔的距离至少2m 若需进行平行试验对比 对比孔间距不宜大于3m 且宜先进行静探试验 而后再进行勘探或其他原位试验 孔压静探试验中 与先前孔之间的距离正常情况下应至少为孔直径的25倍 3 探杆平直度的检查前5m 弯曲度不得大于0 05 5m以后的 孔深小于10m时 不得大于0 2 大于10m时 不得大于0 1 38 2 4试验方法和技术要求 四 触探仪的贯入1 进行贯入试验时 若遇到密实 粗颗粒或含碎石颗粒较多的土层 在试验前应先进行预钻孔 必要时使用套筒防止孔壁的坍塌 在软土或松散土中 预钻孔应该穿过硬壳层 2 探头的贯入速率对贯入阻力有一定的影响 应匀速贯入 贯入速率控制在20 5mm s 使用手摇式触探机时 手把转速应力求均匀 使用记读式仪器时 每贯入0 1m或0 2m时应记录一次读数 39 2 4试验方法和技术要求 3 在贯入过程中应进行归零检查和深度校核1 对于单桥 双桥探头 将探头贯入地面以下0 5 1 0m后 上提探头5 10cm 观察零漂情况 待测量值稳定后 将记录仪调零并将探头压回原位进行正式贯入 在地面以下6m深度范围内 每贯入2 3m应提升探头一次 并记录零漂值 6m后视零漂的大小可放宽归零检查的深度间隔或不作归零检查 终孔起拔探杆时和探头拔出地面时 应记录仪器的零漂值 2 对于孔压探头 在整个贯入过程中 不得提升探头 终孔起拔探头时应记录锥尖阻力和侧壁摩擦阻力的零漂值 探头拔出地面时 应记录孔压的零漂值 在试验过程中 应每隔3 4m校核一次实际深度 40 孔压消散曲线 五 孔压消散试验a 停止贯入b 记录超孔压随时间的消散过程超孔压的消散速度取决于土的固结系数 即土的渗透性 c 绘制超孔压随时间的消散过程曲线 2 4试验方法和技术要求 41 2 4试验方法和技术要求 六 试验的终止当出现以下情况时 应该终止静力触探试验的贯入 1 要求的贯入长度或深度已经达到 2 贯入时探杆出现明显弯曲 3 反力装置失效 4 试验记录显示异常 5 触探主机负荷达到其额定荷载的120 时 6 探头负荷达到额定荷载时 42 2 4试验方法和技术要求 七 试验操作步骤a 布孔位 平整场地b 安装触探机 并调平机座 为使贯入压力保持垂直方向 把机座与反力装置衔接c 将探头 测量电缆 探杆连接起来 并检查测量仪表 并调零d 将连着探杆的探头压入地下 同时记录深度值和测量仪表的数据 43 2 5试验资料的整理与分析 一 静力触探试验成果的影响因素1 孔隙水压力对于饱和土体 静探探头在贯入过程中会产生超空隙水压力 超孔压的产生对土的强度和静探试验指标是有影响的 其影响程度因土的排水条件和贯入速率而异 一般认为 5mm s的贯入速率相当于排水条件 而50mm s的贯入速率则相当于不排水条件 44 2 5试验资料的整理与分析 2 温度的影响静探探头贴有的电阻应变片对环境温度的变化非常敏感 温度的变化会引起电阻应变片电阻值的变化 从而产生零位漂移 产生温度变化的原因主要有 1 标定时的温度与地下温度的差异 2 量测时应变片通电时间过长 产生电阻热 3 贯入过程中与土 特别是砂 摩擦产生热量 措施 1 采用温度补偿应变片来补偿温度变化对应变测量的影响 2 正式操作前将探头放在地下1m处 放置30min 使探头与地温平衡 再调仪器的初始零点 45 2 5试验资料的整理与分析 3 探孔 探头 的偏斜探孔或探头的偏斜产生两个方面的问题 贯入探杆的长度不能正确反映实际贯入深度 分层界限不准 探头的倾斜使得测得的土层阻力严重失真 措施 1 试验前检查探杆的平直度 2 贯入主机放置在平整的地面或人工平台上 采用地锚作为反力装置时 地锚的埋设深度应一致 保持反力的对称与均衡 并将主机调平 3 在探头上加装测斜仪器 了解贯入过程中探头的倾斜程度 随时进行修正 4 注意探杆倾斜是否是由于地下障碍物引起 设法排除或绕避 46 2 5试验资料的整理与分析 4 孔压传感器的位置与尺寸孔压触探试验中 过滤器的位置不同 所测得的孔压大小不同 一般而言 u1 u2 u3 对于应力历史不同的粘性土 孔压的变化形态也有所不同 图3 11 在饱和土层中进行触探时 产生的超孔隙水压力 在不同土层中差别很大 因而对锥尖阻力值的影响也不同 如在饱和软粘土中 u对qc的影响十分显著 此外 透水单元的尺寸也会影响孔隙压力的量测结果 47 2 5试验资料的整理与分析 5 探头及探杆的规格探头形状及尺寸的标准化与科学化对测试成果的应用 交流和对比都有很重要的意义 ps qc qc和fs都随锥底面积的增大而减小 侧壁摩擦筒长度增大时 qc增大 fs减小 探杆外径 摩擦筒与锥底面直径应保持一致 因此 国外普遍使用直径相同的锥头 摩擦筒及探杆 国内原有的标准不统一 现已向同径方向发展 目前 国内 外已普遍规定静力触探的锥头为圆锥形 其顶角为60 所不同的是锥头底面积 国际上建议锥头底面积一般为10cm2 仅对坚硬土层才允许使用15cm2或20cm2的锥头 48 2 5试验资料的整理与分析 6 贯入速率贯入速率不同 贯入阻力也不同 但在常用贯入速率 2cm s左右 的情况下 对贯入阻力的影响很小 7 孔压探头的饱和问题如用可测孔隙水压力的探头进行触探时 必须对探头进行严格饱和 这样才能准确测量出触探时所产生的超孔隙水压力及超孔隙水压力消散值 如果未饱和或饱和不彻底 则会滞缓孔隙水压力的传递速度 使部分超孔隙水压力消耗于压缩在探头中的未排尽的空气上 严重影响测试成果的准确性 49 2 5试验资料的整理与分析 二 静力触探资料的整理1 原始数据的修正 1 贯入深度的修正 3 9 50 2 5试验资料的整理与分析 2 零漂修正当零漂值在该深度测试值的10 以内时 可将此零漂值依归零检查的深度间隔 按线性内插法对测试值予以平差 当零漂值大于该深度测试值的10 时 宜在相邻两次归零检查的时间间隔内 按贯入行程所占时间段落按比例进行线性平差 51 2 5试验资料的整理与分析 3 锥尖阻力修正 3 13 3 14 3 12 3 12 52 2 5试验资料的整理与分析 4 侧壁摩擦力的修正 3 15 53 2 5试验资料的整理与分析 2 单孔各分层的试验数据统计计算 1 结合其他资料 钻孔等 分层 2 分层统计各层的试验结果 ps qc fs 摩阻比Rf qt ft 超孔压比Bq3 绘制触探曲线ps h qc fs Rf h qt ft u2 h U lgt 54 2 5试验资料的整理与分析 55 2 5试验资料的整理与分析 三 静力触探成果分析1 地基土的分类 1 利用双桥探头的qc fs Rf判别分类不同土类的qc和Rf很少全然一样 所以可以利用双桥探头的成果判别土类 例如 砂的qc值一般很大 但Rf通常小于或等于1 均质粘土qc大于6MPa的很少 但Rf往往大于2 均质土的Rf值通常是不随深度而变化的 但对成层土 当土层厚度较薄 或处于土层界面附近时 常表现不稳定 这是土层界面效应所致 受界面上 下土层的强度与变形性质所控制 56 2 5试验资料的整理与分析 3 5 57 2 5试验资料的整理与分析 图3 15利用双桥静探结果判别土类 58 2 5试验资料的整理与分析 59 2 利用孔压静力触探指标判别土类 2 5试验资料的整理与分析 图3 16利用孔压静探结果划分土类 u1位置 60 2 5试验资料的整理与分析 图3 17利用孔压静探结果划分土类 u2位置 61 2 5试验资料的整理与分析 62 2 5试验资料的整理与分析 63 2 5试验资料的整理与分析 64 2 土的原位状态与应力历史 1 土层重度通常情况下 土的重度是通过室内试验得到的 可以根据比贯入阻力ps估算一般饱和粘性土的容重 当ps 400kPa时 8 23ps0 12 3 22 当400 ps 4500kPa时 9 56ps0 095 3 23 当ps 4500kPa时 21 3 3 24 2 超固结比OCR 2 5试验资料的整理与分析 65 2 5试验资料的整理与分析 3 土中原位水平压力 4 土的灵敏度 5 砂土的相对密实度铁路工程地质原位测试规程 66 2 5试验资料的整理与分析 3 土的强度参数粘性土的不排水抗剪强度4 土的变形参数5 土的渗透系数 67 68 69 2 6试验成果的工程应用 3 11 70 2 6试验成果的工程应用 一 土类划分及分层1 土类的划分2 土层的划分静力触探试验结果分层 主要是力学分层 在很大程度上依据经验 分层时 应首先考虑各触探曲线形态的变化趋势 再结合本地区地层情况进行分层 根据工程勘察实践 如ps h曲线平缓 且ps值较小 一般为粘性土层 如曲线呈锯齿状 ps值又大者 一般为砂层 双桥静力触探试验结果分层 综合分析三个曲线的变化情况并结合地区经验 以qc为主 结合考虑Rf值 分层一般问题不大 71 2 6试验成果的工程应用 静力触探由软层进入硬层或由硬层进入软层时 曲线会出现一过渡段 即所谓的 超前 和 滞后 问题 一般过渡段代表的土层厚度仅有10 30cm 分层界线可选在曲线过渡段的中点 如果过渡段较厚 由软变硬分层界线选在过渡段中下方 由硬变软择选栽种上方 或考虑单独分层 分层的详细程度以满足工程要求为准 一般持力层附近土层应划分的细些 以下可粗些 对工程有影响的土层要单独划分出来 总的来说 分层不能过细 否则不利于连剖面 也不利于地基评价和设计人员使用 72 73 74 2 6试验成果的工程应用 二 浅基础设计方面的应用1 承载力用静力触探确定地基承载力一般依据的是经验公式 是建立在静力触探与载荷试验的对比关系上 确定的是地基承载力的基本值 需经过深 宽修正 用于一般的建筑物地基土的成因 时代及含水量等对静力触探求地基承载力的经验公式有影响 经验公式有地区性 75 表3 24地基基本承载力f0与PS qc 经验关系式 Mpa 76 经统计分析 有人提出 式中 为土类修正系数 77 2 6试验成果的工程应用 需要说明的是 在一些规范上曾经列有根据静探成果确定地基承载力的表格 在现行规范上这些表格都已经废止不用 现行规范强调利用静力触探试验等原位试验确定地基承载力需要结合各地区经验 不再在全国范围内统一使用承载力表格 如我国 工业与民用建筑工程地质勘察规范 TJ21 77 中列有根据单桥静力触探值确定一般粘性土 老粘土 砂土 粉土等的地基承载力 变形模量的表格 78 二 深基础方面的应用 竖向承载力静力触探机理和桩的作用机理类似 静力触探相当于沉桩的模拟试验 与静力触探相比 桩的表面粗糙 直径大 沉桩对桩周土的扰动大 沉降速度慢 应与桩载荷测试配合使用 互相验证 桩基承载力的影响因素很多 国内外的实践经验表明CPT成果估算桩基的承载力往往能够给出满意的结果 2 6试验成果的工程应用 79 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 2 6试验成果的工程应用 80 81 82 83 84 三 地基处理质量控制由于CPT实验数据的连续性 可靠性和可重复性的特点 实践证明CPT是检测深层密实处理效果的最好的技术之一 CPT也可用于浅层处理效果的评价 但对于表层地基土处理效果评价 CPT有其局限性 因此 实践中用得也不多 2 6试验成果的工程应用 85 建筑地基处理技术规范 JGJ79 2002 86 2 6试验成果的工程应用 四 砂性土地基的液化评价砂性土地基土液化问题是建于砂土和粉土地基上建筑物设计的一个主要问题 CPT是评价地基土液化势的理想原位测试方法 87 铁路工程地质原位测试规程 TB10018 2003 88 89