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孔压静力触探法研究综述

硕士研究生文献阅读与综述

论文题目：

现代多功能CPTU的数值模拟

学号：

2015220524

研究生姓名：

卫才皇

导师姓名:

杨令强王君鹏

学科、专业：

建筑与土木工程

所属院、系：

土木建筑学院

2016年5月14日

多功能CPTU研究综述

卫才皇

摘要：

静力触探法是工程中广泛使用的一种原位测试方法。

通过归纳分析国内外相关资料，概述了静力触探仪器设备发展历程，系统归纳了静力触探在锥头贯入阻力理论研究、模型试验、数值模拟、成果应用等方面的研究进展，总结了不同行业、不同地区利用静力触探成果估算土体参数的经验公式；提出由静力触探成果推求土体参数时，应充分考虑区域性土的工程特性；指出在超孔隙水压力理论分析、柱形孔空间问题解析解和以大变形分析理论为基础的数值模拟等方面需要进一步完善。

关键词：

静力触探；理论研究；模型试验；数值模拟

ResearchReviewonStaticConePenetrationTest

WeiCaihuang

Abstract:

Staticconepenetration（CPTU）isansitutest,whichiswidelyusedintheengineeringpractice.Basedonrecentresearchresults,thispaperintroducedthedevelopmentcourseofCPTUandsummarizedtheresearchprogressoftheinstrumentdevelopment,theoreticalrearchofconeresistance,modeltest,numericalsimulation,anddifferentareasweresummarized.ThepaperpointedoutthatitisnecessarytofullyconsidertheengineeringcharacteristicsofregionalsoilwhenusingtheCPTUresults.Moreover,thetheoreticalanalysisofexcessporewaterpressure,anatlyicsolutionofcylindricalholespaceproblem,andnumericalsimulationforlargedeformationanalysistheoryneedtobefurtherimproved.

Keywords:

conepenetrationtest;theoreticalresearch;modeltest;numercialsimulation

1前言

静力触探法是用于划分土层、判别土体液化、确定地基承载力等参数常用的原位测试方法，具有操作简单、费用低、成果准确、周期短、节省人力等优点。

1917年，该方法最先使用于瑞典铁路建设，1930年荷兰学者通过技术攻关，改进了仪器结构，构成了现有静力触探设备的框架，静力触探法经过百年的发展，无论在仪器设备、理论研究、模型试验、数值模拟技术还是基于测试成果基础上的土层划分、地基承载力、土体物理力学参数、桩体承载力、土体液化判别、压实填土质量判别等方面均取得了很大进步。

孔压静力触探（CPTU）是20世纪80年代在国际上兴起的新型原位测试技术，与我国传统的单、双桥静探相比，具有理论系统、功能齐全、参数准确、精度高、稳定性好等优点，既可以用超孔压的灵敏性准确划分土层、进行土类判别，又可求取土的原位固结系数、渗透系数、动力参数、结构参数等，特别适合软土的勘察，在欧美诸国已得到广泛的应用，而在国内的应用则基本是空白。

在对国际上多功能CPTU技术在岩土工程领域中的应用及其研究成果进行系统的概述，同时分析CPTU相对我国的CPT技术在工程勘察中的优势。

最后，简要介绍了新型传感器技术的支持下CPTU的新应用。

随着工程建设和传感器技术的发展，国际上近二十年来研发了一系列基于CPT的新型传感器，如地震波传感器、电阻率传感器、热导率传感器等，使CPT技术呈现出多功能、数字化发展的特征，使其在工程建设领域的应用达到了前所未有的水平，并拓展到了环境工海洋工程等领域。

我国CPT技术在1970年以前基本上与国际水平同步发展，之后，虽然一些学者在20世纪90年代也进行了孔压静力触探技术的开发研究，但与国际水平渐行渐远，目前还主要采用传统的单、双桥CPT技术，无论在机理和理论研究，还是在规范功能扩展、工程应用方面都已明显落后于国际水平，制约了我国岩土工程技术发展水平。

因此，对现代数字式多功能CPTU测试理论机理、工程设计应用方法等进行系统研究有重要意义。

2静力触探的仪器设备发展

原始的静力触探设备为螺旋锥头式静探仪。

该仪器操作复杂、不便应用，受外界因素影响较大，测试精度较低。

1930年，荷兰人设计了“荷兰静力触探试验”，其使用的设备简称“荷兰锥”，用于测试浅层软土的物理力学性质指标。

在1948年荷兰鹿特丹召开的第2届国际土力学基础会议上，该试验被视为最有效测定锥头贯入阻力

的深层测试方法。

1954年，我国学者陈宗基首次将该技术用于黄土地区，但测试效果不甚理想，原因是：

杆与管之间的摩擦力极大地抵消、掩盖或歪曲了原有的锥尖阻力；钻杆自重产生的负压力及土层摩阻力使得靠地面油压表显示的锥尖贯入阻力读数失真；土体进入钻杆与套管之间的空隙，产生极大的假贯入阻力。

1950年，在“荷兰锥”的基础上，Vermeiden和Plantema设计了带有一定长度的侧壁摩擦筒的圆锥形探头，较好的解决了上述问题，现有静力触探设备仍采用该结构。

1962年，我国原建筑工程部综合勘察研究院成功研制了电阻应变式静力触探仪，有效消除了旧式静力触探设备装置的各项误差，大大提高了测试精度，为静力触探方法在工程中的广泛运用提供了坚实基础。

1980年以后，国外研制了具有多功能的静力触探探头，在量测锥尖贯入阻力和侧壁摩擦阻力的同时，还可以量测侧向应力，热传导率、地温、倾斜、地震波、电阻率等参数，并逐步代替了单一型探头随着电子技术的快速发展和机械制造工艺的提升，静力触探设备由单一的单桥探头逐步发展到双桥探头孔压静探探头、波速静探探头、密度静探探头、地震静探探头等；探测深度由原来的不足10m到现在的近100m；记录方式由传统的人工读数到自动记录；设备传输由原有的电缆传输发展到无电缆声波传输，作业方式由人工向半自动、全自动作业方式转变；工程应用范围由浅层软土扩展至砂土、粉土、黏土、淤泥质土、素填土及含少量碎石的土。

以标准静力触探为基础,在探头上加装各种不同用途的传感器,从而形成新的具有特殊功能的静力触探技术。

2.1　孔压静力触探测试技术（CPTU）

孔压静力触探出现于上世纪70年代后期,这种探头就是在原有常规探头的内部安装一个孔压传感器,探头表面安装透水层,其安装位置如图孔压静力触探探头所示。

1989年,ISSMFE（国际土壤力学与基础工程学会）推荐采用透水石位于锥尖后的孔压U2,此后,关于透水石位置主要以此为准。

CPTU的测试成果在岩土工程领域的应用,主要包括4个方面:

（1）修正锥尖阻力,使锥尖阻力真正反映土的性质;

（2）评价渗流,固结特性;（3）区分排水、部分排水、不排水贯入方式,以满足不同需要;（4）提高土分层与土质分类的可靠性。

研究成果表明,CPTU用于工程勘察具有以下优点:

（1）能更加准确地划分地层;

（2）能更加准确地对土质进行分类;（3）很经济地测试土的固结系数等土力学参数。

2.2　旁压静力触探测试（CPT-PMT）

旁压测试（PMT）是工程地质勘察中一种常用的原位测试技术,实质上是利用钻孔做原位横向载荷试验。

其原理是:

通过旁压器在竖直的孔内加压,使旁压膜膨胀,并由旁压膜（或护套）将压力传给周围土体（或软岩）,使土体（或软岩）产生变形直至破坏;通过量测装置测出施加压力和土变形之间的关系,绘制应力应变关系曲线;对孔周所测土体（或软岩）的承载力、变形性质等进行评价。

新型旁压测试探头可以完全代替原来单功能的旁压器。

这种探头是在静力触探探头上加装旁压装置,在进行静力触探实验的同时,也可以完成旁压测试实验。

图4为旁压静力触探探头示意图。

旁压器的直径与探头的直径相同,安装在静力触探探头的后端,旁压器膨胀部分的长度直径比为10∶1,以确保在膨胀过程中旁压器的橡皮膜有较大的径向扩张。

测试过程中,将探头压入土层某一深度后,向旁压器橡皮膜充入压缩气体,使橡皮膜膨胀。

通过加压-卸压循环可以测得土的剪切模量。

这种探头提供的数据包括:

锥头阻力、侧壁摩擦阻力、孔隙水压力、固结系数和旁压曲线等,大大缩短了测试时间,是一种非常经济、高效的测试手段。

图3孔压静力触探探头

图4旁压静力触探探头示意图

2.3γ射线测试（Gamma-ray）

γ射线测试是放射性同位素静力触探测试的一种。

γ射线探头可以探测土层中由于钾和微量元素铀、钍浓度的自然改变引起的放射能的变化。

从而获得钾、铀、钍的含量及其比值的分布资料,来研究岩浆岩和沉积岩的生成条件及演化过程,探讨成矿特点和矿床成因等。

γ射线发生器安装在CPT探头的后端,这样在静力触探实验的同时也可以进行γ射线探测。

由于γ射线探测器是装在CPT探头上的,所以可以对土层进行无扰动测试,其测试结果比其它放射性探测仪器更准确。

2.4电导率静力触探测试（ECT）

电导率法属于物探中的电法勘探。

这种探头除了可以测量随深度变化的土的电导率、锥尖阻力和侧壁摩擦阻力外,还有很多其它的用途,如测试土壤电解质污染程度、测试土壤中的氢氧化物、无机酸、碳氢化合物、土壤PH值、无机盐的含量。

2.5快速光筛检静力触探技术（ROST）

ROST可以实时分辨出深层土壤中的石油碳氢化合物。

这个系统包含一个安装于静力触探车上的激光发生器。

此激光发生器与探头上的传感器连接,探头上装有小直径的蓝宝石窗,激光发生器产生的光通过光纤电缆传送到探头传感器上。

探头贯入土中时,光通过蓝宝石窗被与探头直接接触的石油碳氢化合物所吸收,由于有能量射入,石油碳氢化合物能够发出荧光,这个荧光能够反射到蓝宝石窗上,并由另一根光纤电缆传回地面,由此可以判断地层中的石油碳氢化合物的分布情况。

2.6视频成像静力触探技术（GeoVIS）

GeoVIS技术可以为我们提供未扰动土壤的实时影像,在触探的同时进行摄像,可定性地反映地层的粒度以及被污染的情况。

这种技术是在探头内部安装微型摄像头,探头上同样装有蓝宝石窗。

用白色发光二极管通过蓝宝石窗照亮外部土壤,摄像头通过蓝宝石窗摄像,视频资料会被快速的传回地面。

2.7润滑剂注入技术（LubricantingTechnique）

土和探杆之间的摩擦力限制了静力触探探头的贯入深度。

在实际工程中,当探头侧壁摩擦阻力大于2ＭＰａ时,探头将无法继续贯入。

采用润滑剂注入技术可以大大提高贯入深度,而且能对较硬土层实现静力触探,而无需加大贯入力或采用预钻方式贯入。

图5为润滑剂注入示意图。

在贯入过程中,用泵将润滑剂注入探杆中,润滑剂从探杆下端的小孔排出,这样润滑剂将在探杆的外壁形成一层润滑膜,以减小探杆和土的摩擦力。

小孔位于探头上端0.5ｍ处,这样可以防止润滑剂粘在探头上,影响探头测量数据的准确性。

在起拔钻杆时还可以向孔中

注入膨润土,密封孔口。

图5润滑剂注入示意图

3静力触探的理论研究进展

3.1锥头贯入阻力计算

静力触探法理论研究主要侧重于锥头贯入阻力计算方面。

影响锥头贯入阻力的因素很多，如土的含水率、强度、压缩性、材料性质差异较大的界面等，现有的本构关系往往只侧重于土体的某个特性，不能精确反映土体所有性质。

因此，工程中只能采用近似理论方法分析计算锥头贯入阻力，如承载力理论、孔扩张理论、运动点位错法、应变路径法等。

承载力理论：

将锥头贯入阻力作为探头以下土体受圆锥头贯入产生剪切破坏的直接因素，土体破坏时的荷载即为锥头贯入阻力的大小。

常采用极限平衡与滑移线两种方法估算锥头贯入阻力，如Kerisel理论、Durgunoglu和Mitchell理论、Janbu和Senneset理论。

极限平衡法是先假定一种破坏机制，然后对土体进行整体平衡分析，得到破坏面的破坏荷载。

滑移线法是将平衡方程和屈服准则联立，给出土体的一组表征塑性平衡的微分方程，利用滑移线法求解破坏荷载：

将破坏荷载乘以锥头形状系数，即为锥头阻力。

承载力理论最大的不足是未考虑土的压缩性和探杆周围应力增加的影响，不能精确计算锥头阻力，不过该理论相对简单，易被工程技术人员掌握，应用较广。

孔扩张理论：

基于弹塑性介质中产生一个深孔所要求的压力与在相同情形下扩展一个相同体积的空洞所需要的压力相等的原理，通过联立平衡方程、几何方程和本构方程等三个方程，并借助破坏准则和边界条件进行求解，根据扩张形状的不同，孔扩张理论分析法可分为球形扩张分析法和圆柱扩张分析法，该方法考虑了土体的弹塑性，能反映实际情况；如Yu对黏土得到的理论计算结果与实测结果误差在3%以内；Collins对砂土得到的理论解与试验结果符合较好。

但在孔压静力触探超孔隙水压力理论分析和柱形孔空间问题解析解等方面孔扩张理论仍有待于发展。

运动点位错法：

认为运动的正常点位错的行为与锥头贯入过程中超静孔压的产生、消散及锥头贯入阻力之间存在相关关系，其优点是考虑了孔隙水的消散作用。

Cleary、Elsworth等学者研究表明，超静孔压产生的速度随贯入速度的增加而增加，随固结系数的增大而减小，停止贯入后则完全相反，该方法的缺点是未考虑土体的塑性特性和点位错的锥头尺寸大小影响，与锥头实际贯入过程存在差别。

应变路径法：

假设在锥头贯入过程中，周围土体相对锥头存在一个恒定流场，通过流场方程及边界条件计算锥头阻力。

根据构造流场的不同可分为Rankine法和保角映射法。

其中Rankine法是将平行流和一系列源和汇叠加而成，有效性需通过试验验证，且该方法仅适用于饱和黏土的不排水情况。

对于其他土体有待于进一步研究。

3.2模型试验研究

目前有关静力触探模型试验的研究成果并不多，国内铁道部静力触探协作组、夏增明、刘仕顺、刘仰韶等学者通过砂土的静力触探模型试验分析了锥头阻力、附加应力和变形规律，自由表面效应、深度效应、层位界面效应及相对密实度等特性：

陈铁林以室内模型试验为基础，并结合堆砌体模型，建立了结构性黏土流变模型，安岚研究了贯入过程中黏性土的孔隙水压力的消散程度和土体径向应力的分布，揭示了孔压静力触探测试黏土固结系数的机理。

室内模型试验针对性强，可根据需要制备不同土体类别，开展不同密实度及各种工况条件下的静力触探试验。

因此，静力触探室内模型试验是现场原型试验的有效补充研究手段，是研究和验证贯入机理，建立土体本构模型及相关参数的重要方法。

3.3数值模拟研究

随着计算机技术的发展，以小变形、大变形和离散元等三种分析理论为基础的数值模拟技术被引入到静力触探研究。

小变形分析理论假设锥头进入一个预先成型的孔中，但周围土体仍处于初始应力状态，执行一个增量塑性破坏计算，对应的破坏荷载即为锥头阻力。

该模拟过程与实际情况不符，因为锥头在贯入过程中增大了锥杆附近的侧向压力，使实际应力值大于小应变分析结果。

考虑到静力触探过程中，探头附近土体的应变通常超过10%，有时剪切应变甚至达到40%，因此以大变形理论为基础的数值模拟技术应运而生。

陈铁林等采用大变形有限元和简单的接触面理论，将静力触探过程看作边界条件不断改变的过程模拟了静力触探的整个贯入过程，并将砌块体模型的大变形模拟计算结果与弹性模型、修正剑桥模型计算结果进行对比，揭示了大变形模型在模拟分析静力触探试验具有一定的优势。

蒋明镜基于离散元原理模拟了静力触探试验过程，认为在粒状材料触探分析时，建立的本构关系应包含土体的剪胀性、率相关性、颗粒破碎和非共轴性。

以大变形分析理论为基础模拟土—锥界面刚度的过程非常复杂，整个数值模拟的完整性仍不清楚，而基于离散元理论的土体本构关系的建立仍然需要做很多工作。

4静力触探测试成果的应用研究

4.1土体参数的计算

借助静力触探试验测试成果，能获得较多的土体参数，如土层划分、估算地基承载力与单桩承载力、土体物理力学指标、土体液化趋势判别、黄土湿陷程度等。

静力触探法以土体受力的反映特性为基础，通过建立土体受力与粒径分布、阿太堡界限等传统土质分类方法的联系，进行土层分类。

图1和图2分别是利用双桥探头静力触探试验和孔压探头静力触探试验进行土体判别的结果。

图1根据双桥探头触探参数的土类判别

图2根据孔压静力触探参数的土类判别

图1中

，其中

为摩阻比，

为侧摩阻力，

为锥尖阻力。

当

时，可划分为软土。

图2中（a）为主判别，（b）为辅助判别，

为总锥尖阻力，

为超孔压比。

国内较早开展静力触探试验研究的铁道第三勘察设计院，原湖北综合勘察院、天津市建筑设计院、机械工业勘察设计研究院等单位，根据大量现场试验资料，建立了黏性土、砂土、黄土等地基的承载力计算公式和单桩承载力计算公式"并给出了土体变形模量、不排水抗剪强度、土体内摩擦角、天然重度等指标计算公式，部分成果已被相关地方标准、行业规范采纳。

由相关单位和规范推荐使用的静力触探法应用情况分析可知，根据静力触探成果推求土体参数时，应充分考虑区域性土的工程特性。

4.2堤防工程质量检测的应用

土体颗粒之间的接触紧密程度是影响静力触探试验锥尖阻力和侧摩阻力大小的主要因素，而土体的接触紧密程度可用土体的压实度表示，即可以通过

、

的换算来反映土体的压实质量，因此，利用静力触探成果判定土方压实质量是可行的。

周景宏、陈维家等学者相继提出了锥尖阻力与砂土密实度之间的经验公式。

在检测堤防工程质量方面，仅局限于

或

与密度、干密度等之间的简单相关公式转换，未考虑含水率对

的影响，研究成果相对较少。

徐海波、宋新江、钱财富等进行粉土、黏土等土料压实质量检测基础理论、检测成果可靠性和合理性等方面研究，已建立了粉土的干密度、锥尖阻力、与含水率三者之间的非线性计算模型，通过蚌埠市圈堤工程的应用验证了模型的合理性和可靠性。

4.3在高速公路软土路基上的应用

皮口至炮台高速公路起点为大连普兰店市皮口镇，终点为大连瓦房店市炮台镇，全长约43公里，线路K37+260+K39+180段地貌为第四系全新统冲海积平原区，地势平坦，高程1.2-5.2米，路基段内分布的不良地质体主要为流:

软塑状态的淤泥质粉质粘土，分布厚度一般0.5-4.0米,为满足设计要求、确保工程质量，快速确定实际的软弱层厚度，该路段采用了静力触探原位测试技术。

4.4在海洋工程中的应用

1966年，荷兰Fugro公司研制了名为“Seaball”的海床式触探机以及名为“Wison”型的绳索式井下静力触探。

1972—1974年，荷兰Fugro公司又在“Seaball”的基础上增加了可以提供支承反力的海底盘，改制成名为“Seacalf”的海床式触探机（工作水深可达300m，触探深度20～40m），同时对“Wison”

I型绳索式井中静力触探进行改进，研制成名为“Wison”MK型绳索式井中静力触探设备（工作水深及触探深度总计400m）。

2003年，中国船舶工业勘察设计院结合MJ-Ⅱ型顶压式静探机和静探平台研制出水域静力触探平台。

2005年，吉林大学工程技术研究所开发出“浅海域海底静力触探测试系统”，采用柔性卷绕探杆连续贯入方式，最大工作水深55m，最大测试深度15m。

2001—2005年，广州海洋地质调查局主持的国家863项目“海底土体原位静动态探测技术”，研制出了以管内液压推进系统为关键技术的海洋静力触探设备，工作水

深可达100m，触探深度可达120m。

目前国际上较为知名的深海海床式CPT系统主要有：

荷兰范登堡公司开发的ROSON系列海床式CPT系统，最大工作水深4000m；Geomil公司开发的MANTA系列海床静力触探系统，最大工作水深2000m；Datem公司开发的Neptune5000型标准海洋CPT，最大工作水深3000m；以及荷兰辉固公司开发的SEACALF海床式CPT系统，最大工作水深4000m。

4结语与展望

静力触探法作为一种工程中广泛使用的现场测试方法，历经近百年发展，其仪器设备与测试理论逐步完善，应用范围逐步扩展。

随着科学技术的进步"新型带有多功能参数测试探头将逐步广泛应用，但在锥头贯入阻力理论和数值模拟技术方面与工程实际差别较大，仍需要进一步研究。

多功能CPTU测试参数能更好地确定土工程性质以及土物理力学参数，应尽快研制开发与国际常用规格一致的CPTU，并加强和推广现代多功能CPTU技术在国内的应用研究，并建立相应的技术标准。

其测试技术在确定土层固结系数、渗透系数等方面具有独特的优势，特别适于在软土地区的推广。

SCPTU、RCPTU、VisCPTU等技术在岩土工程与环境岩土工程领域具有良好的应用前景，有必要引进国外技术以填补国内在环境岩土工程领域应用中的空白。

密切关注国际上CPTU技术的最新进展，如无线式CPTU测试技术、应用于砾石土层的大直径CPT技术等，加强国际交流。

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