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《岩土原位测试技术实验指导书》

岩土原位测试技术

实验指导书

中南大学地学与环境工程学院勘察与基础工程研究所

2005年10月

目录

实验一动力触探实验····································3

实验二平板载荷实验····································6

实验三旁压实验········································11

实验四静力触探—十字板剪切联合实验····················19

附录··················································25

实验一动力触探实验

一、实验目的

1.熟悉动力触探仪的使用方法；

2.掌握动力触探仪的工作原理；

3.掌握动力触探实验实验成果的应用；

4.培养学生分析问题和解决问题的能力。

二、实验原理

利用一定的锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，然后根据打入土中的难以易程度来判断土的性质。

（根据能量平衡的原理进行分析）

三、实验方法

圆锥动力触探实验技术要求应符合下列规定：

　　1.采用自动落锤装置；（重型以上）

　　2.触探杆最大偏斜度不应超过2%，锤击贯入应连续进行；同时防止锤击偏心、探杆倾斜和侧向晃动，保持探杆垂直度；锤击速率每分钟宜为15～30击；

　　3.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；

　　4.对轻型动力触探当N10>100或贯入15cm锤击数超过50时,可停止实验；对重型动力触探，当连续三次N63.5>50时，可停止实验或改用超重型动力触探。

四、实验仪器设备

动力触探仪包括导向杆、穿心锤、锤垫、探杆及探头。

五、实验步骤

1.先用钻具钻至试验深度；

2.将重锤提至一定高度自由落下，记录贯入一定深度的锤击数；

3.完成某一深度的动力触探试验，上提钻具。

六、实验数据处理

1.数据处理

圆锥动力触探实验成果分析应包括下列内容：

　　1）单孔连续圆锥动力触探实验应绘制锤击数与贯入深度关系曲线；

　　2）计算单孔分层贯入指标平均值时，应剔除临界深度以内的数值、超前和滞后影响范围内的异常值；

　　3）根据各孔分层的贯入指标平均值，用厚度加权平均法计算场地分层贯入指标平均值和变异系数。

 2.动力触探实验成果应用

  根据圆锥动力触探实验指标和地区经验，可进行力学分层,评定土的均匀性和物理性质（状态、密实度）、土的强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力、查明土洞、滑动面、软硬土层界面,检测地基处理效果等。

应用实验成果时是否修正或如何修正，应根据建立统计关系时的具体情况确定。

七、实验要求及注意事项

1.实验要求

1）要求学生事先进行实验预习，熟悉实验程序、步骤及现行规范规程，认真进行实验，独立完成实验报告；

2）了解实验设备的基本性能、应用范围；

3）掌握动力触探实验的原理、测试方法及成果的应用，能正确分析实验结果和处理实验数据，并能根据实验结果对岩土的工程地质性质作出正确的判断与评价。

2.注意事项

1）严格控制探杆的倾斜度；

2）锤击贯入应连续进行，不宜间断，锤击速率一般为15～30击/min。

八、实验思考题

1.动力触探的试验方法，适用地层怎样？

2.动力触探成果可应用于哪些方面？

九、建议参考书、文献资料

1.唐贤强等编，《地基工程原位测试技术》，中国铁道出版社；

2.袁聚云等编，《土工试验与原位测试》，同济大学出版社；

3.林宗元主编，《岩土工程试验监测手册》；辽宁科学技术出版社；

4.《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002；

5.《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002；

6.《岩土工程勘察规范》GB50021-2001；

7.《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003。

实验二平板载荷实验

一、实验目的

1.熟悉平板载荷仪的使用方法；

2.掌握平板载荷仪的工作原理；

3.掌握平板载荷实验实验成果的应用；

4.培养学生分析问题和解决问题的能力。

二、实验原理

由典型的平板载荷试验得到的压力-沉降曲线可以分为三个阶段：

1.直线变形阶段：

当压力小于比例极限压力p0时，p-s呈直线关系；

2.剪切变形阶段：

当压力大于比例极限压力p0而小于极限压力pu时，p-s由直线变为曲线关系；

3.破坏阶段：

当压力大于极限压力pu时，沉降急剧增大。

三、实验方法

1.浅层平板载荷实验的试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的三倍；深层平板载荷实验的试井直径应等于承压板直径；当试井直径大于承压板直径时，紧靠承压板周围土的高度不应小于承压板直径；

　　2.试坑或试井底的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然湿度，并在承压板下铺设不超过20mm的砂垫层找平,尽快安装实验设备；

　　3.载荷实验宜采用圆形刚性承压板，根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸；土的浅层平板载荷实验承压板面积不应小于0.25㎡，对软土和粒径较大的填土不应小于0.5㎡;土的深层平板载荷实验承压板面积宜选用0.5㎡;岩石载荷实验承压板的面积不宜小于0.07㎡。

　　4.载荷实验加荷方式应采用分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法）；有地区经验时，可采用分级加荷沉降非稳定法（快速法）或等沉速率法；加荷等级宜取10～12级，并不应少于8级，荷载量测精度不应低于最大荷载的±1%。

　　5.承压板的沉降可采用百分表或电测位移计量测，其精度不应低于0.01mm；5min、5min、10min、10min、15min、15min测读一次沉降，以后间隔30min测读一次沉降，当连续两小时每小时沉降量小于等于0.1mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载；当实验对象是岩体时，间隔1min、2min、2min、5min测读一次沉降，以后每隔10min测读一次，当连续三次读数差小于等于0.01mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载；

6.当出现下列情况之一时，可终止实验：

　　1）承压板周边的土出现明显侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；

　　2）本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降；

　　3）在某级荷载下24小时沉降速率不能达到相对稳定标准；

　　4）总沉降量与承压板直径（或宽度）之比超过0.06。

四、实验仪器设备

平板载荷仪包括加荷系统，反力系统，量测系统。

五、实验步骤

1.试验设备的安装

1）下地锚；

2）挖试孔；

3）放置承压板；

4）千斤顶和测力计的安装；

5）横梁和连接件的安装；

6）沉降测量系统的安装。

2.试验步骤

1）加荷操作：

加荷等级宜取10～12级，并不应少于8级，荷载量测精度不应低于最大荷载的±1%，最大加载量不小于特征值的2倍。

2）稳压操作：

每级荷载下都必须保持稳压，可通过千斤顶不断地补压，以使荷载保持相对稳定。

3）沉降观测：

采用慢速法时，对土体，间隔5min、5min、10min、10min、15min、15min测读一次沉降，以后间隔30min测读一次沉降，当连续两小时每小时沉降量小于等于0.1mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载；当实验对象是岩体时，间隔1min、2min、2min、5min测读一次沉降，以后每隔10min测读一次，当连续三次读数差小于等于0.01mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载；直达试验终止条件。

六、实验数据处理

1.数据处理

根据载荷实验成果分析要求，应绘制荷载（p）与沉降（s）曲线，必要时绘制各级荷载下沉降（s）与时间（t）或时间对数（lgt）曲线。

　　应根据p-s曲线拐点，必要时结合s-lgt曲线特征,确定比例界限压力和极限压力。

当p-s呈缓变曲线时，可取对应于某一相对沉降值（即取s/d=0.01-0.015-0.02，d为承压板直径）的压力评定地基土承载力。

2.平板载荷实验成果应用

1）确定地基承载力

2）确定地基的变形模量

3）预估基础沉降

土的变形模量应根据p-s曲线的初始直线段，可按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算。

　　浅层平板载荷实验的变形模量E0（MPa）可按下式计算：

　　深层平板载荷实验和螺旋板载荷实验的变形模量E0（MPa），可按下式计算：

　　式中

刚性承压板的形状系数圆形承压板取0.785方形承压板取0.886

土的泊松比（碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质粘土取0.38，粘土取0.42）；

　　d－－承压板直径或边长（m）；

　　p－－p-s曲线线性段的压力（kPa）；

　　s－与p对应的沉降（mm）；

　　ω－－与实验深度和土类有关的系数，可按表10.2.5选用。

基准基床系数Kv可根据承压板边长为30cm的平板载荷实验按下式计算：

七、实验要求及注意事项

1.实验要求

1）要求学生事先进行实验预习，熟悉实验程序、步骤及现行规范规程，认真进行实验，独立完成实验报告；

2）了解实验设备的基本性能、应用范围；

3）掌握载荷实验的原理、测试方法及成果的应用，能正确分析实验结果和处理实验数据，并能根据实验结果对岩土的工程地质性质作出正确的判断与评价。

2.注意事项

1）荷重应一次加满；

2）确保沉降稳定。

八、实验思考题

1.平板载荷试验的试验方法怎样？

2.平板载荷试验的试验成果可应用于哪些方面？

九、建议参考书、文献资料

1.唐贤强等编，《地基工程原位测试技术》，中国铁道出版社；

2.袁聚云等编，《土工试验与原位测试》，同济大学出版社；

3.林宗元主编，《岩土工程试验监测手册》；辽宁科学技术出版社；

4.《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002；

5.《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002；

6.《岩土工程勘察规范》GB50021-2001；

7.《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003。

实验三旁压实验

一、实验目的

1.熟悉旁压实验仪的使用方法；

2.掌握旁压实验仪的工作原理；

3.掌握旁压实验试验成果的应用

4.培养学生分析问题和解决问题的能力。

二、实验原理

旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张问题，可分为三段：

1.初步阶段：

反映孔壁扰动土的压缩；

2.似弹性阶段：

压力与体积变化量大致成直线关系；

3.塑性阶段：

随着压力的增大，体积变化量逐渐增加，最后急剧增大，达到破坏。

通过仪器的加压装置，将气压直接加到测量变形系统中的测量管液面，使其形成水压并传至旁压器，使弹性膜受压膨胀，导致孔壁土体受压而产生变形。

变形量由测管水位下降值S测得，压力值由压力传感器（或精密压力表）测得。

然后根据所测数据，绘制P-S曲线，即为旁压曲线。

三、实验方法

　1.钻孔直径比旁压器外径大2～6mm。

孔壁土体稳定性好的土层，孔径不宜过大；

　2.减轻孔壁土体的扰动；

　3.保护孔壁土体的天然含水量；

　4.孔形圆整，孔壁垂直。

　5.在下列孔段不宜进行旁压试验：

　　1）取过原状土样或进行过标准贯入试验的孔段；

　　2）跨在不同性质土层的孔段。

　6.最小试验深度、连续试验深度的间隔，离取原状土钻孔或其他原位测试孔的间距以及试验孔的水平距离均不宜小于1m。

　7.钻孔深度应比试验深度大50cm。

当采用大直径钻具钻孔时，只能钻至试验段以上1m处，然后按旁压试验要求孔径钻孔。

　8.对于不同性质的土层，宜选用不同的钻孔工具：

对于坚硬—可塑状态的土层，可采用勺型钻；对于软塑—流塑状态的土层，可采用提土器；对于钻孔孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁钻进。

四、实验仪器设备

旁压仪由旁压器、加压稳压装置和量测装置等部件组成。

　　1.旁压器：

为三腔式圆柱型结构，外套有弹性膜，外径50mm（带金属保护套为55mm）。

三腔总长450mm：

中腔为测试腔，长250mm，体积Ve＝491cm3（带金属保护套为594cm3）；上、下腔为保护腔，各长100mm，上、下腔之间用铜导管沟通，而与中腔隔离。

三腔中轴心为导水管，用来排泄地下水，使旁压器能顺利放到测试深度。

我实验室为单腔腔式圆柱型结构，内部为中空的优质铜管，外套有弹性膜。

　　2.加压稳压装置：

压力源为高压氮气瓶，并附压力表。

加压稳压均采用调压阀。

　　3.量测装置：

由不锈钢储水筒、目测管、位移和压力传感器、显示记录仪、精密压力表、同轴导压管及阀门等组成。

用于向旁压器内注水、加载并测读孔壁土体受压后的相应变形值。

五、实验步骤

1.旁压器的注水管和导压管的快速接头应对号插入量测装置上的插座。

　　2.注水步骤应符合下列规定：

　　1）先向水箱注满蒸馏水或干净的冷开水；

　　2）把旁压器竖立于地面，打开水箱至测管和辅管管路上的所有阀门，阀1置于注水加压位置，阀2置于注水位置，阀3置于排气位置，阀4置于试验位置，并按逆时针方向拧松调压阀；

　　3）向水箱稍加压力，加快注水速度。

在此过程中需不停地拍打尼龙管和摇晃旁压器，以便排除旁压器和管路中滞留的气泡；

　　4）当测管里的水位到达或稍高于零位时，关闭注水阀（阀1、阀2），旋松调压阀，终止注水。

　　3.调零和放入旁压器。

把旁压器垂直举起，应使测试腔中点与测管零刻度相平，小心地将阀4旋至调零位置，把水位调到零位，并立即关闭阀4，然后把旁压器放好待用。

　　4.加压测试方式应符合下列规定：

　　1）打开阀1置于试验位置，（调压阀应在最松位置），按记录仪上的记录健（此时显示应全部为零），随即将阀4置于试验位置，此时，旁压器内产生静水压力，该压力即为第1级压力。

静水压力系旁压器测试腔中点至测管水面水柱产生的压力，按以下公式计算：

　　pw＝γw（H＋Z）　　　　　　　　

　　式中　　pw——静水压力（kPa）；

　　　　　　H——测管水面距孔口的高度（m）；

　　　　　　Z——旁压试验深度（m）；

　　　　　γw——水的重力密度（kN/m3），可取10kN/m3。

　　2）由下列两种加压方式中任选一种，进行加压：

.高压氮气加压：

首先接上氮气源，关闭手动加压阀，打开氮气加压阀，把氮气瓶上的减压阀按逆时针方向拧到最松位置（此时输出处于关闭状态），再打开氮气源闸，按顺时针方向拧减压阀，使高压减到比预计所需最高试验压力大100～200kPa，备用。

.手动加压：

首先接上打气筒，关闭氮气加压阀，打开手动加压阀，用打气筒向贮气罐加压，使贮气罐压力增加到比预计所需最高试验压力大100～200kPa，备用。

加压时，缓慢地按顺时针方向旋转调压阀，调至所需压力，逐级加压。

5.试验压力增量，宜取预估临塑压力pf的1/5～1/7。

6.各级压力下的观测时间，可根据土的特征等具体情况，采用1min或2min，按下列时间顺序测记测管水位下降值S：

　　1）观测时间为1min时：

15s、30s、60s；

　　2）观测时间为2min时：

30s、60s、120s。

当记录仪上的数值闪烁不停时，表明该级观测时间已到，随即关闭阀3，开始下一级的荷载试验。

　　7.终止试验，当测管水位下降值s为40cm时或水位急剧下降无法稳定时，应立即终止试验。

　　8.终止试验的方法，应根据情况，采取下列措施之一，使旁压器里的水回上来或排净，弹性膜恢复到原来状态，以便顺利地从钻孔中取出旁压器。

　　1）试验深度小于2m，且尚需继续进行试验时，把调压阀按逆时针方向拧到最松位置（压力为0），使整个管路和旁压器消压，利用弹性的约束力，迫使旁压器里的水回到测管和辅管；

　　2）试验深度大于2m，且尚需继续进行试验时，先打开水箱安全盖，再打开注水阀阀2至注水位置，利用试验终止时旁压器和管路内处于高压的条件，迫使旁压器里的水回到水箱，然后，关闭注水阀阀2，拧松调压阀，使整个管路和旁压器消压；

　　3）当需排净旁压器内的全部水时，可打开阀2置于排水位置，利用试验终止时旁压器和管路内处于高压的条件，排净旁压器里的水，然后，拧松调压阀，使整个管路和旁压器消压。

旁压器和管路消压后，为了使旁压器弹性膜恢复到原来状态，必须等待2～3min后，方可取出旁压器。

六、实验数据处理

1.先对试验记录中的各级压力及其相应的体积（或测管水位下降值）分别进行校正。

1）压力的校正，按以下公式计算：

　　p＝pm＋pw－pi　　　　　　　　　　　　

式中　　p——校正后的压力（kPa）

　　　　　　pm——压力表读数（kPa）；

　　　　　　pi——弹性膜约束力（kPa），由各级总压力（pm＋pw）所对应的体积（或测管水位下降值）查弹性膜约束力校正曲线取得。

2）体积（或测管水位下降值）的校正，按以下公式计算：

　　V＝Vm－a（pm＋pw）　　　　　　　　　　

　　式中　　V——校正后的体积（cm3）；

　　　　　　Vm——pm＋pw所对应的体积（cm3）。

　　当用测管水位下降值表示时，校正按以下公式计算：

　　S＝Sm-a（pm＋pw）　　　　　　　　　　　

　　式中　　S——校正后的测管水位下降值（cm）；

　　　　　　Sm——测管读数（cm）。

2.用校正后的压力p和校正后的体积V（或测管水位下降值S），绘制p—V（或P—S）曲线（即旁压曲线）。

曲线的作图，可按下列步骤进行：

1）先定坐标。

纵坐标为体积V（或S），以1cm代表100cm3（用S时，以1cm代表5cm水位下降值）；横坐标为压力p，其比例自行选定。

2）绘制曲线时，先连直线段，且两端廷长，与纵轴相交，其截距为Vo（或So）；再用曲线板连曲线部分，定出曲线与直线段的切点，此点为直线段的终点。

旁压曲线

3.临塑压力pf可按下列方法之一确定：

　　1）直线段的终点所对应的压力为临塑压力pf，对应的体积为Vf（或Sf）；

　　2）可按各级压力下30s到60ｓ的体积增量△V60-30（或△S60—30），或30s到120s的体积增量△V120-30（或△S120-30），同压力p的关系曲线辅助分析确定，即p—△V60-30（或p—S60—30）或p—△V120-30（或p—s120—30），其折点所对应的压力为临塑压力pf。

　　4.极限压力p1可按下列方法之一确定：

　　1）手工外推法。

凭眼力将曲线用曲线板加以延伸，延伸的曲线应与实测曲线光滑自然地连接，取V＝2VO＋Vc（或S＝2SO＋Sc）所对应的压力为极限压力p1。

　　2）倒数曲线法。

把临塑压力pf以后曲线部分各点的体积V（或S）取倒数1/V（或1/s）作p—1/V（或p—1/S）关系曲线（近似直线），在直线上取1/12VO＋2Ve（或1/12SO＋Se）所对应的压力为极限压力p1。

　　5.根据旁压曲线取得的临塑压力pf，应按以下公式确定承载力标准值fk：

　　fk＝pf-pO　　　　　　　　　　　

　　式中　　pO——静止土压力（kPa）。

　　6.静止土压力pO，可根据地区经验由下列方法之一确定：

　1）计算法，按以下公式计算静止土压力pO：

　　pO＝kOγZ＋u　　　　　　　　　

　　式中KO——试验深度处静止土压力系数，可按地区经验确定，对于正常固结和轻度超固结的土类可按：

砂土和粉土取0.5，可塑到坚硬状态的粘性土取0.6，软塑粘性土、淤泥和淤泥质取0.7；

　　　γ——试验深度以上土的重力密度，为土自然状态下的质量密度ρ与重力加速度g的乘积（＝ρ·g），地下水位以下取有效重力密度（kN/m3）；

Z——旁压试验深度（m）；

　　　　u——试验深度处土的孔隙水压力（kPa），正常情况下，它极接近地下水位算得的静水压力，即在地下水位以上u＝0，在地下水位以下时，由以下公式确定：

　　　　　　　　　u＝γw（Z-hw）

　　　　　　hw——地面距地下水位的深度（m）。

　　2）作图法，延长直线段相交于纵轴，由交点作平行于横轴的直线相交于曲线，其交点所对应的压力为静止土压力p0。

　7.当p—V（或p—S）曲线上的临塑压力pf出现后，曲线很快拐弯，出现极限破坏，其极限压力p1与临塑压力pf之比值p1/pf＜1.7时，地基承载力标准值fk取极限压力p1的一半。

　　8.根据旁压曲线直线段的斜率，按以下公式计算地基土的旁压模量Em（MPa）：

　　当体积V采用测管水位下降值S表示时：

　　式中µ——土的侧向膨胀系数（泊松比），可按地区经验确定，对于正常固结和轻度超固结的土类可按：

砂土和粉土取0.33和淤泥质土取0.41

　　　　f——临塑压力（MPa）；

　　　　Vc——旁压器中腔原始体积491cm3，带金属保护套时为594cm3；

　　　　Sc——旁压器中腔原始体积Vc用测管水位下降值表示（cm），其换算按下表采用。

七、实验要求及注意事项

1.实验要求

1.要求学生事先进行实验预习，熟悉实验程序、步骤及现行规范规程，认真进行实验，独立完成实验报告；

2.了解实验设备的基本性能、应用范围；

3.掌握旁压实验的原理、测试方法及成果的应用，能正确分析试验结果和处理试验数据，并能根据试验结果对岩土的工程地质性质作出正确的判断与评价。

2.注意事项

1.试验前，应对仪器进行两种校正：

弹性膜（包括保护套）的约束力校正和仪器综合变形校正。

具体校正项目应按下列情况确定：

　　1）新旁压仪首次使用时，两项校正均需进行；

　　2）更换新弹性膜（或保护套），需进行弹性膜约束力的校正；

　　3）弹性膜一般进行20次试验后，需复校一次约束力。

对于在Pf≤100kPa的土中进行试验时，每进行10次试验后，需复校一次。

当气温有较大变化或放置较长时间不用时，应重新校正；

　　4）接长或缩短导压管和注水管时，需进行仪器综合变形校正。

2.弹性膜约束力的校正。

方法是将旁压器竖立于地面，让弹性膜在自由膨胀情况下进行。

校正试验前，应先对弹性膜进行加压，使其达到测管水位下降值S达36mm时，再退压至零，这样胀缩5次以上，然后进行正式校正试验。

压力增量为10kPa，观测时间1分钟，操作方法和终止试验条件均按前述试验步骤进行。

测得的压力p与体积V（或S）关系曲线，即为弹性膜约束力校正曲线。

3.仪器综合变形的校正。

方法是将旁压器放进校正试验管内，在旁压器弹性膜受到径向限制的情况下进行。

压力增量为100kPa，一般加到800kPa以上终止试验。

各级压力下的观测时间与正式试验一致。

测得压力p与体积V（或S）关系曲线，其直线对p轴的斜率ΔV/Δp（或ΔS/Δp），即为仪器综合变形校正系数α。

八、实验思考题

1.旁压实验的原理、测试方法、步骤及成果的应用怎样？

2.旁压实验适用于检测什么地层？

3.旁压实验前需校正什么，怎么校正？

九、建议参考书、文献资料

1.唐贤强等编，《地基工程原位测试技术》，中国铁道出版社；

2.袁聚云等编，《土工试验与原位测试》，同济大学出版社；

3.林宗元主编，《岩土工程试验监测手册》；辽宁科学技术出版社；

4.《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002；

5.《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002；

6.《岩土