土工现场试验

土工现场试验主讲人：陈静1高等土力学原位测试（In-SituTesting）：在岩土体原有的位置上，在保持岩土的天然结构、天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质称为原位测试。土体原位测试：一般指的是在工程地质勘察现场，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一种土工勘察技术。概念2为何要进行原位试验？测定地基土的力学性质VS3不需经过钻探取样，直接测定岩土力学性质，更能真实反映岩土的天然结构及天然应力状态下的特性。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，比土样具代表性。可重复进行验证，缩短试验周期。难于控制测试中的边界条件，如测试周围土层的排水条件和应力条件4根据不同测试方法（包括CPT、DPT、PLT、VST、SPT等）其应用可归纳为：土层土类划分；求天然地基承载力；测定土的物理力学性质指标；在桩基勘察中的应用；评价砂土和粉土的地震液化；求解土的固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度等；检验压实填土的质量及强夯效果；进行浅基础的沉降计算；原位试验的应用5载荷试验（PLT）十字板剪切试验（VST）静力触探试验（CPT）标准贯入试验（SPT）其他原位测试简介6载荷试验7平板静力载荷试验(PLT:plateloadtest)，在保持地基土天然状态下，在挖至设计的基础埋置深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板在上逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性，是模拟建筑物基础工作条件的一种测试方法。8千斤顶荷载板9101542713—桁架试验反力装置101.试坑的尺寸及要求：浅层平板载荷试验的试坑宽度或直径不应小于承载板宽度或直径的三倍。试坑底部岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然湿度，在承压板下铺设不超过20mm的砂垫层并找平。2.承载板的尺寸：载荷试验宜采用圆形刚性承载板，根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸；对于浅层平板试验，承压板面积不应小于0.25m2，当在软土和粒径大的填土上进行试验时，承压板尺寸不应小于0.5m2.3.加载方式：慢速法（常用）、快速法、等沉降速率法试验技术要求11平板载荷试验成果运用确定地基土的容许承载力确定地基土变形模量估算地基土的不排水强度确定地基土的基床反力系数估算砂土地基实际基础的沉降试验成果应用12确定地基土的容许承载力（1）以压力为依据比例极限P0(临塑荷载Pcr)：P-s曲线上第一直线段的终点对应的荷载，可以作为砂土、超固结粘土、砾石土的承载力。（2）以相对沉降量为依据取s/b=0.02，即p0.02（3）极限荷载法PUP-s曲线上的第二个拐点对应的荷载00uappfpK1314确定地基土变形模量20010１1式中:-承压板直径（或边长）；　　Ｋ-ｐ-ｓ曲线的斜率；　　-土体的泊松比；　　-当承压板位于半无限体表面时的影响系数；　　-当承压板在半无限体表面以下为深度ｚ时的修正系数EIIddII14十字板剪切试验1516十字板剪切试验（VaneShearTest）是一种通过对插入地基土中的规定形状和尺寸的十字板头施加扭矩，使十字板头在土体中等速扭转形成圆柱状破坏面，通过换算、评定地基土不排水抗剪强度的现场试验。该试验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。概念17VST主要用于测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。优点：(1)不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪。所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。(2)野外测试设备轻便，操作容易。(3)测试速度较快，效率高，成果整理简单。缺点：仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十字板头。适用土性：被沿海软土地区广泛使用，适用于灵敏度St=10、固结系数cv=100(m2/a)的均质饱和软粘土。18基本原理19基本原理HD加扭力矩钻杆DHDrdr2021122uuDMcDHcDH232u1212c4326uDMcDD212u1c23DMMMDHu22cD()3MDH则式中，cu——十字板抗剪强度；D——十字板头直径；H——十字板头高度。21（1）普通十字板仪对于普通十字板仪，上式中的M值应等于试验测得的总力矩减去轴杆与土体间的摩擦力矩和仪器机械摩阻力矩，即：pf——剪损土体的总作用力；f——轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械阻力，试验时通过使十字板仪与轴杆脱离进行测定；R——施力转盘半径。将上式代入cu表达式，得：()fMpfR22前面的系数对于一定规格的十字板仪来说为一常量，称为十字板常数k，即uf22Rc(pf)DD(H)322RkDD(H)3则有：ufck(pf)23（2）电测十字板仪对于电测十字板仪，由于在十字板头和轴杆之间有贴电阻应变片的扭力柱连接，扭力柱测定的只是作用在十字板头上的扭力。因此，在计算土的抗剪强度时，不必进行轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械摩阻力修正。24平整场地，安装机架，并固定把板头压至测试深度卡住钻杆，并调零转动手柄，旋转钻杆，使板头产生扭矩(每10秒使摇柄转动一圈，每转动一圈测记应变读数一次）测量扭矩直至峰值出现松动钻杆完全扰动测试土体，重复2-5步骤测量扰动土的剪切强度操作步骤25技术要求十字板板头形状宜为矩形，径高比1：2，板厚宜为2～3m十字板头插入孔底的深度不应小于钻孔或套管直径的3～5倍。十字板插入至试验深度后，至少应静止2～3min，方可开始试验施加扭转力矩时，扭转剪切速率宜采用(1°～2°)／10s，并应在测得峰值强度后继续测记1min在峰值强度或稳定值测试完后，顺扭转方向连续转动6圈后，测定重塑土的不排水抗剪强度26试验影响因素试验影响因素扭转速率土的各向异性排水条件圆柱面破坏假设试验方法和设备土的扰动27所谓土的各向异性是指抗剪强度在土体空间的变化规律。产生各向异性的原因在于：土的成层性和土中应力状态的不同。前面所讲的圆柱剪切面的标准试验计算公式，是在均匀等向的前提下推导出来的。土的各向异性扭转速率对高塑性粘土(Ip＝40％～30％)，剪切速率越大抗剪强度越大，增长的很快；对低塑性粘土(Ip20％)变化幅度不大目前，国内外大多采用1°／10s的旋转速率，此时基本属于不排水状态。排水条件土的扰动十字板厚度愈大、轴杆愈粗，则插入土中引起的扰动愈大。测定结果为土的不排水抗剪强度（φ=0时的C值），实际中已经有部分排水，测得结果一般偏大28圆柱面破坏假设十字板在土中旋转时，板头上下两端面上应力和位移不均匀，圆柱体侧向剪切力和剪应变也不均匀。剪切面上各点土的峰值强度不在同一转角达到，因此峰值强度并不真实。试验方法和设备诸如十字板的大小对结果的影响，以及操作上的影响其他……………………29成果运用VST试验成果运用估算地基的容许承载力评价地基土的原位状态用于测定地基强度变化用于测定软粘性土的灵敏度预估桩周土的极限摩阻力30承载力的计算主要取决于土的不排水抗剪强度。如中国建筑科学研究院的经验：式中，fk——地基承载力标准值；γ——土的重度；h——基础埋置深度。ku（使用值）f2ch十字板剪切试验主要用途就是确定天然不排水抗剪强度。该法主要适用于饱和软粘土，砂性土或粉性土要慎重使用，对含有夹层的地基应剔除偏大的数值，之后分层取平均值。估算地基的容许承载力31预估桩周土的极限摩阻力欧美国家习惯会用Cu预估粘性土特别是饱和软粘土中单桩的极限承载力qp和极限侧摩阻力fp9puqChpufC为经验系数，和土类、桩的尺寸及施工方法有关。在快速堆载条件下，由于土中孔隙水压力升高，软弱地基的强度会降低。但是，经过一定时间的排水，强度又会恢复，并且将随土的固结而逐渐增长。若采用十字板剪力仪测定地基强度的这种变化情况，可以很方便地为控制施工加荷速率提供依据。用于测定地基强度变化32用于测定软粘性土的灵敏度在测定原状土的天然强度之后，将十字板旋转6阁，然后重复进行试验，又测得扰动土的强度，二者的比值即为灵敏度St，即utucSc评价地基土的原位状态利用十字板不排水抗剪强度与深度的关系曲线，可判断土的固结应力历史33静力触探试验3435概念•静力触探试验（StaticConePenetrationTest）指通过一定的机械装置，将某种规格的金属肩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。•静力触探试验适用于粘性土、粉土和砂土，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。37由于触探机理的复杂性，还没有统一的认识，目前只能建立经验公式，目前主要近似理论分为三大类：•1.承载力理论分析——适用于临界深度以上、无压缩性土层的贯入情况•2.孔穴扩张理论分析——适用于压缩性土层•3.稳定贯入流体理论分析——适用于饱和软粘土•当圆锥头贯入土体中，土体既有压缩，又有剪切，既有挤密，又有剪胀，既有固结，又有塑滑。因此所测到的贯入阻力，是这些力学机理错综复杂地交织在一起的综合力学反应，CPT指标叫“比贯入阻力”（SpecificPenetrationResistance）。任何单一的力学模型都无法描述这种过程•CPT的应用是实验土力学（ExperimentalSoilMechanics）的课题，而不是理论土力学课题（王锺琦，2008）静力触探机理38单桥探头只能测定一个触探指标—比贯入阻力psAPps双桥探头同时测出锥尖阻力qc和侧摩阻力faAQqccFPffa电缆传感器传感器传感器单桥探头双桥探头技术要求39试验影响因素试验影响因素临界深度贯入器尺寸效应土侧压力和自重压力贯入速率40贯入阻力随探头直径增大而减小，但是影响不是很明显贯入器尺寸效应临界深度探头锥尖阻力qc不会随着贯入深度无限增大，而是存在临界深度时候有个限值土侧压力和自重压力贯入速率如果贯入速率大于1cm/s以上时，读数受贯入速率的影响很小，实际中，静力触探的贯入速率一般用2cm/s侧压力和自重压力对触探指标也有影响41成果运用CPT试验成果运用划分土层和判别土类桩基应用评定土的变形指标评定地基容许承载力评定土的强度和状态指标4243划分土层和判别土类绘制CPT的贯入曲线（包括qc-H，fa-H，F-H），然后根据相近的qc、fa和F，将触探孔分层——力学分层，并计算各参数的平均值，并定土名。单桥探头根据ps，ps大的一般为砂层，ps小的一般为粘土层。双桥探头在划分土类时，以qc为主，结合fa（或F），并在同一层内的触探参数值基本相近为原则。不同的土有不同的F，砂类土F通常小于或等于1，粘性土F常大于2。a100％cfFq4344划分土层界线44454546评定土的强度和状态指标ccucqcN（1）粘性土不排水抗剪强度线性关系（2）砂土内摩擦角和相对密实度Dr4647评定地基容许承载力•用静力触探确定地基承载力一般依据的是经验公式，是建立在静力触探与载荷试验的对比关系上。•确定的是地基承载力的基本值，需经过深、宽修正•用于一般的建筑物•地基土的成因、时代及含水量等对静力触探求地基承载力的经验公式有影响，经验公式有地区性。4748地基基本承载力f0与PS(qc)经验关系式(Mpa).序号提出者经验关系式范围值PS(qc)土层1武汉联合试验组f0=0.1043Ps+0.02690.3—6.0粘性土2交通部三航院f0=0.1Ps+0.0250.5—2.5长江三角洲土3兖州煤矿设计院f0=0.1012Ps+0.0590.35—3.0淮北粘性土4江苏省建筑设计院f0=0.084Ps+