貫入試驗(yàn)在我國(guó)的發(fā)展

貫入試驗(yàn)在我國(guó)的發(fā)展

一、靜力觸探法的研究本文試圖在中國(guó)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)，重點(diǎn)介紹了靜力觸碰應(yīng)用，尤其是對(duì)入侵樁的估算經(jīng)驗(yàn)。早在30年代,已經(jīng)有手工操作的靜力觸探儀(圖1),它具有圓錐形的錐頭、探桿、探管(摩擦筒),類似于老式的荷蘭靜力觸探儀。這是當(dāng)時(shí)在上海的外國(guó)工程師組織“中國(guó)工程協(xié)會(huì)”的“基礎(chǔ)工程委員會(huì)”研制的。前浚浦局的工程師用這個(gè)靜力觸探儀查勘了上海復(fù)興島(當(dāng)時(shí)叫周家咀島)吹填土的稠度,但在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)期間停頓下來了,現(xiàn)在未能找到詳細(xì)的檔案資料。50年代,陳宗基教授等研制了靜力觸探車,探頭的簡(jiǎn)圖見圖2。林崇義曾用以研究蘭州黃土的性質(zhì)。建工部綜合勘察院王鐘琦教授等1964年研制的我國(guó)第一臺(tái)電測(cè)靜力觸探儀,并于1966年在武漢召開的第二屆全國(guó)土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議上提出了題為《電阻應(yīng)變式靜力觸探及其初步應(yīng)用》報(bào)告,但會(huì)議論文集因故未能編輯付印。以后,曾有英文本發(fā)表,這是一種“單橋”式電測(cè)靜力觸探儀,量測(cè)和記錄探頭貫入的總阻力,即錐尖阻力與側(cè)壁摩阻力的總和。后來,有了“雙橋”式電測(cè)靜力觸探儀,把錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力分別記錄下來。王鐘琦教授曾委托科技情報(bào)工作單位進(jìn)行檢索,由此知道國(guó)際上最早的Fugro電測(cè)靜力觸探儀的報(bào)道,見于1971年美國(guó)《工程新聞?dòng)涗洝?EngineeringNewsRecord)雜志,比我國(guó)的報(bào)告遲5年。因此,可認(rèn)為我國(guó)電測(cè)靜力觸探儀的研制處于國(guó)際上領(lǐng)先地位。但是,根據(jù)荷蘭Delft土工研究所的報(bào)告電測(cè)靜力觸探儀是1948年在荷蘭首先研制的,由于未能找到關(guān)于電測(cè)靜力觸探儀歷史及發(fā)展的報(bào)告,也因?yàn)椴煌貐^(qū)的科學(xué)工作者在不同時(shí)間獨(dú)立地制訂研究方案,得出各自的成果,是歷史上常有的事情,所以這只能作為一個(gè)問題提出來。早在50年代,南京水利實(shí)驗(yàn)處參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn),制訂了標(biāo)準(zhǔn)貫入儀(SPT)的操作規(guī)程。與此同時(shí),不同的動(dòng)力觸探法也在工程實(shí)踐中應(yīng)用了。幾種通用的標(biāo)準(zhǔn)貫入儀及動(dòng)力觸探儀的探頭規(guī)格示于圖3及表1。二、確定接頭貫入速率幾種目前通用的電測(cè)靜力觸探儀探頭的示意圖及規(guī)格列在表2中。其中,單橋探頭記錄的比貫入阻力ps值為雙橋探頭記錄的錐尖阻力(qc)和側(cè)壁摩阻力(fs)分別為式中,Af=πDL,D及L分別為錐頭直徑及摩擦筒的長(zhǎng)度。探頭的貫入速率通常在0.8—1.6m/min之間。用不同規(guī)格的探頭(表2),當(dāng)貫入速率在上述范圍內(nèi)時(shí),對(duì)于測(cè)得貫入阻力(ps,qc,fs)值不會(huì)有顯著的差別。三、[r]-psps唐賢強(qiáng)工程師等匯總了土的貫入阻力ps與不排水抗剪強(qiáng)度cu之間的相關(guān)關(guān)系,摘錄示于圖4及表3。從圖4、表3可看出,除式e外,以上列舉的4個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式都是很接近的。這些經(jīng)驗(yàn)公式僅適用于軟粘土地基。在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及地基勘探規(guī)范、規(guī)程中,通常給出從靜力觸探阻力估算地基土的容許承載力[R]、變形模量E0及壓縮模量Es數(shù)值的經(jīng)驗(yàn)公式,用于低層房屋、小橋的設(shè)計(jì)計(jì)算。其中有鐵道部的暫行規(guī)定、建筑部門的勘察規(guī)范,以及北京的規(guī)定、上海地基設(shè)計(jì)規(guī)范(1989)等。地基土的容許承載力[R](也叫“基本強(qiáng)度”),系指在保證地基土穩(wěn)定并且不發(fā)生太大(不能容許)的沉降時(shí)的基底壓力數(shù)值。[R]值可根據(jù)地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)確定;也可以從荷載板試驗(yàn),從土的物理力學(xué)性指標(biāo)值,或者從比貫入阻力ps確定。[R]-ps相關(guān)關(guān)系示于圖5、表4、圖6及圖7。唐賢強(qiáng)等建議把以上經(jīng)驗(yàn)公式分為三類:1.較高[R]值的土(即圖5的曲線a,b)相當(dāng)于Q3或更古老的硬粘土,一般為超壓密土。2.中等[R]值的土(即圖5的曲線c,d,e)相當(dāng)于Q4,一般為正常壓密土。3.較低[R]值的土(即圖5的曲線f)相當(dāng)于新近沉積的土,一般為欠壓密土。通常認(rèn)為從靜力觸探比貫入阻力Ps估算[R]值,對(duì)于軟粘土和中等堅(jiān)硬程度的粘土可以得到比較滿意的結(jié)果,而用于硬粘土不很滿意。關(guān)于從比貫入阻力ps估算砂土的容許承載力[R],提出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):1.因?yàn)槿∩巴恋摹安粩_動(dòng)”試樣比較困難,所以從ps值估算[R]值是很實(shí)用的方法。2.從ps值估算[R]值,對(duì)于中密砂比較可靠,對(duì)于松砂、密砂不夠滿意。3.在室內(nèi)試驗(yàn)槽內(nèi)建立密砂的[R]-Ps經(jīng)驗(yàn)關(guān)系時(shí),測(cè)得的ps值可能是相應(yīng)于把砂粒壓碎時(shí)的數(shù)值(因此偏高),這不符合于原位測(cè)試的條件。4.對(duì)于飽和的密實(shí)砂土與粉土,用帶孔隙水壓力計(jì)的探頭較好,否則由于密砂的“剪脹性”可能得到過高(虛假)的貫入阻力。圖8是根據(jù)北京市勘察院的規(guī)定中關(guān)于中等堅(jiān)硬程度粘土的條文繪制的。圖中探頭尺寸不同于表2列出的幾種規(guī)格,另外,圖8(d)的ps-N10經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是地區(qū)性經(jīng)驗(yàn),不應(yīng)隨便推廣應(yīng)用于其它地區(qū)。圖8的目的是為了舉例說明不同規(guī)格的探頭的參數(shù)之間是否可以找到換算關(guān)系,也為了說明觸探方法應(yīng)當(dāng)考慮逐漸標(biāo)準(zhǔn)化?？碧綀?bào)告中通常給出的地基土變形性質(zhì)參數(shù)為變形模量E0及壓縮模量Es,用于估算低層房屋淺基礎(chǔ)的沉降。變形模量E0是從荷載板試驗(yàn)的P-S曲線確定的。式中μ為土的泊松比;A,d分別為荷載板的面積及邊長(zhǎng)(或直徑);S是P-S曲線上對(duì)應(yīng)于壓力p的沉降值。壓縮模量Es是從室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)的孔隙比e與壓力p關(guān)系曲線上求得的。式中取p1=0.1MPa,或等于上覆壓力;Δp=0.1或0.2MPa。E0及Es值其實(shí)是不很確定的,與地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)有關(guān),也與人為因素有關(guān)。關(guān)于變形模量E0與壓縮模量Es的關(guān)系,可以導(dǎo)得如下的公式:式中β為小于1的系數(shù),當(dāng)μ=0.05及0.45時(shí),β分別等于0.996及0.264。但根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)得出的結(jié)果,絕大多數(shù)情況是E0>Es。圖9為武漢聯(lián)合小組提出的粘性土變形性質(zhì)參數(shù)E0,Es與比貫入阻力ps的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線。圖10為按照勘察規(guī)范TJ21-77條文繪制的(E0,Es)-ps經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。四、樁側(cè)摩阻力p值的計(jì)算過去大量使用的是鋼筋混凝土打入樁,這里主要報(bào)道用貫入阻力估算鋼筋混凝土打入樁單樁承載力的經(jīng)驗(yàn)。其它類型的樁(例如鉆孔灌注樁)的有關(guān)問題,目前已經(jīng)開展了研究工作。單樁極限承載力估算值P的一般公式式中A,U分別為樁端截面積和樁身周長(zhǎng);p為樁端阻力;fi為i層土的樁側(cè)摩阻力;li為i層土的厚度。假定樁端阻力p作用在樁端全斷面處(即平面,見圖11(a)),或作用在樁尖處(即平面,見圖11(c)),為了估算樁端阻力p值,考慮平面(或)以上厚度為d1的土層的貫入阻力(單橋探頭的ps值,或雙橋探頭的qc值),以及厚度為d2土層的貫入阻力(Ps或qc);取d1,d2范圍內(nèi)的貫入阻力平均值(),或者用其它數(shù)學(xué)方法處理,再乘以修正系數(shù),即得樁端阻力P。土層i的側(cè)摩阻力fi為li層的貫入阻力(ps或qc)的平均值乘上一個(gè)修正系數(shù)。我國(guó)已制訂了幾種用靜力觸探貫入阻力估算單樁承載力的方法,并得到了應(yīng)用。下面簡(jiǎn)單介紹三種方法。(一)身份土側(cè)摩阻力p的測(cè)定他們所用的雙橋探頭為表2中的Ⅱ-1型。把式(7)改寫如下:式中為d1=4D及d2=D范圍內(nèi)的qc平均值,d1,d2從平面算起(見圖11(c));對(duì)于不同的土,取K=2或3;fsi為i層土的側(cè)摩阻力,等于該土層的探頭局部摩阻力fs的平均值。此法系根據(jù)8根試樁資料統(tǒng)計(jì)獲得,這種方法所得的單樁承載力P與試樁承載力Pt對(duì)比數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)。唐賢強(qiáng)等報(bào)道了8根試樁的對(duì)比數(shù)據(jù),其中4根與上述重復(fù)。黃世銘報(bào)道了14根試樁的對(duì)比資料。把以上26根試樁對(duì)比資料匯總見表5。該方法簡(jiǎn)單明瞭,但參加統(tǒng)計(jì)子樣較少,地層及樁的規(guī)格單一,估算精度不高。(二)樁身體積d,dfs值該方法最先在《巖土工程學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊號(hào)(1979)上發(fā)表,后又編入第2屆歐洲觸探會(huì)議(1982)論文集;并由鐵道部基建總局等列為“暫行規(guī)定”,是全國(guó)范圍內(nèi)使用的方法之一。用的也是雙橋探頭(表2的Ⅱ-3型)。式(7)改寫成如下形式:式中qcd取樁端全斷面(即平面,見圖11(a))以上d1=4D范圍內(nèi)的錐尖阻力平均值,以及以下d2=4D范圍的錐尖阻力平均值,再取兩者的平均值;α和凡βi為綜合修正系數(shù),取決于地基土的種類、qc值及其在d1,d2范圍內(nèi)的分布,以及fs值。公式的詳細(xì)說明見周鏡等的報(bào)道。文獻(xiàn)列舉的61根試樁的P與Pt值對(duì)比的情況見表6。該方法是我國(guó)鐵路和公路工程中廣泛采用的,特點(diǎn)是能用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)出相關(guān)關(guān)系的優(yōu)化組合,但機(jī)理不夠明顯。(三)上海靜力研究團(tuán)隊(duì)提出的方法1.樁端阻力psb的計(jì)算最初提出了用單用探頭(表2的Ⅰ-2型)估算單樁承載力的方法,見唐賢強(qiáng)等的報(bào)道;后來有了改進(jìn),見童翊湘等的文章;又經(jīng)過簡(jiǎn)化,列入上海地基設(shè)計(jì)規(guī)范(1989)。將式(7)改寫如下:采用式(10)估算單樁承載力P時(shí)須注意以下幾點(diǎn):(1)系數(shù)α的變化范圍為(L≤7m)到α=1(L≥30m);對(duì)于7<L<30m時(shí),用α=5/6。(2)樁端阻力psb取決于d1及d2范圍內(nèi)的ps值,在不同條件下采用不同的方法。(3)d1和d2不是常量,而是隨樁端全斷面(即平面)的支承條件而不同的。當(dāng)平面位于軟土持力層中,而以下(1-2)D范圍內(nèi)存在著硬的下臥層時(shí),取d1=4D,d2=D;除上述情況以外的其他任何情況時(shí),取d1=8D,d2=4D。(4)不同土類的側(cè)摩阻力fi的取值不同。(軟粘土≤1.0MPa),取fi值等于該層厚度li范圍內(nèi)的比貫入阻力平均值的5%;硬粘土(≥3.0MPa),取fi=0.1MPa;中間情況,用直線插入法取值;砂土、粉土,取fi=0.02,且fi≤0.1MPa。這里僅說明了估算方法的一些要點(diǎn),細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)。用該法估算上海及華東沿海地區(qū)的136根試樁,其結(jié)果見表7,其中90%左右的樁的估算承載力值P與載荷試驗(yàn)值Pt比較的誤差在±20%范圍內(nèi)。2.采用psb的試驗(yàn)結(jié)果隨著單用探頭估算公式的提出,上海小組又提出了用雙用探頭(表2中Ⅱ-2型)估算單樁承載力的方法。將式(7)改寫為式中α為樁端阻力修正系數(shù),取α=1;的取值范圍及方法與式(10)中psb的范圍與方法大致相同;為第i層土探頭局部側(cè)摩阻力平均值;βi為側(cè)摩阻力的修正系數(shù)。用該法估算上海及華東沿海地區(qū)的118根試樁,其結(jié)果列在表8中;68%的樁的估算承載力P與載荷試驗(yàn)值Pt比較的誤差在±20%范圍內(nèi)。上海靜力觸探小組提出的兩種估算公式,其基本假定是一致的,公式易理解,但計(jì)算方法還太繁瑣,希進(jìn)一步簡(jiǎn)化。五、靜力觸探的應(yīng)用以上簡(jiǎn)單介紹了靜力觸探在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用。還有幾個(gè)問題需作說明。地基勘察中(特別是低層房屋及輕型結(jié)構(gòu)物),靜力觸探通常用于初步的地層劃分,評(píng)價(jià)土性指標(biāo)如粘性土的不排水剪強(qiáng)度cu,砂性土的內(nèi)摩擦角φ及相對(duì)密度Dr等等。用靜力觸探來評(píng)價(jià)地基土的設(shè)計(jì)參數(shù),如承載力[R]值、變形模量E0和壓縮模量Es值是很方便的,并已推廣應(yīng)用了;但很難對(duì)求得的參數(shù)可靠(可信)程度作出評(píng)價(jià),也很少知道根據(jù)這些參數(shù)([R],E0,Es),設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物在使用期間的性狀如何。相信現(xiàn)有的報(bào)道都是地區(qū)性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),不應(yīng)當(dāng)隨便推廣應(yīng)用。靜力觸探的應(yīng)用已經(jīng)列入地方規(guī)范,例如北京的規(guī)定、上海地基設(shè)計(jì)規(guī)范(1989)等。對(duì)我國(guó)許多地區(qū)不同的土,包括西北的濕陷性黃土、北方的季節(jié)性土、西南的紅土及膨脹土等都已采用了靜力觸探。鐵路靜力觸探小組及武漢水利電力學(xué)院劉祖德教授對(duì)由室內(nèi)模型試驗(yàn)探討靜力觸探機(jī)理已進(jìn)行了研究,本文不一一贅述。因?yàn)樵诳辈旃ぷ髦惺褂昧硕喾N型式的探頭(表1、表2),所以巖土工程師關(guān)注如何建立不同的貫入阻力參數(shù)(如N,ps,qc,fs等)之間的換算關(guān)系,為此,在圖8(d)中給出了N10-ps的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。但是,這樣的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的報(bào)道還很少看到,相信建立這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線并不容易。同時(shí),認(rèn)為有逐步標(biāo)準(zhǔn)化的需要。幾十年來,我國(guó)的巖土工程師一貫地重視靜力觸探,而較少注意標(biāo)準(zhǔn)貫入(SPT)和動(dòng)力觸探;這可能是我國(guó)較早地把靜力觸探應(yīng)用于評(píng)價(jià)砂土液化勢(shì)的原因之一。有一個(gè)重要的研究成果指出,靜力觸探評(píng)價(jià)“純”砂的液化勢(shì)是比較可靠的,但對(duì)于含細(xì)顆粒的砂不太滿意。海洋巖土工程領(lǐng)域內(nèi),靜力觸探理所當(dāng)然地占有了重要的地位。中科院力學(xué)所錢壽易教授說,中國(guó)目前是用美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)的標(biāo)準(zhǔn)來估算石油平臺(tái)的長(zhǎng)鋼管樁的承載力,主要是參考Toolan等的著作;但還沒有與載荷試驗(yàn)