第7章-工程地质原位测试

1第7章工程地质原位测试2内容提要主要介绍常用原位测试方法及试验数据的分析:静力载荷试验(CPT)、静力触探试验(DPT)、圆锥动力触探(DPT)、标准贯入试验(SPT)、十字板剪切试验(VST)、扁铲侧胀试验、旁压试验、波速测试、现场大型直剪试验、块体基础振动试验。3工程地质勘察中的试验有室内的土工试验和现场的原位测试。通过试验可以取得土和岩石的物理力学性质指标及地下水等性质指标，以供土木工程师设计时采用。现场原位测试就是在岩土层原来所处的位置基本保持的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下，测定岩土的工程力学性质指标。7.0原位测试技术概述4原位测试的优点：可以测定难于取得不扰动样的有关工程力学性质；可避免取样过程中应力释放的影响；影响范围大，代表性强。原位测试的缺点：各种原位测试有其适用条件；有些理论往往建立在统计经验的关系上等。5选择哪种现场原位测试试验方法应根据建筑类型、岩土条件、设计要求、地区经验和测试方法的适用性等因素综合选用。目前常用原位测试方法主要有：静力载荷试验(CPT)；静力触探试验(DPT)；标准贯入试验(SPT)；十字板剪切试验(VST)；地基土动力特性试验(波速测试)等。67.1静力载荷试验(CPT)平板载荷试验示意图静荷载试验（堆载）现场大吨位静载试验（锚桩）现场一般静力载荷试验分为平板载荷试验、螺旋板载荷试验、深层平板载荷试验等。7静力载荷试验指在拟建场地上，在挖至设计的基础深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板，将上述装置安装好后，可开始试验。（在其上逐级加荷载，测定相应荷载作用下地基土的稳定沉降量，分析研究地基土的强度与变形特性，求得地基土容许承载力与变形模量等力学数据。）8试验目的：确定地基土承载力特征值及土的变形模量。适用条件：各种地基土，各种复合地基，各种基础工程(主要是桩基础—单桩，群桩)7.1.1试验目的和适用条件9（2）反力系统a.堆载：堆载平台及其刚度设计,重量(率定)1.2倍,偏心问题b.地锚与锚桩c.联合反力方式7.1.2试验设备(试验装置)（1）加荷系统a.承压板b.加荷设备(油压千斤顶)（3）观测系统a.百分表b.基准梁(位置，刚度，数量)10117.1.3试验要求或方法将试坑挖到基础的持力层位置，用1~2cm中粗砂找平，放上承压板；施加荷载试验时，总加荷量约为设计荷载的2倍；荷载按预估极限荷载的1/8~1/10分级施加，每级荷载稳定的标准为连续2小时内，每小时的沉降增量不大于0.1mm。试验应做到破坏，破坏的标志是：承压板周围土有明显的侧向挤出，或同一级荷载下，24小时内沉降不稳，呈加速发展的趋势。达到破坏时应停止加荷。12根据实测结果绘制荷载与沉降(p~s)关系曲线，通过分析试验曲线即可确定地基承载力、地基土的变形模量、估算地基土的不排水抗剪强度、估算地地基土基床反力系数。7.1.4试验资料处理及成果应用131．地基承载力:地基单位面积上承受荷载的能力。地基承载力问题属于地基的强度和稳定问题。2．地基极限承载力Pu:地基即将丧失稳定性时的承载能力。3．容许承载力R:是指地基稳定有足够的安全度，并且变形控制在建筑物的容许范围内时的承载力。它同时兼顾地基强度、稳定性和变形要求这两个条件时的承载力。它是一个变量，是和建筑物允许变形值密切联系在一起。144．承载力基本值（fo）：按有关规范规定的一定的基础宽度和埋深条件下的地基承载能力，可按规范查表确定。（是根据室内物理、力学指标平均值，查表确定的承载力值，包括载荷试验得到的值）。5．承载力标准值（fk）：是指按有关规范规定的标准方法试验并经统计处理后的地基承载能力。包括：标贯试验、静力触探、旁压及其它原位测试得到的值。6．承载力设计值（f）或特征值：地基承载力标准值经过深宽修正后的地基承载力。0fffk151.地基变形的三个阶段发生整体剪切破坏的地基，分为三个阶段：（I）线性变形阶段：oa段接近于直线关系。此阶段地基中各点的剪应力，小于地基土的抗剪强度，地基处于稳定状态。地基仅有小量的压缩变形，主要是土颗粒互相挤紧、土体压缩的结果。16（II）弹塑性变形阶段:abc段，p-S关系线是下弯的曲线。，在地基的局部区域内，发生了剪切破坏。这样的区域称塑性变形区。随着荷载的增加，地基中塑性变形区的范围逐渐向整体剪切破坏扩展。这一阶段是地基由稳定状态向不稳定状态发展的过渡性阶段。17（III）破坏阶段:当荷载增加到某一极限值时，地基变形突然增大。说明地基中的塑性变形区，已经发展到形成与地面贯通的连续滑动面。地基土向基础的一侧或两侧挤出，地面隆起，地基整体失稳，基础也随之突然下陷。182.成果应用(1)确定地基土的承载力由载荷试验P—S曲线确定地基土承载力，可按P—S曲线的线型可分别采用拐点法、相对沉降法和极限荷载法等。①拐点法(强度控制法）取第一拐点P0(比例界限点)所对应的荷载为地基土的承载力基本值。19当P—S曲线上拐点不太明显时，用下述方法加以确定：1)在某一级荷载下，其沉降增量超过前一级荷载下沉降增量的两倍，即的点所对应的压力即为比例界限压力或临塑压力P0；2)利用lgp—lgs和p—△s/△p等辅助曲线来确定拐点。20在P—S曲线上取S／b一定比值所对应的荷载为地基土的容许承载力：若承压板面积为0.25-0.50m21)对一般粘性土、粉土等中、高压缩性土宜采用S／b=0.02对应的压力为容许承载力；2）对砂土等低压缩性土宜采用S／b=0.01～0.015对应的压力为地基土的容许承载力。②相对沉降法21a）比例界限P0与极限荷载Pu接近时，将Pu除以安全系数Fs(Fs=2～3)作为地基土的容许承载力；b）当比例界限P0与极限荷载Pu相差较远时，可按下式确定地基土承载力标准值。③极限荷载法22a)当载荷试验加荷至破坏荷载，则取破坏荷载的前一级荷载为极限荷载Pu：b)用P—S、lgp—lgs、S—lgp、p—△S/△P、P—△S／△t等曲线确定的第二拐点所对应的荷载为极限荷载Pu；④确定极限荷载的方法有：23c)当载荷试验未做到破坏荷载，则可用外插作图法确定其极限荷载。24不同埋深的载荷试验，计算地基土变形模量的方法不同（圆和方承压板）：①埋深为零时对于埋深为零的常规载荷试验，地基土的变形模量Eo可按下式计算：(2)、确定地基土的变形模量E。00200020)1(4)1(bsApEspBE25当载荷试验有一定埋深时，相当于地表有超载存在。此时，地基承载力将明显提高。在这种情况下，可先按上式计算变形模量Eo，再乘以小于1的修正系数k，即为有超载时的变形模量Eo。k可查图表得。②有一定埋深时（有超载时）'00kEE26用快速法载荷试验得到的极限荷载Pu估算饱和粘性土的不排水抗剪强度Cu(Φ0=0)可用下式计算：(3)、估算地基土的不排水抗剪强度CuNc承压系数。27(4)、确定地基土基床反力系数Ks可根据常规载荷试验P—S曲线由下式计算得到载荷试验基床系数Kv(kN／m3)：直线段的斜率。基床反力系数：弹性半空间地基上某点所受的法向压力与相应位移的比值。类似于虎克定理里的K，地基刚度。spKv28由载荷试验基床反力系数计算基准基床系数Kv1(kN／m3)由基准基床系数Kv1(kN／m3)确定地基土基床反力系数Ks。vvvvKBBKBKK2211)305.0(428.3土：砂粘性土：vffvvfsKBBKKBK211)2305.0(305.0土：砂粘性土：29静力触探试验指通过一定的机械装置，将某种规格的金属探头用静力压人土层中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的贯人阻力，以此来判断、分析、确定地基土的物理力学性质。7.2静力触探试验(DPT)30目的：主要用于划分土层、估算地基土的物理力学指标参数、评定地基土的承载力、估算单桩承载力及判定砂土地基的液化等级等。适用条件：适用于粘性土、粉土和砂土，（1）试验目的与适用条件31为静力触探仪，其由贯人装置（包括反力装置）、传动系统和量测系统三部分组成。常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头。（2）试验装置静力触探试验主要设备32(1)单桥探头：是我国特有的一种探头型式，只能测量比贯入阻力ps（p/A)一个参数，分辨率(精度)较低。(2)双桥探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可以同时测量锥头阻力qc(Qc/A)和侧壁摩阻力fs(Pf/F)两个参数的探头，分辨率较高。单桥只能测得总贯入阻力，而双桥则能同时测得侧壁阻力fs和锥尖阻力Qc。33（3）试验要求(1)率定探头，求出地层阻力和仪表读数之间的关系，以得到探头率定系数，一般在室内进行。新探头或使用一个月后的探头都应及时进行率定。(2)现场测试前应先平整场地，放平压入主机，以便使探头与地面垂直；下好地锚，以便固定压入主机。(3)将电缆线穿入探杆，接通电路，调整好仪器。(4)边贯入，边测记，贯入速率控制在1~2cm/s。34（4）试验资料处理及成果应用根据试验结果绘制比贯入阻力-深度关系曲线、锥尖阻力-深度关系曲线、侧壁摩阻力-深度关系曲线和摩阻比-深度关系曲线。由静力触探成果可划分土层界线、评定地基土的强度参数、评定土的变形参数、评定地基土的承载力、预估单桩承载力及判定饱和砂土和粉土的液化。35363738圆锥动力触探指利用锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打人土中的阻抗大小判别土层的变化，对土层进行力学分层，并确定土层的物理力学性质，对地基土作出工程地质评价。通常以打入土中一定距离所需的锤击数来表示土的阻力。7.3圆锥动力触探(DPT)39圆锥动力触探的优点:设备简单、操作方便、工效较高、适应性广，并具有连续贯入的特性。对难以取样的砂土、粉土、碎石类土等，对静力触探难以贯入的土层，动力触探是十分有效的原位测试手段。圆锥动力触探的缺点:是不能采样对土进行直接鉴别描述，试验误差稍大，再现性差。40试验目的：(a)定性评价：评定场地土层的均匀性；查明土洞、滑动面和软硬土层界面；确定软弱土层或坚硬土层的分布；检验评估地基土加固与改良的效果。(b)定量评价：确定砂土垢孔隙比、相对密实度、粉土和粘性土的状态、土的强度和变形参数、评定地基土的承载力或单桩承载力。适用条件：适用于强风化、全风化的硬质岩石、各种软质岩石及各类土。（1）试验目的与适用条件41（2）试验装置动力触探设备主要由探头和落锤两部分组成，可分为轻型、重型及超重型三类。42（3）试验技术要求(a)采用自动落锤装置；(b)触探杆最大偏斜度不应超过2%，防止锤击偏心、探杆倾斜和侧向晃动，锤击贯入应连续进行；锤击速率每分钟宜为15～30击；(c)每贯入1m，宜将探杆转动一圈半；当贯入深度超过10m，每贯入20cm宜转动探杆一次；(d)对轻型动力触探当N10100或贯入15cm锤击数超过50时,可停止试验；对重型动力触探，当连续三次N63.550时，可停止试验或改用超重型动力触探。43（4）试验资料处理及成果应用根据试验结果绘制锤击数和锤击随深度变化的关系曲线。其成果主要应用：(a)确定砂土和碎石土的密实度；4445(b)确定地基土的承载力和变形模量；46(c)检验评估地基土加固与改良的效果；(d)确定单桩承载力标准值。477.4标准贯入试验(SPT)标准贯入试验是动力触探类型之一，其利用规定重量的穿心锤，从恒定高度上自由落下，将一定规格的探头打人士中，根据打人的难易程度判别土的性质。48所不同的是其触探头不是圆锥形探头，而是标准规格的圆筒形探头(由两个半圆管合成的取土器)，称为贯入器。49（1）试验目的与适用条件目的：(a)根据标准贯入击数N，利用地区经验，对砂土的密实度和粉土、粘性土的状态、土的强度参数、变形模量、地基承载力等作出评价。(b)估算单桩极限承载力和判定沉桩可能性。(c)判定饱和粉砂、砂质粉土的地震液化可能性及液化等级。适用条件：砂土、粉土和一般粘性土，最适用N=2~50击的土层。50（2）试验装置标准贯入试验的仪器设备主要由触探头、触探杆及穿心锤三部分组成。51标准贯入试验一般结合钻孔进行，其优