第八讲--原位测试

•静力触探试验•圆锥动力触探试验•标准贯入试验•波速测试•现场直接剪切试验在岩土工程勘察过程中，为了取得工程设计所需要的反映地基岩土体物理、力学、水理性质指标，以及含水层参数等定量指标。要求对上述性质进行准确的测试工作，这种测试仅靠勘探中采取岩土样品在实验室内进行实验往往是不够。实验室一般使用小尺寸试件，不能完全确切地反映天然状态下的岩土性质，特别是对难于采取原状结构样品的岩土体。因而有必要在现场进行试验，测定岩土体在原位状态下的力学性质及其他指标，以弥补实验室测试的不足。野外试验亦称现场试验、就地试验、原位测试。许多试验方法是随着对岩土体的深入研究而发展起来的。5.1概述一、野外试验的目的1、在岩土体处于天然状态下，利用原地切割的较大尺寸的试件进行各种测试取得可靠的岩土体物理、力学、水理性质指标。2、对于某些因无法采取原状样品进行室内实验的岩土体的测试。如：裂隙化岩石、液态粘性土（低液限粘土、淤泥）、砂砾。3、完成或实现室内无法测定的实验内容。如：地下洞室围岩应力、岩体裂隙的连通性、透水性、含水层的渗透性等。4、为施工（基坑开挖、地基处理）提供可靠的数据。二、野外试验的分类1、岩土力学性质的野外测定（1）土体力学性质试验:载荷试验、旁压试验、静、动触探试验、十字板剪切试验（2）岩体力学性质试验:岩体变形静力法试验、声波测试（动力法）试验、岩体抗剪试验、点荷载强度试验、回弹锤测试、便携式弱面剪试验2、岩体应力测定:测定岩体天然应力状态下及工程开挖过程中应力的变化。如：地下洞室开挖3、水文地质试验:钻孔压水试验（裂隙岩体）、抽水试验（中、强富水性含水层）、注水试验（干、松散透水层）、岩溶裂隙连通试验等。4、改善土、石性能的试验:为地基改良和加固处理提供依据。如：灌浆试验、桩基试验等。三、土体原位测试的优缺点土体原位测试一般是指在岩土工程勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层的一种土工勘测技术。它是一项自成体系的试验科学，在岩土工程勘察中占有重要位置。这是因为它与钻探、取样、室内试验的传统方法比较起来，具有下列明显优点：(1)可在拟建工程场地进行测试，毋需取样，避免了因钻探取样所带来的一系列困难和问题，如原状样扰动问题等。(2)原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构（如裂隙等)对土的性质的影响。这是因为它与钻探、取样、室内试验的传统方法比较起来，具有下列明显优点：(1)可在拟建工程场地进行测试，毋需取样，避免了因钻探取样所带来的一系列困难和问题，如原状样扰动问题等。(2)原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构（如裂隙等)对土的性质的影响。四、土体原位测试技术的种类土体原位测试方法很多，可以归纳为下列两类：(1)土层剖面测试法。它主要包括静力触探、动力触探、扁铲侧胀试验及波速测试等。土层剖面测试法具有可连续进行、快速经济的优点。(2)专门测试法。它主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。土的专门测试法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用。其精度超过室内试验的成果。静力触探试验自1917年瑞典正式使用以来，迄今已有80余年历史。静力触探试验主要适用于黏性土、粉土和中等密实度以下的砂土等土质情况由于目前尚无法提供足够大的稳固压入反力，对于含较多碎石、砾石的土和很密实的砂土一般不适合采用。总测试深度一般在80m以内。静力触探的优点是连续、快速、准确，可以在现场直接得到各土层的贯入阻力指标，从而能够了解土层在原始状态下的有关物理力学参数。5.2静力触探试验一、静力触探试验目的1.根据贯入阻力曲线的形态特征或数值变化幅度划分土层；2.评价地基土的承载力；3.估算地基土层的物理力学参数；4.选择桩基持力层、估算单桩承载力，判断沉桩的可能性；5.判定场地土层的液化势。二、静力触探试验基本原理静力触探试验的基本原理是通过一定的机械装置，用准静力将标准规格的金属探头垂直均匀地压入土层中，同时利用传感器或机械量测仪表测试土层对触探头的贯入阻力，并根据测得的阻力情况来分析判断土层的物理力学性质。二、静力触探试验设备1.探头单桥：双桥：（见书P91）特殊用—孔压：探头圆锥锥头截面积：岩土工程勘察规范：10cm2、15cm2国际通用标准：10cm2常用三、静力触探试验设备1.探头单桥：双桥：（见书P91）特殊用—孔压：探头圆锥锥头截面积：岩土工程勘察规范：10cm2、15cm2国际通用标准：10cm2常用1）单桥探头：在锥尖上部带有一定长度的侧壁摩擦筒，它只能测定一个触探指标——比贯入阻力ps，它是一个反应锥尖阻力和侧壁摩阻力的综合值：APps式中：ps—比贯入阻力；P—总贯入阻力；A—锥尖底面积。单桥探头结构示意图2）双桥探头：是将锥尖和侧壁摩擦筒分开，因而能分别测定锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs，可以分别模拟单桩的桩端阻力和桩侧摩阻力。AQqccFPffs式中：Qc、Pf—分别为锥尖总阻力和侧壁总摩擦力；A、F—分别为锥尖总面积和摩擦筒侧面积。由锥尖阻力qc和侧壁摩擦力fs还可得到摩阻比Rf如下：csfqfR双桥探头结构示意图贯入装置由两部分组成，一是给触探杆加压的压力装置；二是提供加压所需反力的反力系统。2.贯入装置压力装置液压传动式手摇链条式电动丝杆式反力系统地锚式重力式触探头在贯入土层的过程中其变形柱会随探头遇到的土阻力大小产生相应的变形，因此通过量测变形柱的变形也就可以反算土层阻力的大小。变形柱的变形一般通过贴在其上的应变片来测量，应变计通过配套的测量电路及电位地表的读数和自动记录装置来完成整个量测工作。一般而言，自动记录装置可以绘制出贯入阻力随深度的变化曲线，因而可以直观地反映出土层力学性质随深度的变化情况。3.量测装置四、静力触探试验的技术要求1.触探头应匀速垂直地压人土中，贯入速率为1.2m／min；2.人触探头的测力传感器连同仪器、电缆应进行定期标定，室内探头标定测力传感器的非线性误差、重复性误差、滞后误差、温度零漂、归零误差均应小于1％FS(满量程读数)，现场试验归零误差应小于3％，绝缘电阻不小于500MΩ；3.深度记录误差不应大于触探深度的±1％；4.当贯人深度大于30m，或穿过厚层软土层再贯人硬土层时，应采取措期防止孔斜或触探杆断裂，也可配置测斜探头量测触探孔的偏斜角，以修正土层罗线的深度。5.孔压探头在贯人前，应在室内保证探头应变腔为已排除气泡的液体所歹满，并在现场采取措施保持探头应变腔的饱和状态，直至探头进入地下水位以]的土层为止。在孔压静探试验过程中不得上提探头，以免探头处出现真空负压破坏应变腔的饱和状态影响测试结果的准确性。6.当在预定深度进行孔压消散试验时，应量测停止贯人后不同时间的孔压值，其计时间隔应由密而疏合理控制。试验过程中不得松动探杆。单桥探头：比贯入阻力（ps）—深度（h）关系曲线；双桥探头：锥尖阻力（qc）—深度（h）关系曲线；侧壁摩阻力（fs）—深度（h）关系曲线；摩阻比（Rf）—深度（h）关系曲线；孔压探头除上述曲线外，还有：初始孔压（ui）—深度（h）关系曲线；孔压（ut）—对数时间（lgt）关系曲线。五、静力触探试验的成果1.划分土层界线土层界线划分是岩土工程勘察工作的一个重要内容，特别是在桩基工程设计时，对桩尖持力层顶面标高的准确确定和桩的施工长度具有十分重要的意义。根据静力触探试验曲线结合钻探分层结果可以更加准确地确定土层分界线。具体分层方法如下：六、静力触探试验成果的应用具体分层方法如下：1）根据已有经验并参照下列标准进行，当实测ps值不超过下表所列的变动幅度时可合并为一层；2）根据静力触探深度与贯入阻力关系曲线图进行力学分层。3）对于一些很薄的交互层，或含薄层粉砂土，不应按（1）中所列表进行分层，而应以psmax/psmin≤2为分层标准，结合记录曲线和土的类别予以综合考虑。4）土层分界线的确定还必须考虑到试验时超前和滞后的影响。①上、下层贯入阻力相差不大时，取超前深度和滞后深度的中心位置，或中心偏向小阻力土层5~10cm处作为分层界线；②上、下层贯入阻力相差一倍以上时，当由软土层进入硬土层（或由硬土层进入软土层）时，取软土层最后一个（或第一个）贯入阻力小值偏向硬土层10cm处作为分层界线；③上、下层贯入阻力变化不明显时，可结合fs和Rf的变化情况确定分层界线。2.划分场地土的类别利用静力触探试验结果划分土层类别的方法主要有以下三种：1）以Rf和ps(或qc)的值共同判别土的类别；2）以ps—h曲线和qc—h曲线形态判别土的类别；3）以Rf和和qc—h曲线形态综合判别土的类别。3.评定地基土的强度参数1）估算饱和黏性土的不排水抗剪强度：KcuNqC0。，N；K其值按经验选取锥头系数原位总的上覆压力——0式中：Cu也可按地区性经验公式计算，见表7.5。2）评定土的内摩擦角（1）黏性土按下式估算：dCwvvovoucu'''/4.1lg（2）砂土按下表估算：4.评定地基土的变形参数1）估算黏性土的压缩模量EscsqEζ—经验系数，参见表7.7.2）估算黏性土的变形模量E03）估算砂土的压缩模量Es4）估算砂土的变形模量E05.评定地基土的承载力6.预估单桩承载力—《建筑桩基技术规范》1）根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力经验公式：PskisikukAplquQα—桩端阻力修正系数，取值参见表7.142）根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力经验公式：PcsiiiukAqfluQ桩侧阻力修正系数—i7.评价饱和砂土、粉土的液化势根据比贯入阻力ps的计算值psca与液化临界比贯入阻力大小，来判断土层是否液化。'spscasscasscaspppppp'''——液化——临界状态——不液化8.其他应用估算饱和黏性土的天然重度；确定砂土的相对密实度；判别黏性土的塑性状态等。5.3圆锥动力触探试验5.3圆锥动力触探试验圆锥动力触探是利用一定的落锤能量，将一定尺寸、一定形状的圆锥探头打入土中，根据打入的难易程度来评价土的物理力学性质的一种原位测试方法。圆锥动力触探以落锤冲击力提供能量，不象静力触探那样需要专门的反力设备，因此设备比较简单，操作也很方便。由于冲击力较大，所以适用范围更广，对静力触探难以贯入的碎石土层及密实砂土甚至较软的岩石也可应用。1.定性划分不同性质的土层；查明土洞、滑动面和软硬土层分界面；检验评估地基土加固改良效果。2.定量估算地基土层的物理力学参数，如确定砂土孔隙比、相对密度等以及土的变形和强度的有关参数，评定天然地基土的承载力和单桩承载力。一、圆锥动力触探试验目的圆锥动力触探试验中，一般以打入土中一定距离（贯入度）所需落锤次数（锤击数）来表示探头在土层中贯入的难易程度。同样贯入度条件下，锤击数越多，表明土层阻力越大，土的力学性质越好；反之，锤击数越少，表明土层阻力越小，土的力学性质越差。通过锤击数的大小就很容易定性地了解土的力学性质。再结合大量的对比试验，进行统计分析就可以对土体的物理力学性质作出定量化的评估。二、圆锥动力触探试验基本原理圆锥动力触探试验设备较为简单，主要由三部分组成，一是探头部分；二是穿心落锤；三是穿心锤导向的触探杆。根据设备尺寸、规格及锤击能量的不同，圆锥动力触探可分为三种类型：轻型、重型、超重型。三、圆锥动力触探试验设备轻型：锤重10kg，落距50cm，最大贯入深度4～6重型：锤重63.5kg，落距76cm，最大贯入深度12～16m（常用）超重型：锤重120kg，落距100cm，最大贯入深度20m圆锥动力触探1.应采用自动落锤装置以保持平稳下落；2.触探杆最大偏斜度不应超过2%，锤击贯入应保持连续进行。同时应防止锤击偏心、探杆倾斜和锤击晃动，保持探杆垂直度。3.每贯入1m，宜将探杆转动一圈半；当贯入深度超过10m时，每贯入20cm宜