第2章-靜力觸探試驗-王亞軍

Conepenetrationtest靜力觸探試驗王亞軍主要內容2.1概述2.2試驗設備和方法2.3基本測試原理2.4試驗成果的整理分析2.5試驗成果的應用2.1概述

靜力觸探（ConePenetrationTest，簡稱CPT）首先在荷蘭研制成功，因此靜力觸探也叫“荷蘭錐”試驗（DutchConePenetrationTest）。靜力觸探試驗是把具有一定規(guī)格的圓錐形探頭借助機械勻速壓入土中，以測定探頭阻力等參數的一種原位測試方法。靜力觸探具有測試速度快、精度高等優(yōu)點，兼具勘察與測試雙重功能，是目前應用最廣的一種土的原位測試技術。靜力觸探是應用最廣的一種原位測試技術，具有以下一些優(yōu)點：①兼有勘探與測試雙重作用；②測試數據精度高，再現性好，且測試快速、連續(xù)、效率高、功能多；③采用電子技術，便于實現測試過程自動化。2.2試驗設備和方法

2.1.1試驗設備

儀器一般由三部分構成，即：①貫入系統（加壓裝置和反力裝置）；②觸探頭，也即阻力傳感器；③量測記錄儀表。下面是幾種靜力觸探儀的示意圖靜力觸探儀示意靜力觸探儀示意靜力觸探車示意觸探主機為液壓傳動式的，反力裝置為自重式。觸探主機為液壓傳動式的，反力裝置為自重式。圖2-1靜力觸探試驗示意和得到的測試曲線一、貫入系統

貫入系統包括觸探主機與反力裝置，共同負責將探頭壓入土中；觸探主機借助探桿將裝在其底端的探頭壓入土中；反力裝置則提供主機在貫入探頭過程中所需之反力。觸探主機按其傳動方式的不同，可分為機械式和液壓式；反力裝置可分為自重式和錨式。CLD型靜力觸探-十字板剪切兩用儀觸探主機為機械傳動式的，反力裝置為地錨式。小型液壓式靜力觸探儀觸探主機為液壓式的。反力裝置為地錨式；大型的靜力觸探車觸探主機為液壓式的，反力裝置為自重式。貫入系統

二、靜力觸探探頭

靜力觸探探頭為地層阻力傳感器，是靜力觸探儀的關鍵部件。它包括摩擦筒和錐頭兩部分，有嚴格的規(guī)格與質量要求。目前，國內外使用的探頭可分為三種類型。

（1）單用（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，因而只能測量一個參數PS——比貫入阻力。這種探頭結構簡單，造價低，堅固耐用，是我國使用最多的一種探頭。（2）雙用（橋）探頭：它是一種將錐頭與摩擦筒分開，可同時測錐頭阻力qC和側壁摩擦力fS兩個參數的探頭。國內外普遍采用，用途很廣。（3）多用（孔壓）探頭：它一般是在雙用探頭基礎上再安裝一種可測觸探時產生的超孔隙水壓力裝置的探頭?？讐禾筋^最少可測三種參數，即錐頭阻力qC

、側壁摩擦力fS及孔隙水壓力u，功能多，用途廣，在國外已得到普遍應用。國際標準探頭的規(guī)格：錐頭頂角60°、底面積10cm2、側壁摩擦筒面積150cm2、透水石在錐底。22靜力觸探探頭1－錐頭；2－頂柱；3－電阻應變片；4－傳感器；5－外套筒；6－單用探頭的探頭管或雙用探頭側壁傳感器；7－單用探頭的探桿接頭或雙用探頭的摩擦筒；8－探桿接頭；L－單用探頭有效側壁長度；D－錐頭直徑；－錐角靜力觸探探頭南光地質儀器有限公司生產的探頭照片10cm2單橋探頭

三、量測記錄儀表

量測記錄儀表測量與記錄探頭所受各種阻力。我國的靜力觸探幾乎全部采用電阻應變式傳感器。因此，與其配套的記錄儀器主要有以下4種類型：①電阻應變儀；②自動記錄繪圖儀；③數字式測力儀；④數據采集儀（微機）。武漢派爾科技有限公司生產DY-87型數字顯示儀，間隔讀數，手工記錄。

四、探桿

探桿也有一定的規(guī)格和要求，應有足夠的強度，應采用高強度無縫管材，其屈服強度不宜小于600MPa。探桿與接頭的連接要有良好的互換性。每根探桿的長度一般為1m，其直徑應和探頭直徑相同；但單用探頭探桿直徑應比探頭直徑小。

探桿

五、電纜

電纜的作用是連接探頭和量測記錄儀表。由于探頭功能不同，相應電纜的蕊數也不同，最少的為配單橋探頭的四蕊電纜，多則幾十蕊，各蕊之間應互相屏蔽。電纜應有良好的防水性和絕緣性，接頭處應密封。

2.1.2試驗方法現場試驗按靜力觸探操作規(guī)程進行，見教材2.3節(jié)靜力觸探現場試驗。野外測試

野外測試的關鍵步驟：

a、布孔位，平整場地；

b、安裝觸探機，并調平機座（為使貫入壓力保持垂直方向），把機座與反力裝置銜接；

c、將探頭、測量電纜、探桿連接起來，并檢查測量儀表，并調零；

d、將連著探桿的探頭壓入地下，同時記錄深度值和測量儀表的數據。注意事項（1）觸探機就位后，應調平機座，并使用水平尺校準，使貫入壓力保持豎直方向，并使機座與反力裝置銜接、鎖定。（2）觸探機的貫入速率應控制在1-2cm/s內，一般為2cm/s；使用手搖式觸探機時，手把轉速應力求均勻。（3）使用記讀式儀器時，每貫入0.1m時應記錄一次讀數。（4）遇下列情況時應停止貫入：

a、觸探主機負荷達到其額定荷載的120%時；

b、貫入時探桿出現明顯彎曲；

c、反力裝置失效；

d、探頭負荷達到額定荷載時；

e、記錄儀器顯示異常。對于孔壓靜力觸探除上述內容外，在測試時還必須注意的事項：

（1）在地下水埋藏較深的地區(qū)使用探頭觸探時，應先使用外徑不小于孔壓探頭的單或雙橋探頭開孔至地下水位以下，而后向孔內注水與地面平，再換用孔壓探頭觸探。（2）使用孔壓探頭時，在整個貫入過程中不得提升探頭。（3）當在預定深度進行孔壓消散試驗時，應從探頭停止貫入之時起，用秒表記時。（4）當移位于第二個孔時，應對孔壓探頭的應變腔和濾水器重新進行脫氣處理。392.3

基本測試原理2.3.1承載力理論

CPT的貫入類似于樁的貫入過程，故很早就有人將兩者進行比擬，提出用深基礎極限承載力的相關理論來解釋靜力觸探的工作機理并由靜力觸探的測試結果推求深基礎的極限承載力。基本思路是假設地基為剛塑體，在極限荷載的作用下地基中出現滑裂面，不同學者假定了不同的滑裂面，由此導出探頭阻力和基礎承載力之間的關系式。但由傳統極限狀態(tài)出發(fā)的理論不能解釋穩(wěn)定貫入的許多特征，計算結果依賴于對滑裂面幾何特征的假設。40深基礎的破壞模式412.3.2孔穴擴張理論

孔穴擴張理論包括圓柱形和球形孔穴兩種類型。該理論最初用于金屬壓力加工分析，隨后引入土力學中，用柱狀孔穴擴張解釋旁壓試驗機理和沉樁，用球形孔穴擴張來估算深基礎承載力和沉樁對周圍土體的影響。球形孔穴在均布內壓p作用下的擴張情況如圖。當p逐步增加時，孔周區(qū)域將由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)。塑性區(qū)隨p值的增加而不斷擴大。設孔穴初始半徑為R0，擴張后半徑為Ru，塑性區(qū)最大半徑為Rp，相應的孔內壓力最終值為pu，在半徑Rp以外的土體仍保持彈性狀態(tài)。圓柱形孔穴在內壓力下的擴張情況與上類似，只不過一個屬于球對稱情況，另一個屬于軸對稱情況。

42up塑性區(qū)

C，puRuRprr彈性區(qū)

E，

球形孔穴附近的塑性區(qū)域2.3.3探頭測試機理不管哪種型號的探頭，其機理原理是一樣的，都是將土體的強度轉換成連續(xù)變化的電信號輸出。這一轉換過程運用了，虎克定律，電阻定律和電橋原理。電橋原理當在A、C間輸入恒電壓U時，如果R1、R2、R3、R4滿足等式：電橋電路則該電橋平衡，即當電阻發(fā)生改變時，電橋平衡就破壞。此時B、D就產生變電壓信號?；⒖硕稍趹Φ陀诒壤龢O限的情況下，固體中的應力σ與應變ε成正比，即σ＝Εε。即：電阻定律導體的電阻R跟它的長度L成正比，跟它的橫截面積S成反比，還跟導體材料的電阻率ρ有關。即：又：或綜上所述，探頭傳感器是通過如下過程將土體的強度轉換成連續(xù)變化的電壓信號。地層阻力大小輸出模擬信號電阻變化探頭內空心柱變形電壓變化2.4

試驗成果的整理分析2.4.1．單孔觸探成果的基本內容單孔觸探試驗的成果應包括以下幾項基本內容：（1）各觸探參數隨深度的分布曲線；（2）土層名稱及潮濕程度（或稠度狀態(tài)）；（3）各層土的觸探參數值和地基參數值；（4）對于孔壓觸探，如果進行了孔壓消散試驗，尚應附上孔壓隨時間而變化的過程曲線；必要時，可附錐尖阻力隨時間而改變的過程曲線。

2.4.2．原始數據的修正在貫入過程中，探頭受摩擦而發(fā)熱，探桿會傾斜和彎曲，探頭入土深度很大時探桿會有一定量的壓縮，儀器記錄深度的起始面與地面不重合，等等，這些因素會使測試結果產生偏差。因而原始數據一般應進行修正。修正的方法一般可按相關規(guī)范的規(guī)定進行。主要應注意深度修正和零漂處理。2.4.3．觸探曲線的繪制當使用自動化程度高的觸探儀器時，需要的曲線可自動繪制，只有在人工讀數記錄時才需要根據測得的數據繪制曲線。

需要繪制的觸探曲線包括ps~h或qc~h、fs~h和Rf（=f/q×100%）~h曲線。2.5

試驗成果的應用2.5.1劃分土層

劃分土層的根據在于探頭阻力的大小與土層的軟硬程度密切相關。由此進行的土層劃分也稱之為力學分層。分層時要注意兩種現象，其一是貫入過程中的臨界深度效應，另一個是探頭越過分層面前后所產生的超前與滯后效應。這些效應的根源均在于土層對于探頭的約束條件有了變化。土層劃分以后可按平均法計算各土層的觸探參數，計算時應注意剔除異常的數據。

（1）對每一個靜力觸探孔都要繪制各種貫入阻力曲線圖(qc

~h，

fs~h

，FR~h

，U~h)，然后根據相近的qc

、FR

、Bq

（孔隙水壓力系數，意義見后）等，將觸探孔分層，并計算每一分層參數的平均值。其計算公式可統一表示為：

式中：——各觸探參數每層平均值代號；

——各層觸探參數；

n——各層觸探參數統計數。（2）力學分層與工程地質分層：單純根據貫入阻力曲線(觸探阻力的大小)或參數的分層為力學分層。必須結合鉆探取樣資料或當地經驗，進一步將力學分層變?yōu)楣こ谭謱?工程地質分層)，其辦法是：

①根據貫入曲線特征和參數值大小，結合下述土類劃分的具體標準進行下一步工程地質分層。如圖

A－硬殼層；

B－非粘性土表層；

C－軟粘土；D－砂填土；

E－中密粉土，砂；

F－密實粉砂，砂或礫石；

G－密實礫石或冰磧土；

H－向冰磧土過渡；

J－粘土與砂土互層：

K－粉砂；L－冰磧粘土

土層

qc

(Ps

)~H線形特征

qc

(Ps

)~H線形淤泥和淤泥質粘性土

qc

(Ps

)值極低的平緩曲線，無突變現象

粘土及物質粘土

Ps值較高的平緩曲線，有緩慢的波形起伏，粘土層由于結核存在，有時呈現個別突變現象，

qc

正負差10%－20%

粉土曲線起伏較大（像駝背狀）其波峰和波谷呈圓形（地下水位以下起伏較?。┳兓l率不很大，

qc

正負差30%－40%

砂曲線起伏較大，類似粉土，變化頻率大，波峰和波谷帶刺

qc正負差達100%

雜填土曲線變化無規(guī)律，往往出現突變現象

基層風化層曲線起伏較大，波峰個波谷呈圓形，變化頻率較大

各土層錐頭阻力曲線特征

②在確定土層分界面時需考慮臨界深度和層面影響段。模型試驗及實測表明：地表厚層均質土的貫入阻力自地面向下是逐漸增大的。當超過一定深度后，阻值才趨于近似常數值。這個土層表面下的“一定深度”，稱為臨界深度（hcr

）。如下層土硬，阻值隨探頭貫入深度增大而繼續(xù)增大；如下層土軟，則變小。這一變化稱為滯后段。同樣下層也有一個變化段，稱為超前段，可統稱為層面影響段。土層分界面應基本位于層面影響段（滯后段和超前段曲線）的中間位置。如圖所示。需要說明的是，臨界深度在砂土中表現比較明顯，而在粘土中基本不存在。這主要是由于砂土顆粒之間無或少內聚力，其抗剪強度主要由砂土的內摩擦角決定的。592.5.2確定土類

靜力觸探的幾種測試方法均可用于劃分土類，但就其總體而言，單橋探頭測試的參數太少，精度較差，常常需要和鉆探及經驗相結合，下面僅介紹《鐵路工程地質原位測試規(guī)程》TB10041-2003中利用雙橋探頭測試結果進行劃分的方法。

該方法利用了qc和Rf兩個參數，其根據在于不同的土類不但具有差異較大的qc值，而且其摩阻比Rf對此更為敏感。例如大部分砂土Rf均小于1%，而粘土通常都大于2%，所以使用這兩個參數劃分土類有較好的效果。該法的優(yōu)點是提供了邊界方程，缺點是比較粗糙。

按雙橋觸探參數判別土類2.5.3求淺基承載力

用靜力觸探法求地基承載力的突出優(yōu)點是快速、簡便、有效。我國對使用靜力觸探法推求地基承載力已積累了相當豐富的經驗，經驗公式很多。在使用這些經驗公式時應充分注意其使用的條件和地域性，并在實踐中不斷地積累經驗。

《工業(yè)與民用建筑工程地質勘察規(guī)范》（TJ21-77）中采用的公式如下：砂土：f0=0.0197ps+0.0656（MPa）（2-2）一般粘性土：f0=0.104ps+0.0269（MPa）（2-3）老粘土：f0=0.1ps

（MPa）（2-4）上列式中的f0為地基承載力基本值，ps為單橋探頭的比貫入阻力。

鐵路部門提出的經驗公式如下：對于Q3及以前沉積的老粘土地基，單橋探頭的比貫入阻力ps在3000~6000kPa的范圍內時采用如下公式計算地基的基本承載力0：0=0.1ps

對于軟土及一般粘土、亞粘土地基的基本承載力0采用下式計算：0=5.8ps0.5-46

對于一般亞砂土及飽和砂土地基的基本承載力0采用下式計算：0=0.89ps0.63+14.4

當確認該地基在施工及竣工后均不會達到飽和時，則由上式確定的砂土地基的0可以提高25%~50%。上列各式的單位均為kPa。2.4.4估算單樁的豎向承載力

靜力觸探的機理和樁的作用機理類似，靜力觸探試驗相當于沉樁的模擬試驗。因此，在現有的各種原位測試技術中，用靜力觸探成果估算單樁承載力是最為適宜的。

《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）中根據雙橋探頭測試成果確定預制樁豎向承載力標準值的方法可供參考。該規(guī)范規(guī)定，當根據雙橋探頭靜力觸探資料確定預制樁豎向承載力標準值時，對于粘性土、粉土和砂土，如無當地經驗時可按下式計算：Quk=uli·i·fsi+·qc·Ap使用單橋探頭的方法和估算鉆孔樁的承載力的方法請見參考資料。例題：2.4.5其它方面的應用

除了在上述方面有著廣泛的應用外，靜力觸探技術還可用于推求土的物性參數（密度、密實度等）、力學參數（c，，E0，Es等），檢驗地基處理后的效果、測定滑坡的滑動面以及判斷地基的液化可能性等。關于這些方面的內容請見相關參考資料。68例

試根據圖2-1的測試曲線進行土層劃分并確定各土層的平均貫入阻力，由此給出各土層的類別。

解：圖2-1的測試曲線如圖，首先分析該測試曲線的特征。從圖2-6看，從地表到1.2m深度的觸探阻力逐漸增加；1.2m到4.0m的觸探阻力較為均勻；從4.0m到5.0m的qc急劇減小而fs略微增加；5.0m到6.8m的阻力較為均勻，且qc保持較小數值而fs略有增加；6.8m到7.1m的兩種阻力均有明顯增加；7.1m以下的阻力也較為均勻。圖2-1

從上述曲線分布特征分析，地表至1.2m深度的曲線變化應是靜力觸探深度效應的影響，所以可以認為該土層的觸探臨界深度為1.2m，又因為曲線具有較為均勻的3個分布區(qū)間，所以觸探深度范圍的地基土可以分為3層，考慮超前滯后效應和前述土層劃分原則，在圖上畫出各土層的分界線如圖中的兩條水平線所示，于是確定土層①和土層②的厚度分別為4.9m和2.0m，土層③的厚度未能探明。

劃分土層后可以進一步求出各土層的平均觸探參數值，其做法有兩種，一種是將各分層范圍內的記錄數據進行平均，另一種是直接在圖上找出各分段曲線的重心，通過該重心做豎線與橫軸相交，交點的坐標值即為所求的觸探參數。本例用作圖法求解，其結果如圖所示。根據圖2-6中各豎直線所截得的橫坐標數值，定出各土層的觸探參數為：土層①：