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1、三 岩土的原位测试技术,1 概述,1.1 概念 指现场基本保持地基土的天然结构、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,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(土体体积大、代表性好)，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,1.2 优点（与室内试验比较）,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(logging or stratigraphic profiling methods)：主
2、要包括静力触探、动力触探、扁铲松胀仪试验及波速法等 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(specific test methods) ：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 精度超过室内试验的成果,1.3 土体原位测试的种类,根据不同的测试方法（包括CPT、DPT、PLT、PMT、FVST、SDPT），其应用可归纳为： （1） 土层土类划分 （2） 确定天然地基承载力 （3） 测定土的物理力学性质指标（C、） （4） 在桩基勘察中的应用
3、 （5） 评价砂土和粉土的地震液化 （6） 求解土的固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度等 （7） 检验压实填土的质量及强夯效果 （8） 进行浅基础的沉降计算 （9） ,1.4 土体原位测试的应用,2 静力载荷试验,2.1 定义及特点 平板静力载荷试验(PLT: plate load test)，简称载荷试验 在保持地基土天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，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,优点： 对地基土不产生扰动，结果最可靠、最具有代表性，可直接用于工程设计 是确定承载力的最主要方法 缺点： 价格昂贵、费时,现场载荷试验,千斤顶,荷载
4、板,2.2 静力载荷试验设备,加载稳压系统 承压板、加载千斤顶、稳压器、油泵、油管等组成 反力系统 有堆载式、撑壁式、锚固式等 量测系统 压力表、百分表或位移传感器,（1）载荷测试一般在方形坑中进行 （2）安装设备 （3）分级加荷 加荷原则：第一级为坑底原有重力，后每级按：中低压缩性土50kPa，高压缩性土25kPa，特软土为10kPa,2.3 静力载荷试验方法,（4）观测每级荷载下的沉降 观测时间间隔：加荷开始后，按间隔5、5、10、10、15、15min观测沉降；以后每30min进行一次 稳定的标准 连续两小时内每小时的沉降量0.1mm时，本级荷载下沉降已趋稳定，可加下一级荷载 对于软粘土
5、最好观测24h以上，对于正常固结粘土要8h，对于老粘土、砂土、砾石等要4h,（5）尽可能使最终荷载达到地基土的极限承载力，以评价承载力的安全度 结束试验的标准 当下述情况出现时即可停止实验 a) 承压板周围的土体出现裂缝或隆起，沉降的很快 b)在荷载不变的情况下，沉降速率加速发展或接近一个常数。压力沉降曲线出现明显拐点 c) 总沉降量超过承压板宽度（或直径）的1/10,（6）当需要卸载观测回弹时，每级卸荷量可为加荷量的2倍，历时1h，每隔15min观测一次。荷载完全卸除后，继续观测3h,2.4 测试数据整理,压力沉降量关系曲线 P-s曲线的特征： 段直线段 段曲线段 段直线段,（1）以压力为依
6、据 Ps 曲线上的两个特征点 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 极限承载力Pu ： P-s曲线上的第二个拐点对应的荷载,2.4.1 地基的承载力可用下述方法确定, 确定地基的容许承载力R R= Pcr R= Pu /F，安全系数F=23,（2）以相对沉降量为依据 对中、高压缩性土，地基受压破坏形式为局部剪切破坏或冲剪破坏，P-s曲线无明显拐点。这时用P-s曲线上沉降量s与承压板的宽度B之比为0.02所对应的压力为地基容许承载力 对砂土和新近沉积的粘性土则采用s/B=0.01-0.015所对应的压力,土的变形模量
7、指土在单轴受力，无侧限情况下的应力与应变之比 可由P-s曲线的直线变形段，按弹性理论公式求得，下式适用于同一层位的均匀地基,2.4.2 计算变形模量E0,2.5 测试精度影响因素,（1）承压板的尺寸 B45cm(5000cm2)时，沉降量随B的增加而降低 B45cm(5000cm2)时，沉降量随B的增加而增加 由于基础宽度一般均超过30cm，所以B不宜太小,一般来说，大的比小的好，最好与实际基础面积相同 但太大则需大的压力，有时难以达到 所以承压板的面积应适中 1000cm2A5000cm2,（2）承压板埋深 载荷测试的影响深度一般为1.5-2倍承压板宽度（或直径） 在影响深度范围内土性应保持
8、一致，否则测试成果就不能反映出土层的真实性质 如果场地土层多，且都是重要的持力层，应分层做载荷试验 如果土层较薄，达不到2倍承压板的宽度，就应采用小的承压板或螺旋板载荷试验,2.6 螺旋板载荷试验,螺旋板载荷试验 将螺旋形承压板旋入地面以下预订深度，在土层的天然应力条件下，通过传力杆向螺旋形承压板施加压力，直接测定载荷与土层沉降的关系 测定土的变形模量、不排水抗剪强度和固结系数 测定深度为1015m,2.7 水平载荷试验,地基土水平载荷试验,单桩水平载荷试验,3.1 定义 静力触探(Static Cone Penetration Test,简称CPT) 是借助机械把一定规格的圆锥形探头匀速压入
9、土中，通过测定探头的端阻q、侧壁摩阻力f来确定土体的物理力学参数，划分土层的一种土体勘测技术,3 静力触探试验,3.2 测试设备与种类,设备组成： 触探主机和反力装置 触探主机可分为液压式和机械式 反力装置可分为自重式和锚式 测量与记录显示装置 探头和探杆,触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式,触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式,触探主机为机械传动式的，反力装置为地锚式,3.3 静力触探探头,工作原理 将探头压入土中时，由于土层的阻力，使探头收到一定的压力；土层的强度越高，探头所受到的压力越大 通过探头内的阻力传感器，将土层的阻力转换为电信号，由仪表测量出来,国际标准探头的规格 锥头
10、顶角60、底面积10cm2、侧壁摩擦筒面积150cm2、透水石在锥底,3.3 测试原理,运用三个方面的原理 材料弹性变形的虎克定律、电量变化的电阻率定律和电桥原理 土的强度土的阻力传感器的应变电阻的变化电压的输出电子仪器的放大和输出,I电流 R电阻 U电压,探头是静力触探仪的关键部件,分为三种类型：单用（桥）探头、双用（桥）探头、多用（孔压）探头,Ps：比贯入阻力，qc：锥尖阻力，fs：侧壁摩阻力，uw ：孔隙水压力,单用（桥）探头 双用（桥）探头 多用（孔压）探头,（一）探头率定 率定的目的是求出测量仪表的读数与荷载之间的关系率定系数 率定的设备可分为两个主要部分1.可移动的活动架2.量力环
11、,3.4 测试步骤,探头率定的步骤: a.安装设备 b.把连着电缆线和记录仪表的探头安装上 c.旋转手轮施加压力，边记录仪表上的读数 d.画压力读数曲线，一般情况下应该是直线 e.求率定系数KK等于直线的斜率,野外测试的关键步骤: a.布孔位，平整场地 b.安装触探机，并调平机座（为使贯入压力保持垂直方向），把机座与反力装置衔接 c.将探头、测量电缆、探杆连接起来，并检查测量仪表，并调零 d.将连着探杆的探头压入地下，同时记录深度值和测量仪表的数据,注意事项,(1)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 (2)触探机的贯入速率应控制在1
12、-2cm/s，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀 (3)使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m时应记录一次读数 (4)遇下列情况时应停止贯入： a、触探主机负荷达到其额定荷载的120%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,3.5.1 初读数的处理 初读数 指探头在不受土层阻力的条件下，传感器的初始应变的读数 影响初读数的因素很多，最主要的是温度。 消除初读数影响的办法，可采用每隔一定深度将探头提升一次，在其不受力的情况下将应变仪调零一次，或测定一次初读数。后者在进行应变量计算时，按下式消除初读数的影响 =
13、1 - o 式中： 应变量， 1探头压入时的读数 o初读数,3.5 测试数据的处理,3.5.2 贯入阻力的计算,将电阻应变仪测出的应变量，换算成比贯入阻力ps（单桥探头），或锥头阻力qc 及侧壁摩擦力fs(双桥探头)，计算公式如下：,式中：a、al、a2应变仪标定的单桥探头、双桥探头的锥头传感器及摩擦传感器的标定系数，MPa 、q、f单桥探头、双桥探头的锥头及侧壁传感器的应变量，,3.5.3 摩阻比的计算,摩阻比 以百分率表示的双桥探头的各对应深度的锥头阻力和侧壁摩擦力的比值，即,（2）绘制触探参数随深度的变化曲线 包括qc-H，fs-H，FR-H,CPT 在土木工程中的应用特别广泛 （1）土
14、层划分 绘制CPT的贯入曲线（包括qc-H，fs-H，FR-H ），然后根据相近的qc、fs和FR，将触探孔分层力学分层，并计算各参数的平均值 结合钻探取样，考虑临界深度进一步分层工程地质分层，并定土名,3.6 测试成果的应用,临界深度 模型试验及实测表明，地表厚层均质土的贯入阻力自地表向下是逐渐增大的。当超过一定深度后，阻力才趋近一个常数值，这个土层表面一定深度就称为临界深度 临界深度在砂土中表现明显，在粘土中基本不存在,（2）土类划分 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fs（或Rf），并在同一层内的触探参数值基本相近为原则
15、不同的土有不同的Rf ，砂类土 Rf通常小于或等于1，粘性土Rf常大于2,CPT可以确定如 c, , Cu, Dr, Es, sat, 等土的物理力学性质指标,（3）确定土的物理力学性质指标,（4）确定浅基的承载力,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,地基基本承载力f0与PS (qc)经验关系式(Mpa),经统计分析，有人提出： 式中、为土类修正系数,静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探相当于
16、沉桩的模拟试验。 与静力触探相比，桩的表面粗糙，直径大，沉桩对桩周土的扰动大，沉降速度慢。 应与桩载荷测试配合使用，互相验证。 静力触探法计算单桩极限承载力的基本公式如下：,（5）确定单桩的承载力,a.国外法,b.国内的方法 铁路系统法单桩的容许承载力,4 标准贯入试验,4.1 定义 标准贯入试验（简称为SPT） 在现场用质量为63.5kg的穿心锤，以落距76cm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,4.2 计数方法 、将贯入器预先打入15cm，不计数； 、然后开始记录每10cm的击数，累计打入30cm； 、最后将30cm的击数累加。 一般表示为：N=5+6+5 、如果击数达到50击时，贯入深度还未达到30cm，则 可停止试验，记录50击时的实际贯入深度，然后再 换算成30cm的击数，即N=30*50/S；
