土工現(xiàn)場試驗

土工現(xiàn)場試驗主講人：陳靜高等土力學(xué)原位測試（In-SituTesting）：在巖土體原有的位置上，在保持巖土的天然結(jié)構(gòu)、天然含水量以及天然應(yīng)力狀態(tài)條件下測定巖土性質(zhì)稱為原位測試。土體原位測試：一般指的是在工程地質(zhì)勘察現(xiàn)場，在不擾動或基本不擾動土層的情況下對土層進(jìn)行測試，以獲得所測土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及劃分土層一種土工勘察技術(shù)。概念為何要進(jìn)行

原位試驗？測定地基土的力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗原位試驗缺點和優(yōu)點VS優(yōu)點缺點

不需經(jīng)過鉆探取樣，直接測定巖土力學(xué)性質(zhì)，更能真實反映巖土的天然結(jié)構(gòu)及天然應(yīng)力狀態(tài)下的特性。

原位測試所涉及的土尺寸較室內(nèi)試驗樣品要大得多，因而更能反映土的宏觀結(jié)構(gòu)如裂隙等)對土的性質(zhì)的影響，比土樣具代表性。

可重復(fù)進(jìn)行驗證，縮短試驗周期。難于控制測試中的邊界條件，如測試周圍土層的排水條件和應(yīng)力條件根據(jù)不同測試方法（包括CPT、DPT、PLT、VST、SPT等）其應(yīng)用可歸納為：土層土類劃分；求天然地基承載力；測定土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)；在樁基勘察中的應(yīng)用；評價砂土和粉土的地震液化；求解土的固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)及不排水抗剪強(qiáng)度等；檢驗壓實填土的質(zhì)量及強(qiáng)夯效果；進(jìn)行淺基礎(chǔ)的沉降計算；

原位試驗的應(yīng)用載荷試驗（PLT）

十字板剪切試驗（VST）靜力觸探試驗（CPT）

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（SPT）

其他原位測試簡介載荷試驗平板靜力載荷試驗(PLT:plateloadtest)，在保持地基土天然狀態(tài)下，在挖至設(shè)計的基礎(chǔ)埋置深度的平整坑底放置一定規(guī)格的方形或圓形承壓板在上逐級施加荷載，并觀測每級荷載下地基土的變形特性，是模擬建筑物基礎(chǔ)工作條件的一種測試方法。千斤頂荷載板1542713—桁架

試驗反力裝置

101.試坑的尺寸及要求：淺層平板載荷試驗的試坑寬度或直徑不應(yīng)小于承載板寬度或直徑的三倍。試坑底部巖土應(yīng)避免擾動，保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度，在承壓板下鋪設(shè)不超過20mm的砂墊層并找平。2.承載板的尺寸：載荷試驗宜采用圓形剛性承載板，根據(jù)土的軟硬或巖體裂隙密度選用合適的尺寸；對于淺層平板試驗，承壓板面積不應(yīng)小于0.25m2，當(dāng)在軟土和粒徑大的填土上進(jìn)行試驗時，承壓板尺寸不應(yīng)小于0.5m2.3.加載方式：慢速法（常用）、快速法、等沉降速率法試驗技術(shù)要求平板載荷試驗成果運(yùn)用確定地基土的容許承載力確定地基土變形模量估算地基土的不排水強(qiáng)度確定地基土的基床反力系數(shù)估算砂土地基實際基礎(chǔ)的沉降

試驗成果應(yīng)用確定地基土的容許承載力（1）以壓力為依據(jù)比例極限P0(臨塑荷載Pcr)：P-s曲線上第一直線段的終點對應(yīng)的荷載，可以作為砂土、超固結(jié)粘土、礫石土的承載力。（2）以相對沉降量為依據(jù)取s/b=0.02，即p0.02（3）極限荷載法PU

P-s曲線上的第二個拐點對應(yīng)的荷載確定地基土變形模量14十字板剪切試驗

十字板剪切試驗（VaneShearTest）是一種通過對插入地基土中的規(guī)定形狀和尺寸的十字板頭施加扭矩，使十字板頭在土體中等速扭轉(zhuǎn)形成圓柱狀破壞面，通過換算、評定地基土不排水抗剪強(qiáng)度的現(xiàn)場試驗。該試驗所測得的抗剪強(qiáng)度值，相當(dāng)于試驗深度處天然土層在原位壓力下固結(jié)的不排水抗剪強(qiáng)度，由于十字板剪切試驗不需要采取土樣，避免了土樣擾動及天然應(yīng)力狀態(tài)的改變，是一種有效的現(xiàn)場測試方法。

概念

VST主要用于測定飽水軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度。優(yōu)點：(1)不用取樣，特別是對難以取樣的靈敏度高的粘性土，可以在現(xiàn)場對基本上處于天然應(yīng)力狀態(tài)下的土層進(jìn)行扭剪。所求軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比其他方法都可靠。(2)野外測試設(shè)備輕便，操作容易。(3)測試速度較快，效率高，成果整理簡單。缺點：僅適用于江河湖海的沿岸地帶的軟土，適應(yīng)范圍有限，對硬塑粘性土和含有礫石雜物的土不宜采用，否則會損傷十字板頭。適用土性：被沿海軟土地區(qū)廣泛使用，適用于靈敏度St<=10、固結(jié)系數(shù)cv<=100(m2/a)的均質(zhì)飽和軟粘土。

基本原理

基本原理則式中，cu——十字板抗剪強(qiáng)度；

D——十字板頭直徑；

H——十字板頭高度。（1）普通十字板儀對于普通十字板儀，上式中的M值應(yīng)等于試驗測得的總力矩減去軸桿與土體間的摩擦力矩和儀器機(jī)械摩阻力矩，即：pf——剪損土體的總作用力；f——軸桿與土體間的摩擦力和儀器機(jī)械阻力，試驗時通過使十字板儀與軸桿脫離進(jìn)行測定；R——施力轉(zhuǎn)盤半徑。將上式代入cu表達(dá)式，得：前面的系數(shù)對于一定規(guī)格的十字板儀來說為一常量，稱為十字板常數(shù)k，即則有：（2）電測十字板儀對于電測十字板儀，由于在十字板頭和軸桿之間有貼電阻應(yīng)變片的扭力柱連接，扭力柱測定的只是作用在十字板頭上的扭力。因此，在計算土的抗剪強(qiáng)度時，不必進(jìn)行軸桿與土體間的摩擦力和儀器機(jī)械摩阻力修正。平整場地，安裝機(jī)架，并固定把板頭壓至測試深度卡住鉆桿，并調(diào)零轉(zhuǎn)動手柄，旋轉(zhuǎn)鉆桿，使板頭產(chǎn)生扭矩(每10秒使搖柄轉(zhuǎn)動一圈，每轉(zhuǎn)動一圈測記應(yīng)變讀數(shù)一次）測量扭矩直至峰值出現(xiàn)松動鉆桿完全擾動測試土體，重復(fù)2-5步驟測量擾動土的剪切強(qiáng)度

操作步驟

技術(shù)要求十字板板頭形狀宜為矩形，徑高比1：2，板厚宜為2～3m十字板頭插入孔底的深度不應(yīng)小于鉆孔或套管直徑的3～5倍。十字板插入至試驗深度后，至少應(yīng)靜止2～3min，方可開始試驗施加扭轉(zhuǎn)力矩時，扭轉(zhuǎn)剪切速率宜采用(1°～2°)／10s，并應(yīng)在測得峰值強(qiáng)度后繼續(xù)測記1min在峰值強(qiáng)度或穩(wěn)定值測試完后，順扭轉(zhuǎn)方向連續(xù)轉(zhuǎn)動6圈后，測定重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度試驗影響因素試驗影響因素扭轉(zhuǎn)速率土的各向異性排水條件圓柱面破壞假設(shè)試驗方法和設(shè)備土的擾動所謂土的各向異性是指抗剪強(qiáng)度在土體空間的變化規(guī)律。產(chǎn)生各向異性的原因在于：土的成層性和土中應(yīng)力狀態(tài)的不同。前面所講的圓柱剪切面的標(biāo)準(zhǔn)試驗計算公式，是在均勻等向的前提下推導(dǎo)出來的。土的各向異性扭轉(zhuǎn)速率對高塑性粘土(Ip＝40％～30％)，剪切速率越大抗剪強(qiáng)度越大，增長的很快；對低塑性粘土(Ip<20％)變化幅度不大目前，國內(nèi)外大多采用1°／10s的旋轉(zhuǎn)速率，此時基本屬于不排水狀態(tài)。排水條件土的擾動十字板厚度愈大、軸桿愈粗，則插入土中引起的擾動愈大。測定結(jié)果為土的不排水抗剪強(qiáng)度（φ=0時的C值），實際中已經(jīng)有部分排水，測得結(jié)果一般偏大圓柱面破壞假設(shè)十字板在土中旋轉(zhuǎn)時，板頭上下兩端面上應(yīng)力和位移不均勻，圓柱體側(cè)向剪切力和剪應(yīng)變也不均勻。剪切面上各點土的峰值強(qiáng)度不在同一轉(zhuǎn)角達(dá)到，因此峰值強(qiáng)度并不真實。試驗方法和設(shè)備諸如十字板的大小對結(jié)果的影響，以及操作上的影響其他……

成果運(yùn)用VST試驗成果運(yùn)用估算地基的容許承載力評價地基土的原位狀態(tài)用于測定地基強(qiáng)度變化用于測定軟粘性土的靈敏度預(yù)估樁周土的極限摩阻力

承載力的計算主要取決于土的不排水抗剪強(qiáng)度。如中國建筑科學(xué)研究院的經(jīng)驗：式中，fk——地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

γ——土的重度；

h——基礎(chǔ)埋置深度。十字板剪切試驗主要用途就是確定天然不排水抗剪強(qiáng)度。該法主要適用于飽和軟粘土，砂性土或粉性土要慎重使用，對含有夾層的地基應(yīng)剔除偏大的數(shù)值，之后分層取平均值。估算地基的容許承載力預(yù)估樁周土的極限摩阻力歐美國家習(xí)慣會用Cu預(yù)估粘性土特別是飽和軟粘土中單樁的極限承載力qp和極限側(cè)摩阻力fp為經(jīng)驗系數(shù)，和土類、樁的尺寸及施工方法有關(guān)。在快速堆載條件下，由于土中孔隙水壓力升高，軟弱地基的強(qiáng)度會降低。但是，經(jīng)過一定時間的排水，強(qiáng)度又會恢復(fù)，并且將隨土的固結(jié)而逐漸增長。若采用十字板剪力儀測定地基強(qiáng)度的這種變化情況，可以很方便地為控制施工加荷速率提供依據(jù)。用于測定地基強(qiáng)度變化用于測定軟粘性土的靈敏度在測定原狀土的天然強(qiáng)度之后，將十字板旋轉(zhuǎn)6閣，然后重復(fù)進(jìn)行試驗，又測得擾動土的強(qiáng)度，二者的比值即為靈敏度St，即評價地基土的原位狀態(tài)利用十字板不排水抗剪強(qiáng)度與深度的關(guān)系曲線，可判斷土的固結(jié)應(yīng)力歷史靜力觸探試驗

概念靜力觸探試驗（StaticConePenetrationTest）指通過一定的機(jī)械裝置，將某種規(guī)格的金屬肩探頭用靜力壓人土層中，同時用傳感器或直接量測儀表測試土層對觸探頭的貫人阻力，以此來判斷、分析、確定地基土的物理力學(xué)性質(zhì)。靜力觸探試驗適用于粘性土、粉土和砂土，主要用于劃分土層、估算地基土的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)、評定地基土的承載力、估算單樁承載力及判定砂土地基的液化等級等。由于觸探機(jī)理的復(fù)雜性，還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，目前只能建立經(jīng)驗公式，目前主要近似理論分為三大類：1.承載力理論分析——適用于臨界深度以上、無壓縮性土層的貫入情況2.孔穴擴(kuò)張理論分析——適用于壓縮性土層3.穩(wěn)定貫入流體理論分析——適用于飽和軟粘土當(dāng)圓錐頭貫入土體中，土體既有壓縮，又有剪切，既有擠密，又有剪脹，既有固結(jié)，又有塑滑。因此所測到的貫入阻力，是這些力學(xué)機(jī)理錯綜復(fù)雜地交織在一起的綜合力學(xué)反應(yīng)，CPT指標(biāo)叫“比貫入阻力”（SpecificPenetrationResistance）。任何單一的力學(xué)模型都無法描述這種過程CPT的應(yīng)用是實驗土力學(xué)（ExperimentalSoilMechanics）的課題，而不是理論土力學(xué)課題（王鍾琦，2008）

靜力觸探機(jī)理單橋探頭只能測定一個觸探指標(biāo)—比貫入阻力ps雙橋探頭同時測出錐尖阻力qc和側(cè)摩阻力fa電纜傳感器傳感器傳感器單橋探頭雙橋探頭技術(shù)要求試驗影響因素試驗影響因素臨界深度貫入器尺寸效應(yīng)土側(cè)壓力和自重壓力貫入速率貫入阻力隨探頭直徑增大而減小，但是影響不是很明顯貫入器尺寸效應(yīng)臨界深度探頭錐尖阻力qc不會隨著貫入深度無限增大，而是存在臨界深度時候有個限值土側(cè)壓力和自重壓力貫入速率如果貫入速率大于1cm/s以上時，讀數(shù)受貫入速率的影響很小，實際中，靜力觸探的貫入速率一般用2cm/s側(cè)壓力和自重壓力對觸探指標(biāo)也有影響成果運(yùn)用CPT試驗成果運(yùn)用劃分土層和判別土類樁基應(yīng)用評定土的變形指標(biāo)評定地基容許承載力評定土的強(qiáng)度和狀態(tài)指標(biāo)劃分土層和判別土類繪制CPT的貫入曲線（包括qc-H，fa-H，F(xiàn)-H），然后根據(jù)相近的qc、fa和F，將觸探孔分層——力學(xué)分層，并計算各參數(shù)的平均值，并定土名。單橋探頭

根據(jù)ps，ps

大的一般為砂層，ps小的一般為粘土層。雙橋探頭

在劃分土類時，以qc為主，結(jié)合fa（或F），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F，砂類土F通常小于或等于1，粘性土F常大于2。43劃分土層界線4445評定土的強(qiáng)度和狀態(tài)指標(biāo)（1）粘性土不排水抗剪強(qiáng)度線性關(guān)系（2）砂土內(nèi)摩擦角和相對密實度Dr46評定地基容許承載力用靜力觸探確定地基承載力一般依據(jù)的是經(jīng)驗公式，是建立在靜力觸探與載荷試驗的對比關(guān)系上。確定的是地基承載力的基本值，需經(jīng)過深、寬修正用于一般的建筑物地基土的成因、時代及含水量等對靜力觸探求地基承載力的經(jīng)驗公式有影響，經(jīng)驗公式有地區(qū)性。47地基基本承載力f0與PS(qc)經(jīng)驗關(guān)系式(Mpa).序號提出者經(jīng)驗關(guān)系式范圍值PS(qc)土層1武漢聯(lián)合試驗組f0=0.1043Ps+0.02690.3—6.0粘性土2交通部三航院f0=0.1Ps+0.0250.5—2.5長江三角洲土3兗州煤礦設(shè)計院f0=0.1012Ps+0.0590.35—3.0淮北粘性土4江蘇省建筑設(shè)計院f0=0.084Ps+0.050.35—5.7南京粘性土5青島城建局f0=0.074Ps+0.08241.0—0.5青島粘性土6連云港規(guī)劃建筑設(shè)計院f0=0.0807Ps+0.049濱海軟土7鐵三院f0=5.8(Ps)1/2-0.046PS單位(kPs)IP>7粘性土8鐵四院f0=0.112Ps+0.0050.085—0.9軟土48序號提出者經(jīng)驗關(guān)系式范圍值PS(qc)土層9武漢冶金勘察公司f0=0.02Ps+0.055.0長江中下游粉細(xì)砂土10鐵一、四院f0=0.044Ps+0.051.0—11.0中粗砂11同濟(jì)大學(xué)等f0=0.055Ps+0.045上海粉土12陜西綜合堪察院f0=0.0878Ps+0.024濕陷性黃土13原一機(jī)部勘測公司f0=0.098qc+0.019黃土地基14大慶油田、長春地院（1996）f0=0.089qc+0.075f0=0.108qc+0.0644f0=0.0813qc+0.069大慶粘性土、粉土、大慶粘性土大慶粉土15荷蘭，比利時f0=(0.033—0.025)qcf0=0.1qc砂土粘性土49評定土的變形指標(biāo)50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。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，互相驗證。靜力觸探法計算單樁極限承載力的基本公式如下：樁基應(yīng)用51標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗5253

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(StandardPenetrationTest，SPT)是一種在現(xiàn)場用63.5kg的穿心錘，以76cm的落距自由落下，將一定規(guī)格的帶有小型取土筒的標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中，記錄打入30cm的錘擊數(shù)（即標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N），并以此評價土的工程性質(zhì)的原位試驗。其試驗原理與動力觸探試驗十分相似。但SPT與動力觸探在貫入器上的差別，決定了SPT的基本原理的獨特性，SPT在貫入過程中，整個貫入器對端部和周圍土體將產(chǎn)生擠壓和剪切作用，SPT的貫入器是空心的，在沖擊力作用下，將有一部分土擠入貫入器，其工作狀態(tài)和邊界條件十分復(fù)雜。

概念與原理54適用土層：砂性土、粘性土，不適用于碎石類土及巖層。優(yōu)點：操作簡單、使用方便，地層適用性較廣。缺點：試驗數(shù)據(jù)離散性較大，精度較低，對于飽和軟粘土，遠(yuǎn)不及十字板剪切試驗及靜力觸探等方法精度高。

適用性與優(yōu)缺點55仔細(xì)清除孔底殘土到試驗標(biāo)高，換用標(biāo)準(zhǔn)貫入器，并量得深度尺寸；須保持孔內(nèi)水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持孔底土處于平衡狀態(tài)，不使孔底發(fā)生涌砂變松，影響N值；當(dāng)下套管時，要防止套管下過頭，否則在管內(nèi)做試驗會使N值偏大；鉆孔直徑不宜過大，以免加大錘擊時探桿的晃動；鉆孔直徑過大時，可減少N至50%，建議鉆孔直徑上限為10