静探技术交流材料分析.docx

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静探技术交流材料分析

揭博高速公路静力触探

技术交流材料

中铁建港航局集团岩土工程有限公司

2013年6月

概述

静力触探试验（staticconepenetrationtest，简称静探CPT），是利用静力以一恒定的贯入速率将圆锥探头通过一系列探杆压入土中，根据测得的探头贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的原位试验。

适用于：

软土、粘性土、粉土、（饱和）砂土和含少量碎石的土。

优点：

（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼有勘探与测试的双重作用；

（2）采用电测技术后，易于实现测试过程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，大大减轻了人的工作强度。

缺点：

（1）贯入机理不清，无数理模型；

（2）对碎石类土和密实砂土难以贯入，也不能直接观测土层。

在地质勘探工作中，静力触探常和钻探取样联合运用。

一、仪器设备

静力触探设备包括：

加压系统（贯入系统、探杆）和量测系统（探头、电缆、量测记录仪表）。

1.1贯入系统

包括触探主机与反力装置，触探机借助反力装置提供的反向压力把探头和探杆匀速压入土中（压入速率宜为1.2~1.5m/分）。

触探主机按传动方式不同可分为机械式和液压式。

液压式贯入力大；而机械式贯入力一般小于5t，比较轻便，便于人工搬运。

液压式一般用车装，如静力触探车贯入力一般大于10t，贯入深度大、效率高、劳动强度低，适用于交通方便的地区。

按贯入力大小可分为：

轻型（2~3t）、中型（5~10t）和重型（15~20t）。

反力装置的作用是固定触探主机，提供探头在贯入过程中所需的反力，一般是采用地锚作为反力装置。

图1　液压式静力触探机作业现场照片

图2　机械式静力触探机作业现场照片

1.2探杆

探杆用高强度钢材制成，每根1m长，直径略小于探头直径。

图3　静力触探钻杆照片

1.3探头

探头是静力触探仪测量贯入阻力的关键部件，有严格的规格与质量要求。

一般分圆锥形的端部和其后的圆柱形摩擦筒两部分，其尺寸见表1。

目前国内外使用的探头可分为三种形式：

单桥静力触探：

测定比贯入阻力（Ps）

双桥静力触探：

测定锥尖阻力（qc）和侧壁摩阻力（fs）

孔压静力触探（CPTU）：

测定锥尖阻力（qc）和探头贯入时土中的孔隙水压力（u）

表1　单桥、双桥及孔压探头的外形规格

锥头截面积A（cm2）

探头直径D（mm）

锥角θ（°）

单桥探头

双桥及孔压探头

有效侧壁长度（mm）

摩擦筒长度（mm）

摩擦筒侧面积（cm2）

10

35.7±0.18

60±1

57

133.7

150

15

43.7±0.22

60±1

70

218.5

300

20

50.4±0.25

60±1

81

189.5

300

锥头底面积越大，锥头所能承受的抗压强度越高，探头不易受损，但所需贯入压力越大；锥头底面积越小，所需贯入压力越小。

在同一测试工程中，宜使用统一规格的探头，以便比较。

图4　单桥（下）、双桥（上）探头照片

1.4电缆

电缆作用是连接探头和量测记录仪表。

一般使用四芯和八芯屏蔽电缆，具有防水性和绝缘性，直径比探杆接头内直径小。

1.5测记录仪器

测量与记录显示装置一般可分为两种，电阻应变仪和可实现自动记录的静探微机，前者间断测记、人工绘图；后者可连续测记，计算机绘图和处理数据。

目前普遍采用静探微机，其具有操作简便、处理数据效率高、精度高的特点。

图5　整套静力触探测量系统

二、现场操作

2.1准备工作

（1）静力触探头的选择与标定

.应根据土层性质和预估静力触探贯入阻力，选择大小合适的静力触探头。

一般机械式静探主机采用小型探头，液压式静探主机采用中、大型探头。

.静力触探头在使用前，必须进行标定，以取得各传感器率定系数。

静力触探头一般每三个月标定一次。

当在规定期限内发现异常情况时，应重新标定。

（2）触探杆、探头、电缆的检查

探杆应平直无损伤，丝口处应无滑丝现象。

锥尖、顶柱和摩擦筒滑动应灵活；如滑动不灵活，将其拆下擦洗上油或者换新。

电缆外表应无损坏，如有轻微损伤，可用防水胶涂上，并且用防水胶布包好。

将电缆按探杆连接顺序各节穿入，探杆根数要满足所测地层的最大深度，电缆线要比探杆总长度长5~6米。

然后将探头通过电缆与测量仪表联接好。

（3）平整场地和安装静力触探机

.孔位应避开地下电缆、管线及其它地下设备。

.当拟定孔位处地面不平整时，应先平整场地，并根据勘察深度和表层土的性质，确定地锚的个数和排列形式。

.静力触探机安装要平稳，应与下入土中的地锚牢固连接。

（4）其它准备工作

在测试前应了解以下情况：

1）工程的类型、名称、孔位分布以及孔深要求。

2）调查了解现场或附近已有的勘探资料，初步了解现场地层情况。

地表有无杂物及地下设施，以及它的确切位置，有无高压线、强磁场。

2.2现场操作要点

（1）安装触探主机和反力系统，利用水平尺调平机座，使钻杆与地面垂直，触探机与反力系统衔接、固定。

（2）探头、电缆、记录仪器的接插调试要正确，连接方法应跟率定时一致。

（3）触探机的贯入速率应控制在1.2m/min左右，手把转速应均匀。

液压式静探仪一般在液压系统中设置了固定的贯入速率。

（4）使用单桥或双桥探头时，应在贯入地面以下0.5~1.0m后，待探头温度与土的温度一致后。

上提5~10cm（处于不受力状态）记录零读数或调零；即可正式贯入。

以后每贯入2m提升探头5~10cm，并记录探头归零读数。

终孔起拔时和探头拔出地面后，应记录归零读数。

（5）贯入过程中应随时检查地锚的紧固情况，发现松动应及时调整或停止贯入。

（6）在贯入过程中出现以下任何一项情况时，应停止贯入，应在记录表上标明：

.反力装置失效；

.贯入时探杆明显弯曲；

.探头达到额定荷载时；

.记录仪器显示异常。

（7）安装深度转换器时，应保证导轮工作正常；当深度转换器引起的孔深误差超过1%时，应查明原因予以更换。

（8）数据记录内容

i.记录工程名称、桩号、孔号、作业日期等基本信息。

ii.记录时，应每贯入10cm记录读数一次。

iii.在收工前测量触探孔内的地下水位。

iv.使用双桥探头时，贯入第一个10cm时只记qc；从第2个10cm开始，才同时记录qc和fs。

（9）其它注意事项

i.将探头拔出地面后，对探头应进行检查、清理。

ii.触探孔应避开地下设施（地下电缆、涵管等）。

iii.工作现场应尽量避开高压线，变压器，以保证人身安全和仪表正常工作。

iv.精心保护好仪器，采取防雨、防潮、防震措施。

仪器不用时，应定期开启仪器，并使其工作半小时以上。

v.保护好探头，严禁摔打探头；避免探头暴晒、受冻；不许用电缆代拉探杆；装卸探头时，只可转动探杆，不可转动探头，接杆时，必须要拧紧，以防止孔斜，以及在起拨时掉杆。

vi.在整个测试过程中，各操作人员应互相配合，认真作业，以免发生人身、仪器意外事故。

三、资料整理

资料整理包括深度修正、归零修正，触探参数的计算，绘制静力触探曲线，场地内各土层静探参数计算值确定。

（1）深度修正可以按下式计算：

H=nL+h-ΔL

式中：

H—探头实际贯入深度（m）

L—每根探杆长度（m）

n—压入土中的探杆根数

h—探头长度（m）

ΔL—未压入土的探杆长度（m）

（2）归零修正

对各传感器的输出值按归零检查的深度间隔以线性内插法加以修正。

各深度的测试读数可用以下公式修正：

X′=X-ΔX

式中：

X′—某深度读数的修正值

X—该深度的读数

ΔX—相应深度的零漂值

（3）触探参数的计算：

各深度的触探力学指标可以按下面的公式计算：

P=K*X′

Rf=（fs/qc）×100

式中：

P—各触探参数代号（kPa），分别为单桥静力触探比贯入阻力ps、双桥静力触探锥尖阻力qc和侧摩阻力fs；

Rf—摩阻比（%）。

（4）绘制静力触探曲线：

应绘制ps—h或qc—h；fs—h和Rf—h曲线。

以深度为纵轴，比例尺一般为1∶100或1∶200；Ps、qc比例尺：

1cm代表1000kPa；fs比例尺：

1cm代表10kPa；Rf比例尺：

1cm代表1%。

（5）场地内各土层静探参数计算值确定

当土质均匀、测试数据离散度较小时，应根据各触探孔穿越该层的厚度，采用厚度加权平均法按下式计算场地各土层的静探参数：

式中

（或

、

）——场地各土层贯入阻力（kPa）；

——第i孔穿越该层的厚度（m）；

（或

、

）第i孔中该层的单孔贯入阻力（kPa）。

当土质不均、测试数据离散度较大时，可分别按下两式计算其最大平均值或最小平均值：

（或

、

）

（或

、

）

四、数据应用

4.1划分土层界线

4.1.1土层划分方法

划分土层是静力触探的基本应用之一，根据锥尖阻力、侧摩阻力的分层称为力学分层，结合钻探取样资料或当地经验，可进一步将力学分层变为工程地质分层。

在划分土层时，一般根据已有经验，当实测Ps或qc不超过表2所列的变动幅度时可合并为一层。

表2　Ps或qc值并层容许变动幅度（MPa）

实测范围值

变动幅度

Ps/qc≤1

±0.1~0.3

1＜Ps/qc≤3

±0.3~0.5

3＜Ps/qc≤6

±0.5~1.0

根据工程经验，平均锥尖阻力、侧摩阻力值、平均摩阻比在不同土类中均有不同的取值范围，并有一定的规律性。

由粘性－粉土－粉细砂，随着粘粒含量的逐步减小和土由细颗粒向粗颗粒逐渐增大，qc和fs平均值逐渐增大，Rf平均值一般逐渐减小。

各地和各行业都有一些判别经验，根据我司多年的静力触探经验，可参考以下3种方法进行土层分类：

（1）原铁道部第一设计院提出的qc和Rf曲线土层分类判别图，见图1。

图中Rf摩阻比，qc锥尖阻力，当qc<0.7MPa时可划分为软土。

图6　用双桥触探参数判别土类

（2）静探指标取值范围表，见表3。

表3　各类土中静探指标取值范围

指标及说明

土层名称

摩阻比Rf

（%）

锥尖阻力qc

（MPa）

主要影响因素

淤泥或淤泥质土

＞3

＜0.7

含水量和结构强度

粘土或粉质粘土

2.5～5.0

0.7～4.0

状态和结构强度

粉土

1.2～2.5

3.0～6.0

含水量和密度

砂土

＜1.2

＞5.0

颗粒级配和密实度

（3）根据各类土的静探双桥曲线特征划分，详细如下：

I．杂填土：

曲线变化无规律，往往出现突变现象，由于其位于表层，比较好判定。

II．粘土：

qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，fs曲线略有突峰，在曲线右侧且距离较大，见图7。

II．粉质粘土：

qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，fs曲线局部略有突峰，与qc曲线距离较近，大部位于qc曲线右侧局部交叉越过左侧，见图8。

图7　粘土特征曲线图8粉质粘土特征曲线

IV．粉土：

qc值较大，曲线呈钝锯齿状，齿峰较缓，fs曲线一般位于qc曲线右侧，局部间隔较大，但偶尔也和qc曲线左右穿插，见图9。

V．粉细砂：

qc值较大，曲线呈尖锐锯齿状，fs曲线一般和qc曲线间隔较小，曲线尖峰处大部位于qc曲线以左；细砂中qc曲线和fs曲线的尖齿更为剧烈，局部呈不规则的、残破的大锯齿状，fs曲线大部位于qc曲线左边，见图10。

图9　粉土特征曲线图10粉细砂特征曲线

4.1.2分层中的超前和滞后现象

根据静探指标划分地层，除了考虑贯入阻力大小的变化外，应注意由于地层结构对贯入阻力产生超前与滞后现象。

在静探曲线中可以明显的看到，当软地层转为硬地层（或硬地层转为软地层）时，其贯入阻力不会是突变的，总是在一定深度范围内逐渐增大（或减小）。

以探头由软地层进入硬地层为例，当深度尚未到达分层时，其锥尖阻力即开始增大（超前点），直至阻力完全反应下部硬层指标时，其贯入深度已经进入硬层一定深度（滞后点）。

在具体确定分层界线时，由于实际工作中所用的探头直径较小，其超前、滞后段一般为10~20cm，因此，可取超前、滞后段的中点做为分层界线，已足够满足地层分层的精度要求。

4.2确定地基的承载力

由于静力触探测定的是土的力学性质，反应了土的力学强度，因此，可利用静力触探与土的承载力等力学指标建立相关关系。

目前在确定地基承载力时建立的经验公式主要是将静力触探试验结果与载荷试验求得的比例界限值进行对比，并通过对对比数据的相关分析得到用于特定地区或特定土性的经验公式。

早期使用的单桥探头测得的比贯入阻力Ps建立了很多经验公式，近年来，普遍使用了双桥探头，测试指标是锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs。

有对比资料显示，在相同的地层中，Ps略大于qc，二者的关系约为Ps=1.1~1.3qc，在此情况下，可认为Ps≈1.1qc，这样做有一定的安全储备。

对于某些物理指标（如塑性指数）相似的土层，由于成因、结构不同，反映在土的计算参数上，也会产生较大的差异。

可以说，没有一个公式是万能的，可以反映所有地区土层的力学属性；从这个意义上讲，地区经验就显得尤为重要。

根据工程经验，确定地基承载力可参考的经验公式如下：

（1）《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ21-77）

砂土：

f0=0.0197ps+65.6

一般粘性土：

f0=0.104ps+26.9

老粘土：

f0=0.1ps

上列式中的f0为地基承载力基本值（kPa），ps为单桥探头的比贯入阻力（kPa）。

（2）广东航运规划设计院

f0=30+0.101ps

上列式适用于第四纪晚更新世（Q3）及其以前沉积的超压密老粘性土，其中f0为地基承载力基本值（kPa），ps为单桥探头的比贯入阻力（kPa）。

（3）原铁道部《铁路工程地质原位测试规程》（TB10018－2003）

老粘土（Q1~Q3）：

f0=0.1ps

一般粘性土（Q4）：

软土：

f0=0.112ps+5

砂土及粉土：

上列式中的f0为地基承载力基本值（kPa），ps为单桥探头的比贯入阻力（kPa）。