第3章-岩土的原位测试技术

1/77第三章岩土的原位测试技术原位测试：指在现场基本保持地基土的天然含水量、天然应力状态的情况下测定地基土的物理-力学性质指标的试验方法。3.1概述优点：可以对难以取得不扰动土样或根本无法采取土样的土层通过现场原位测试获得岩土的参数，还能减少对土层的扰动，而且所测定的土体体积大，代表性好。缺点：成本较高，且耗时。2/77第三章岩土的原位测试技术3.2静力载荷试验3.2.1常规法静力载荷试验（浅层平板）1、基本原理：在拟建建筑场地开挖至预计基础埋置深度的整平坑底放置一定面积的方形(或圆形)承压板，在其上逐级施加荷载，测定各相应荷载作用下地基沉降量。根据试验得到的荷载一沉降关系曲线(p-s曲线)，确定地基土的承载力；汁算地基土的变形量。3/77百分表堆载承压板主梁平台千斤顶堆载平台系统的设备布置2、试验设备加荷稳压系统反力系统量测系统4/775/776/77锚桩反力梁系统的设备布置钢绞线锚桩基准梁千斤顶承压板支墩钢板工字钢锚具反力梁7/778/779/7710/773、实验要求：a、承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.50m2；岩石载荷试验承压板面积不应小于0.07m2；基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的三倍。b、保持试验土层的原状结构和天然湿度。c、加荷等级不应小于8级。11/774、沉降稳定标准：每级加荷后，按间隔5、5、10、10、15、15min读沉降，以后每隔半小时读一次沉降。当连续两个小时的沉降量小于或等于0.1mm时，则认为本级荷载下沉降已区域稳定，可加下一级荷载。12/775、极限荷载的确定：当试验中出现下列情况之一时，即可终止加载：1、承压板周围的土明显侧向挤出；2、沉降s急骤增大，荷载-沉降（p-s）曲线出现陡降段；3、某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；4、s/b0.06(b-承压板宽度或直径)满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。13/77根据地基土的应力状态，P-S曲线一般可以划分为三个阶段：I直线段：这一阶段受荷土体中任意点处的剪应力小于土的抗剪强度，土体变形主要由于土体压密引起，土粒主要是竖向变位，称之为压密阶段。14/77II段曲线段：这一阶段除土的压密外，在承压板周围的小范围土体中，剪应力已达到或超过了土的抗剪强度，土体局部发生剪切破坏，土粒兼有竖向和侧向变位，称之为局部剪切阶段。15/77Ⅲ段曲线段：极限荷载Pu以后，该阶段即使荷载不再增加，承压板仍不断下沉，同时土中形成连续的剪切破坏滑动面，发生隆起及环状或放射状裂隙，此时滑动土体中各点的剪应力达到或超过土体的抗剪强度，土体变形主要由土粒剪切引起的侧向变位，称之为整体破坏阶段。16/775、静力载荷试验资料应用（1）、确定地基土承载力特征值（fak）的方法①强度控制法；②相对沉降量控制法。（2）、确定地基土的变形模量spdIE)1(20017/773.2.2螺旋板载荷试验基本原理：将螺旋形承压板旋入地面以下预定深度，在土层的天然应力条件下，通过传力杆向螺旋杆施加压力，直接测定荷载与土层沉降的关系。试验目的：测定土的变形模量、不排水抗剪强度和固结系数等一系列重要参数。18/77实验设备承压板：螺旋形板。量测系统：压力、位移传感器、百分表加压装置：千斤顶、传力杆反力装置：地锚和钢架梁19/77试验要求应力法应变法试验成果应用1、绘制P-S曲线，确定地基承载力2、确定土的不排水变形模量Eu3、确定土的排水变形模量E04、计算不排水抗剪强度Cu5、计算一维压缩模量Esc6、计算径向固结系数Cr20/773.3静力触探试验基本原理：用准静力将一个内部装有传感器的标准规格探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的状态或密实度不同，探头所受的阻力不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力转换成电信号，借助电缆传送到记录仪表记录下来，通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系。三个原理：胡克定律、电量变化的电阻定律和电桥原理。21/77试验目的：获取土层剖面、提供浅基础承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等22/77静力触探首先在荷兰研制成功，因此静力触探也叫“荷兰锥”试验。按测量机理分：机械式静力触探和电测式静力触探按探头功能分：单桥静力触探、双桥静力触探、孔压静力触探电测式静力触探的优点：（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼具勘探与测试双重作用；（2）测试数据精度高，再现性好；（3）采用电测技术，便于实现测试工程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，减少了工作强度。23/77二、测试设备与种类设备组成：1.加压装置和反力装置•加压装置可分为液压式和机械式•反力装置可分为自重式和锚式2.测量与记录显示装置3.探头和探杆24/77触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式。25/77触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式26/77触探主机为机械传动式的，反力装置为地锚式27/7728/7729/7730/771、探头按结构可分为三种类型：单桥、双桥和孔压静力探头。3.3.3静力触探探头探头类型测试物理量单桥探头锥头阻力双桥探头锥头阻力和侧壁阻力孔压静力探头锥头阻力、侧壁阻力和孔隙水压力31/77单桥探头双桥探头孔压静力触探探头32/772、温度对传感器的影响及补偿方法。由于电阻丝（线栅）材料与传感器材料的线膨胀系数不一样，温度的变化使线栅产生附加的拉伸或压缩。从而改变了应变片中的电阻。在静探过程中，常采用在野外操作时测初读数的变化，内业资料整理时将其消除和桥路补偿的方法来处理。33/77静力触探测量仪器电阻应变测量仪自动记录仪静探微机34/773.3.5静力触探现场试验要点1、试验准备工作反力装置调平底板检查电路、仪表安装测量仪器对探头进行试压2、现场试验工作确定试验前的初读数贯入试验读数35/77注意事项触探机就位后，应调平机座，并使用水平尺校准，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。触探机的贯入速率应控制在1.2±0.3m/min，使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m时应记录一次读数。36/77遇下列情况时应停止贯入：a、触探主机负荷达到最大容许贯入能力时；b、贯入时探杆出现明显弯曲；c、反力装置失效；d、探头负荷达到额定荷载时；e、记录仪器显示异常。37/773.3.6静力触探资料整理单孔资料的整理原始记录的修正贯入阻力的计算摩阻比的计算单孔静探曲线的绘制1038/7739/772土层贯入阻力的计算(1)、单孔分层贯入阻力(2)、场地各土层贯入阻力11nisiisniihpph3贯入阻力的换算厚度加权平均法对于非饱和土或地下水位以下的硬-坚硬黏性土和强透水性砂土6.41scspqf40/773.3.7静力触探成果应用1、划分土类2、确定地基土的承载力黏性土表3-7砂土表3-8粉土5、确定黏性土的状态表3-114、确定砂土的内摩擦角表3-106、估算单桩承载力建筑桩基技术规范》JGJ94-20083、确定砂土的密实度3644.6aksfp41/77土层qc(Ps)~H线形特征qc(Ps)~H线形淤泥和淤泥质粘性土qc(Ps)值极低的平缓曲线，无突变现象粘土及物质粘土Ps值较高的平缓曲线，有缓慢的波形起伏，粘土层由于结核存在，有时呈现个别突变现象，qc正负差10%－20%粉土曲线起伏较大（像驼背状）其波峰和波谷呈圆形（地下水位以下起伏较小）变化频率不很大，qc正负差30%－40%砂曲线起伏较大，类似粉土，变化频率大，波峰和波谷带刺qc正负差达100%杂填土曲线变化无规律，往往出现突变现象基层风化层曲线起伏较大，波峰个波谷呈圆形，变化频率较大各土层锥头阻力曲线特征42/773.4野外十字板剪切试验一、定义十字板剪切试验(FVST：fieldvanesheartest)是用插入软粘土中的十字板头，以一定的速率旋转，测出土的抵抗力矩，然后换算成土的抗剪强度的一种测试方法。43/77FVST主要用于测定饱和软粘土的不排水抗剪强度。它具有下列优点：(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。其缺点是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。44/77CvCH图中所示为在板头上、下面的剪切阻力分布。图中所示为板头侧面的剪切阻力分布3.4.1十字板剪切试验的基本原理45/772212212()432223rrruuuDDDDMMMccDHcDH22()3ruMcDDH土体扭剪过程中产生的最大抵抗力矩等于圆柱体底面和侧面上土体抵抗力矩之和。46/77开口钢环式十字板剪切仪类型轴杆测力装置附件轻便式十字板剪切仪电测试十字板剪切仪组成十字板头47/773.4.2十字板剪切现场试验技术要求1、平整场地，安装机架，调平仪器，固定；2、把十字板头压至测试深度；3、卡住钻杆，并调零4、转动手柄，旋转钻杆，使板头产生扭矩，每转动一圈测记应变读数一次；5、测量扭矩直至峰值出现；6、松动钻杆；7、完全扰动测试土体，重复2-5测量扰动土的剪切强度。48/773.4.4十字板剪切试验的适用条件和影响因素适用条件：适用于饱和软黏性土层，若土层含有砂层、砾石、贝壳、树根及其他未分解有机质时不宜采用。测试深度一般在30m以内，目前陆上最大测试深度已超过50m。剪应力的分布土的各向异性十字板剪切速率影响因素十字板头规格49/773.4.5十字板剪切现场试验资料整理和应用1、资料整理：(1)、计算原状土的抗剪强度(2)、计算重塑土的抗剪强度(3)、计算土的灵敏度(4)、绘制抗剪强度与试验深度的关系曲线（图3-17）(5)、绘制抗剪强度与回转角的关系曲线（图3-18）)(gyuRRKCc)3(22HDDRK)('gCuRRKCc'uutccS50/772、资料应用：(1)、计算地基承载力对于内摩擦角等于零的饱和软黏性土，其经验公式为(2)、分析饱和软黏性土填、挖方边坡的稳定性(3)、检验地基加固改良的效果(4)、其他hcfuak2ukspcnmf3)]1(1[,51/773.5动力触探定义：利用一定的锤击能量，将一定规格的探头打入土中，根据贯入的难易程度来判定土的性质。优点：（1）设备简单，且坚固耐用；（2）操作及测试方法容易；（3）适用性广；（4）快速，经济，能连续测试土层；（5）有些动力触探，可同时取样，观察描述；（6）经验丰富，使用广泛。52/77动力触探的锤击能量，一部分用于克服土对触探的贯入阻力，称为有效能量；另一部分消耗于锤与触探杆的碰撞、探杆的弹性变形及与孔壁土的摩擦等，称为无效能量。3.5.1基本原理AeqQHdNhe/NAhQHqd)/(53/7754/77根据锤重和探头类型分类：试验设备圆锥探头触探杆穿心锤55/772、现场试验技术要求类型适用范围深度轻型一般粘性土、黏性素填土、粉土＜4m重型砂土、碎石土10-12m超重型密实的碎石、或埋深较大的碎石土≤20m56/773、资料整理(1)、实测击数的校正①轻型动力触探：不考虑杆长修正，实测击数可直接应用。②重型动力触探：侧壁摩擦影响的校正：对于砂土和松散-中密的圆砾卵石，触探深度在1～15m的范围内，一般可不考虑侧壁摩擦的影响。触探杆长度的校正：当触探杆长度大于2m时。NN5.6357/77地下水影响的校正：对于地下水位以下的中、粗、砾砂和圆砾、卵石，锤击数可按下式修正：0.11.1'5.635.63NNNFNn120③超重型动力触探触探杆长度及侧壁摩擦影响的校正：(2)、动贯入阻力的计算AeMgHMMMqd/)/('58/77(3)、绘制单孔动探击数与深度的关系曲线，并进行力学分层。图3-22、3-23。根据力学分层，剔除层面上超前和滞后影响