第五章工程地质原位测试

第七章工程地质原位测试原位测试:在土层原来所在位置、基本保持土体的天然结构、天然含水状态及天然应力状态测定土的工程力学性质指标。测试方法：静力荷载试验、触探试验、剪切试验和地基土动力特性试验。原位测试与室内土工试验相比,主要优点:（1）可以测定难以取得不扰动土样的力学性质；（2）可以消除取样过程中应力释放和影响；（3）土体影响范围远比室内试样大，代表性强；（4）可大大缩短地基土层勘察周期。不足之处：•不同的测试手段都有其适用条件；•测试所得参数与土的工程力学性质之间关系建立在统计经验之上；•现场影响因素较为复杂。•第一节静力载荷试验（LoadingTest）•是在现场用一个刚性承压板逐级加荷，测定天然地基或复合地基的变形随荷载而变化，借以确定地基承载力的试验。根据承压板的设置深度及特点，可分为浅层、深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验。•其中浅层平板载荷试验适用于浅层地基，螺旋板载荷试验和深层平板载荷试验适用于深层地基或地下水位以下的土层。•一、浅层平板载荷试验•1、试验原理•是在现场用一定面积（70.7×70.7cm;50×50cm)的刚性承压板逐级加荷，测定天然埋藏条件下浅层地基变形随荷载而变化的试验。实际上是模拟建筑物地基基础在受荷条件下工程性能的一种现场模型试验。•在现场挖一试坑，在试坑底部放置一个刚性承压板，在承压板上逐级施加垂直荷载，直到预估的地基极限荷载或满足其它终止试验条件，同时量测各级荷载下地基随时间而发展的沉降量。对试验成果进行整理后计算地基土容许承载力与变形模量等力学数据。•2、试验目的：•1）确定地基土的比例界限压力、破坏压力，为评定地基上的承载力提供依据；•2）确定地基土的变形模量；•3）估算地基土的不排水抗剪强度；•4）确定地基土基床反力系数。•浅层平板载荷试验适用地表浅层地基土，包括各种填土、含碎石的土。另外，载荷试验也可以用于地基处理效果检测和测定桩的极限承载力。•3、试验的仪器设备浅层平板载荷试验的试验设备由三部分组成:加荷系统、反力系统和量测系统。载荷试验的反力可以由重物、地锚单独或地锚与重物共同提供。由地锚（或重物）和梁架组合成稳定的反力系统。载荷试验的反力系统见图加荷系统包括承压板和加荷装置，所施加的荷载通过承压板传递给地基土。承压板一般采用圆形或方形的刚性板，也有根据试验要求采用矩形承压板。对于土的浅层平板载荷试验，承压板的尺寸根据地基土的类型和试验要求有所不同。•4、量测系统位移量测系统包括基准梁和位移测量元件，基准梁的支撑柱应离承压板和地锚（如果采用地锚提供反力）一定的距离，以避免地表变形对基准梁的影响。位移测量元件可以采用百分表或位移传感器。ⅠⅡⅢPoPupS图5—1p～s曲线•5、试验结束条件•（1）承压板周围土体有明显的侧向挤出或发生裂纹；•（2）在24h内，沉降随时间趋于等速增加；•（3）荷载p增加很小，沉降s快速增加，p-s曲线出现陡降或相对沉降s/b曲线≥0.6～0.8。•6、资料分析•压力p(kPa)与沉降量s(mm)之间的关系•第Ⅰ阶段：从原点到比例界限压力po（po称临塑压力）成线性关系，故称直线变形阶段。任意点的剪应力小于土的抗剪强度，土体变形是孔隙的减少，称压密阶段．•第Ⅱ阶段：从临塑压力po到极限压力pu，是曲线关系，斜率随压力p的增加而增加，局部土体的剪应力达到或超过土的抗剪强度，称局部剪切阶段。•第Ⅲ阶段：极限压力pu以后，沉降急剧增加。土中形成连续的滑动面，土从承压板下挤出，故称破坏阶段。•三、静力载荷试验资料的应用及有关问题（一）确定地基土的承载力1、拐点法拐点所对应的压力po（即比例界限压力或临塑压力）值，作为土的承载力。对饱和软土地基，拐点不明显。用lgp～lgs曲线，p～Δs/Δp曲线，或用p～Δs/Δt曲线找第一个拐点。ⅠⅡⅢPoPupS•2、相对沉降法无拐点，用相对沉降s/b（承压板边长）或直接确定地基土的承载力。《建筑地基设计基础规范》规定:当承压板面积0.25-0.5m2）低压缩性土、砂土在p～S曲线取s/b=0.01-0.015对应荷载为承载力基本值。3、极限荷载法p～S曲线拐点对应极限荷载，除安全系数即为地基土承载力基本值。也可将s/b=0.6对应荷载作为极限荷载。•（二）确定地基土的变形模量Eo•（三）估计地基土的不排水抗剪强度Cu。•（四）估计地基土的基床反力系数。•用相似方法可确定以上指标。•第二节单桩垂直静载荷试验•确定单桩承载力的方法有载荷试验、静力法和动力法。•按桩的受荷条件，①桩的荷载试验分为竖向受压载荷试验-压桩试验；②轴向受拉载荷试验-拔桩试验；③轴向动载荷试验，④水平静荷载和水平反复荷载试验。•荷载试验目的•1、确定单桩极限承载力、容许承载力和抗拔力；•2、划分桩侧摩阻力和桩尖阻力•3、分析单桩在荷载作用下的变性及荷载传递规律。Q(KN)S(mm)Qu图5-7Q～s曲线图图5-9lgQ～s曲线Q(kN)S(mm)桩侧极限摩阻力（kN)桩尖阻力（kN)Qu直线段•试验基本要求•1、时间：砂土7d、粘土14d，灌注桩28d•2、桩端完好、斜度小于1%，桩头高出地面60cm。•3、数量大于总桩数1%，不少于2根；•4、分级加载与卸载（最大荷载1/8～1/12）•5、终止加载条件•①某级荷载作用下沉降量大于前一级5倍；②某级荷载作用下沉降量大于前一级2倍，24小时稳定；③荷载超过预估极限荷载50%，或达到桩身承载极限；④桩顶下沉100mm,桩长40米，超10米加10mm.•第三节静力触探试验•是通过一定的机械装置,将一定规格的金属探头用静力压入土层中,同时用传感器测试土层对触探头的贯入阻力，根据测得的探头贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的原位试验•DPT与传统的钻探方法相比，具有速度快、劳动强度低、清洁、经济等优点，而且可连续获得地层的强度和其它方面的信息，不受取样扰动等人为因素的影响。•这对于地基土在竖向变化比较复杂，而用其它常规勘探试验手段不可能大密度取土或测试来查明土层变化；对于在饱和砂土、砂质粉土及高灵敏性软土中的钻探取样往往不易达到技术要求，或者无法取样的情况，静力触探试验均具有它独特的优越性。•因此，在适宜于使用静力触探的地区，DPT技术普遍为人们所欢迎。•但是，DPT不能对土进行直接的观察、鉴别，而且对于含碎石、砾石的土层和很密实的砂层不适用。•一、静力触探试验的主要技术要求•1、单桥探头•比贯入阻力Ps•Ps=P/A(5-7)•式中：P-总贯入阻力（包括锥尖阻力和侧壁摩擦力）•A-锥尖底面积•2、双桥探头•锥尖阻力qc=Qc/A(5-8)•侧壁摩阻力fs=Pf/F(5-9)•式中：Qc、Pf—分别为锥尖总阻力和侧壁摩阻力•A、F—分别为锥底截面面积和摩擦筒表面积•主要成果：•比贯入阻力-深度（ps-h）关系曲线（图5-10）；•锥尖阻力-深度（qc-h）关系曲线（图5-11)；•侧壁摩阻力-深度（fs-h）关系曲线（图5-11)；•摩阻比-深度（Rf-h）关系曲线（图5-12)。•摩阻比Rf=fs/Rf×100﹪•第四节圆锥动力触探•圆锥动力触探是利用锤击动能，将一定规格的圆锥头打入土中，根据阻力大小判定土层变化，对土层进行分层，确定土层物理力学性质，对地基土作出工程地质评价。•特点：设备简单、操作方便、工效高、适应性广、并可连续贯入，对难取样的砂土、粉土、碎石土、更具优势。•缺点：对土不能直观鉴别、误差大、再现性差。•圆锥重力触探类型和规格圆锥重力触探类型轻型（DPL）重型（DPH)超重型（DPSH）探头规格直径（mm)407474截面积（cm2)12.64343锥角（0）606060落锤锤重量（kg)10±0.163.5±0.5120±1自由落距（cm）50±176±2100±2能量指数（j/cm2)39.7115.2279.1探杆直径（mm)254260触触探指标（击）贯入30cm锤击数N10贯入10cm锤击数N63.5贯入10cm锤击数N120最大贯入深度（m）4-612-1620备注能量指数nd=MHg/A;M为锤击质量（kg）、H为锤击落距（cm）、A为探头截面积（cm2）、g重力加速度•1.注意事项•①自由脱落；②垂直（5m内1%、5m外2%）③速度15-30击/分；④贯入1m转1圈半。⑤贯入15cm锤击数大于50停止试验。•2.影响因素•①杆长N=aLN*aL为杆长修正系数•②杆侧摩阻•③上覆压力•3适用范围及目的•适用范围:强风化、全风化硬质岩石、各种软质岩石及各类土。•目的：•①评价土层均匀性、查明土洞及软硬界面、及土层分布，评价地基加固效果。•②确定砂土孔隙比、相对密度、粉土粘性状态、土的强度和变形参数、评价天然地基承载力及单桩承载力。•第五节标准贯入试验（SPT）•标准贯入试验：是一种在现场用63.5kg的穿心锤，以76cm的落距自由落下，将一定规格的带有小型取土筒的标准贯入器先打入土中15cm，然后记录再打入30cm的锤击数的原位试验。•1、标准贯入特点：•SPT实际上仍属于动力触探类型之一，所不同的是，其触探头不是圆锥探头，而是标准规格的圆筒形探头（由两个半圆筒合成的取土器），称之为贯入器。利用规定的落锤能量（锤质量63.5kg，落距76cm）将贯入器打入土中，根据贯入的难易程度，可用贯入30cm的击数判定土的物理力学性质。•通过标准贯入试验，从贯入器中还可以取得土样，可对土层进行直接观察，利用扰动土样可以进行鉴别土类的有关试验。•SPT的缺点是离散性比较大，故只能粗略地评定土的工程性质。•SPT并不能直接测定地基土的物理力学性质，而是通过与其他原位测试手段或室内试验成果进行对比，建立关系式，积累地区经验，才能用于评定地基土的物理力学性质。•2、标准贯入试验技术要求和试验步骤：•①SPT试验孔采用回转钻进，并保持孔内水位略高于地下水水位；•②先钻到需要进行标准贯入试验的土层标高以上15cm处，清孔后换用标准贯入器，并量得深度尺寸。•③采用自动脱钩的自由锤击法进行标贯试验，并减少导向杆与锤之间的摩擦阻力，避免锤击时偏心和晃动，保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂直度。•④将贯入器垂直打入试验土层中，锤击速率应小于30击／min，先打入15cm不计击数，继续贯入土中30cm，记录其锤击数，此数即为标准贯入击数。•⑤提出贯入器，将器中土样取出进行鉴别描述、记录，然后换以钻具继续钻进，至下一需要进行试验的深度，再重复上述操作。一般每隔1.0～2.0m进行一次试验。•⑥在不能保持孔壁稳定的钻孔中进行试验时，应下套管以保护孔壁，但试验深度必须在套管口75cm以下；或采用泥浆护壁。•3、标贯用途：•①评定砂土的密实度和相对密度•②评定粘土的状态•③评定砂土抗剪强度指标Φ•④评定粘性土的不排水抗剪强度Cu(KPa)•⑤评定土的变形模量E0和压缩模量Es•⑥确定地基土承载力•⑦估算单桩承载力•⑧判定饱和砂土的地震液化问题•第六节十字板剪切试验•十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土层快剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法。•适用于原位测定饱水软粘土的抗剪强度。所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层，在原位压力下固结的不排水抗剪强度；由于十字板剪切试验不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变，是一种有效的现场测试方法。•十字板剪切试验根据十字板仪的不同可分为普通十字板和电测十字板；根据贯入方式的不同又可分为预钻孔十字板剪切试验和自钻式十字板剪切试验（Self-BoringVaneShearTest，简称SBVST）。从技术发展和使用方便的角度，自钻式电测十字板仪具有明显的优势。•十字板剪切试验在我国沿海软土地区被广泛使用。它可在现场基本保持原位应力条件下进行扭剪。适用于灵敏度St≤10、固结系数Cv≤100（㎡/y）的均质饱和软粘土。对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘土，十字板剪切试验会有较大的误差，使用时必须谨慎。十字板试验成果主要有：十字板不排水抗剪强度CU随深度的变化曲线。抗剪强度偏高，经过修正，（Cu)f=μ（Cu)fv(5-33)（Cu