（地质工程专业论文）孔压静力触探的机理分析及其工程应用.pdf

摘要 摘要 静力触探试验是工程勘察中常用的手段之一。长期以来，从现场试验中获 得的静力触探资料往往被直接用以估算各种地基土参数，从未考虑土中孔隙水 压力的影响。8 0 年代初期，在电测静力触探仪( c p t ) 上安装孔隙压力传感器，成 功的研制出孔压静力触探( p i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ，c p t u ) ，除可测锥尖阻力， 侧壁摩阻力外，还可同时测定孔隙压力。这一进展，不只是增加一项参数，而是为 提高测试精度、可靠性，了解更多土的特征参数提供了可能，从而使静力触探 技术提高到一个新的阶段。 孔压静力触探试验这一新技术不仅具有快速、连续、直观、经济等众多优 点，而且能够通过孔压消散试验能够快速估算出土层的固结系数和渗透系数， 这是孔压静探试验的一大重要突破。 本文在广泛收集前人有关孔压静探试验的科研成果的基础上，对孔压静力 触探试验的机理进行了分析。并结合江苏省交通科学研究计划项目：“长板一短 桩工法复合地基的机理与应用研究”，将孔压静力触探试验成果应用于高速公路 工程建设中。本文还结合了上海市重点学科建设基金项目：“孔压静力触探的探 头饱和与标定仪器的研制 ，对孔压静探的探头饱和与标定设备以及过程进行了 简单的介绍。 通过对孔压静力触探机理的分析以及工程上的应用，本文得出了以下关于 孔压静探方面的结论： 1 ) 静力触探问题是空间轴对称问题。超孔隙水压力是由土体的正应力和剪 应力变化产生的。超孔隙水压力的初始分布对超孔压的消散有重要影响。超孔 隙水压力的消散模型也属于空间轴对称模型，在探头锥尖部位属于空间球型扩 散，在探头锥底以后部位都属于空间圆柱形轴对称扩散。 2 ) 无绳多功能孔压静探头，操作流程简单，可获取更多的原始数据，其自 带的测斜功能，能够有效的消除由于探头倾斜产生的贯入深度误差。 3 ) 孔压静探由于其孔压的灵敏性和贯入的连续性，可用于地基土的土层划 分和辨别较薄土层的存在。相对于传统的钻探而言，利用孔压静探划分土层精 确度要更高。 摘篮 4 ) l j 孔爪静探估算软二e 层的固结系数能够反映一j ：的原位特性固结系数的 估算叮j jt e h ( 19 8 7 ) 的疗法：c 。= ( 所肘) ? ，厂二。通过l ：程应用，可得出：l j l i 静探试验估算吲结系数的可行性。如果场地的土层分布均匀，薄央层较少，使 用孔越静探的方法估算固结系数的效果将更佳。 5 ) 利用孔压静力触探来对地基处理效果进行评价，通过淮盐高速公路试验 段长板一短桩项目的应用，达到了一定的效果，可见其具有一定的可行性。但 是本文只是从今定性的角度对地基土的强度变化进行了评价，是对孔压静探应 用新方向的一种尝试。在今后的发展中，随着理论的深入研究，数据的不断积 累，利用孔压静探定量的对地基处理效果进行评价也成为了一种可能。 6 ) 通过建立地区经验，采用孔压静探试验估算的不排水抗剪强度具有较强 的可行性。但经验表明，孔压静探资料与不排水抗剪强度之间，不存在适用 于各种土类的唯一关系。对于某一区域特定一种土类存在唯一的对应关系，所 以根据实测j 。及孔压静探试验来确定h 值，积累地区经验十分必要。 7 ) 在估算测向渗透系数k 中，孔压试验在同一层中得出数值偏差不大，说 明由孔压静探估算出来的土层参数能够反映土的原始状态，具有可行性。 关键词：孔压静力触探c p t u 高速公路地基处理机理研究孔穴扩张应变路 径承载力理论孔压消散固结理论土层划分固结系数渗透系数不排水抗 剪强度饱和标定 h ab s t r a c t c o n ep e n e t r a t i o nt e s ti so n eo ft h em e a n s e sf o re n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o n f o r l o n gt i m e ? t h ee x p e r i m e n t so fc p tw a su s u a l l ye s t i m a t e dt h ep a r a m e t e r so fs o i l d i r e c t l y ，n o tc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ep o r ep r e s s u r e 8 0 si n i t i a ls t a g e ，t h e i n s t r u m e n to fp i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ( c p t u ) w a sr e s e a r c h e ds u c c e e d l y ，t h r o u g h i n s t a l l i n gt h ep o r ep r e s s u r es e n s o ri nt h ec p t i tm a d et h et e c h n i q u eo fc p tr a i s ea n e w s t a g e t h en e wt e c h n i q u eo fc p t uh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sf a s t , c o n t i n u e ， e c o n o m y e t e i tc a ne s t i m a t et h ec o n s o l i d a t i o nt o e 伍c i e n ta n dt h ep e r m e a t i o n c o e f f i c i e n tr a p i d l yt h r o u g ht h ed i s s i p a t i o nt e s t , w h i c hi st h ei m p o r t a n tb r e a k t h r o u g h o nt h eb a s eo fe x t e n s i v ec o l l e c t i n gr e s e a r c ha b o u tc p t u ，t h i sp a p e r a n a l y s e s t h em e c h a n i s mo fc p t u c o m b i n i n gt h et r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hp l a no fj i a n g s u p r o v i n c e ：”t h e o r ya n da p p l i c a t i o no l ld - mm e t h o df o rs o f tc l a yf o u n d a t i o n t r e a t m e n ti ne x p r e s s w a y ”a n dt h ef u n dp l a no fi m p r o v e m e n tt h ei m p o r t a n ts u b j e c t s o fs h a n g h a i ：”t h er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no fs a t u r a t i o na n dc a l i b r a t i o ni nc p t u ”， t h i sp a p e ra p p l i e dt h ee x p e r i m e n to fc p t ut ot h e e x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n , i n w o d u c e dt h ee q u i p m e n t so fs a t u r a t i o na n dc a l i b r a t i o na n dt h ep r o c e s s e s t h o u g ha n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fc p t ua n da p p l i c a t i n gt h er e s u l t st o e n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rg o ts o m ea v a i lc o n c l u s i o n st h a tu s i n gt h ee x p e r i m e n t so f c p t ut oc l a s s i f i c a t i n gs o i l ，e s t i m a t i n gt h ep a r a r n e t e r so fs o i la n da p p r a i s i n gt h e e f f e c to ff o u n d a t i o ni m p r o v e m e n ti sa v a i l a b l e k 呵w o r d s ：p i e z o c o n et e s t ( c p n j ) ，e x p r e s s w a y ，s o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t , c a v i t ye x p a n s i o n ，s t r a i np a t h ，b e a t i n gc a p a c i t yt h e o r y , p o r ed i s s i p a t i o n , c o n s o l i d a t i o nt h e o r y , s o i lc l a s s i f i c a t i o n ，c o n s o l i d a t i o nc o e 衢c i e n t ，p e r m e a t i o n c o e f f i c i e n t ，u n d r a i n e ds h e a rs t r e n g t h ，s a t u r a t i o n ，c a l i b r a t i o n i l l 学位论文版权使用授权书 本太完全了解圈济大学关予收集、保存、使焉学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子舨；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用予学术活动。 学位论文作者签名：刎j 侔多月f e t 经指导教师网意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指删霹躲_ m 袁学位黻储貔粕 武年砖、e l 砂年再| e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取德的成果。除文中已经注明罨| 用的内容外，本学位论文 的研究成果不惫含饪何健入创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作傲出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：；施 艘乒多月f 尽 第1 嚣绍沦 第1 章绪论 1 1 孑l 压静力触探的发展 静力魅探试验是工程勘察中常焉的手段之一。长期以来，从现场试验中获 得的静力触探资料往往被直接用以估算各种地基土参数，从未考虑土中孔隙水 压力的影响。8 0 年代初期，在电测静力触探仪( c p t ) 上安装孔隙压力传感器，成 功的研制出孔压静力触探( p i e z o c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ，c p t u ) ，除可测锥尖阻力， 侧壁摩阻力强，还可同时测定水孔隙压力。这一进展，不只是增加一项参数，褥是 为提高测试精度、可靠性，了解更多土的特征参数提供了可能，从而使静力触 探技术提高到一个新的阶段。 ( 一) 萤外的发展“1 该项技术以其优异的特性得到迅速的发展，几年之后，在西欧、美洲，特 别是荷兰、英国、挪威、翔拿大、美匿诸国得到迅速的发展，各大公司都褶继 采用，对延伸范围很广的公路铁路工程，以及勘探条件十分恶劣的近海离岸工 程嚣言，以孔压静力触探为主，摸渍土层后，有针对性的钻取高质量的土样已 成为当今岩土工程勘察的主流趋势。比如，挪威在北海油田的采油平台的设计 工作就是如此，我国不少单位也是以静力触探为主，原状取为辅，以摸清地 层。这无疑是经济合理的。 ( 二) 国内的发展n 1 该项技零引起国内很多岩工作者的重税，先后从荷兰、日本引进少量的 设备，也自行开发研制出了孔压触探仪，但除少数单位外( 大部分为科研单位) ， 大多数勘察单位及研究单位遴无使用经验。近年来，c p t u 试验已在珠江三兔渊、 长江三角溯等地区陆续使用，但实际工程应用中大部分是套用国外现成的经验 公式，而未考虑地区土性和仪器性能的差异，加之有些操作人员对c p t u 试验原 理认识的不足，使得数据的采集与整理受到了影响，使得我国的孔压静力触探 的推广工作尚处于起步阶段。 在此要特别提出，今后利用孔压静力触探试验解决岩土工程闻题的愚路。挪 威土工研究所，他们把室内试验、孔压静力触探试验、理论与现场监测相互验 证，建立经验关系，确定经验系数。从而成功解决了离案工程，如采油平台等 筑i 、 r r i 绪论 复杂的 ：程f u j 邀。他们的这种利川孔j k 静力触探试验解决岩： ：工程蚴题的思路， 对我们推广j ：, l i i j ；f l ；医静力触探 艇订稗益。 三) 孔压静襟的：乏茧优点1 2 1 增加孔压的测量，砖土工参数的解释又增添了新的尺度，特别是砖饱和糕土 层更是如此。与静力触探相比，孔压静力触探的主要优点是： 1 由于不同土的渗透性变化很大，c p t u 量测孔压灵敏度候高。它能分辨 l 一2 e 璎薄土层性酶交誊乏，因此c p t u 极大地提高了判别土类和戈1 分层的能 力。 2 ) 可修正孔隙水压力对吼、z 的影响，这种影响对贯入阻力低的软粘土是 不容忽视的。 3 ) 量测孔压，使有可能进行有效应力的分析。 4 ) 可估算士的渗透系数和固结系数，这是原位测 试技术的重大新进展。 5 ) 可测定土层不露深度处的静止永压力。 6 ) 可评定土的应力历史( 超固结比o c r ) 。 7 ) 对评定砂土和粉土的液化势有潜在的优势。 8 ) 可估算土的静止侧压力系数k o 。 孔魇静探适用的土类为地下承位以下鲢较糙、 粘性土、粉土、非密实砂土、黄、素填土等，它 不适用于密实的砂土、冻土、碎石类土。 图1 1 探头技术术语 为了阅读论文方便，本论文对探头经常使用的技术术语，表现于图1 1 。 | i 2 孔压静探的工程应用 为了对孔压静探的试验资料进行合理的利用和解释，理论方面的分析还奄 许多工作有待开展。虽然目前所有的文章都认为超孔隙水压力是土类、土体强 度和变形性能的函数，通过测量孔隙水压力的变化可以进一步研究有效锥尖阻 力，并分析土体的有关参数，但是至今仍然没有合适的公式可震来表达它们之 间的关系。孔隙水压力的变化与土体性质之间的关系在很大程度上仍借助于经 验的关系。尽管如此，将孔压静探试验测得的资料应用予实际工作中去的尝试 已经开始，并显示出了良好的远景。它可以用量测的参数来辨别土类、划分土 2 第l 章绪论 层、估箅土性参数，还呵以直接应用予基础设计和液化判别。如下表l ，l 所示。 表1 1c p t 应用及可靠性1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 施缀可靠 内容所用指标及公式( 方法)公式泉源 类别性 分攒分搓s o i lf i 啦甄 1 , 1 r i l 与土 ms e n n e s e t & j a n b u ( 1 9 8 4 )i i 缓土质分类 魏q r o b e r t s o ni i l 分类 矗c 棚p a n e l l a ( 1 9 8 6 ) 岩l l i y 耋壤)讯氐查袁法l a r s s o n 盂w a t a b d i e ( 1 9 9 1 ) 土i v 工 l 【( 静止_ 士压力系 粒哦l 魄一拶0 o 酗l l 鞠 鑫w a y n e ( 1 9 9 0 ) i 、r v 耩数 状褰 饿 o c r = o 6 6 + i 4 3 ( p p d ) s u l l ye ta 1 ( 1 9 8 8 ) i l o ( 聚 蒺 o c r = - g ( q ；一氇矗( o 。( 1 。9 5 鹫1 ) ) 。w a y n e ( 1 9 9 1 ) i i i 指 i l s t ( 灵敏度)s t = n j i t ,s c l m e r t m a n n ( 1 9 7 8 ) 檬 、i i i q 。吼s + o 。理论公式 粘 & ( 不撵求强度& = q = ( q ，1 螃埔。c a m p a n e l l a ( 1 9 8 2 ) l i l 性 强縻 s f u n m ( x i i - - u z - u z )c a a p a n e l l a ( 1 9 8 5 ) 土 垂( 有效内摩擦巾= a r c t a n 0 1 + o 3 8 1 0 9 ( q j r o b e r t 蝴l l a ( 1 9 8 3 ) 角) o 0 】 b = a ms a n g l e r a t ( 1 9 7 6 ) & ( 鹾缀模囊l v 、 变形 & = & 2 5 ( q ，一0 0孙l w a y n e ( 1 9 9 0 ) g o ( 剪切模量) 6 0 - 9 9 , 5 ( p - ) “”( q 。) 4 。蜂( e j “” w a y n e & r i x ( 1 9 9 3 ) i v v l i i k 承警渗透系数) 鼯r 豫( 2 3 巧o b a li g hil e v a d o a x ( 1 9 8 0 ) 渗遴l v 瞧 l l g ( 承擎秘结系数) g = o s o u ) 2 9 0 ”孑 t e h ( 1 9 8 7 ) 、l i i 砂状悫 d r = i n ( m ( g ( o ) ) g b a l d ie ta 1 ( 1 0 8 6 )i i 断壤瓣密度 r， 土 晦，( 3 0 溉妯k u l l m w y 矗w a y n e ( 1 9 9 0 )l i i 3 第l 章绪论 k ( 静止上难力系 k ，。l l 。，- - 4 ( i r i u n n e & ( h r i s t o p h e r s e n ( 1 9 8 3 ) l v 、v 数) 巾( 有效内摩擦 强度 由= 1 7 6 4 1 i l o g q ，( 0 o ”k u l h a w y & m a y n e ( 1 9 9 0 ) 1 1 角) 巴= 4 q ，m 1 0 m p a i u n n e & c h r i s t o p h e r s e n ( 1 9 8 3 )1 1 1 巴( 压缩模量)e | = 2 q ，+ 2 0 ( 肝h ) 1 0 q 。 5 0 m p a l l g o ( 剪切模量)g o = p 、? 、1 i i 桩基础承载力q = q k - + q 。a i ka l m e i d ae ta 1 ( t 9 9 6 )i i i 承载力 q f k q r 卜( l r b i 也) 2t e r z a g h i i i i 岩土 浅基础i i 工程 沉降量 覃= 州z p 茸百i = a z s c l m e r t m u m ( 1 9 7 8 ) i i i 设计 抗液化 液化评判 他小心卜枷删 t e p e r a k s a ( 1 9 9 1 )i i i 分析 与s p t 关系( q , l r o 仲1 5o = 8 5 ( 卜i 。4 6 ) j e f f e r i e sa n dd a v i e s ( 1 9 9 3 ) i l i 注：侧阻力；q c 锥尖阻力；u 由c p t u 测得的孔隙水压力( u 2 ) ；r r - - f q 。1 0 0 摩阻比删q t o o 修正摩阻比，式中啦= q c + l l ( 1 - a ) ，a 为修正系数；q t 气q | o ，o y 0 0 ，式中o v o 为原住竖向应力，ov o i 原住有效 竖向应力；b q = ( u - u o ) 旭o o 孔压比，式中u o 为静水应力；p p d 孔隙压力差，u l 、u 2 分别为探头锥尖和锥 肩所测出孔隙水压力；m = 6 s i n0 ( 3 - s i n 咖) n 。实验常数，一般取5 l o ；n c 理论锥尖因子，可查丈献【1 1 】 中表5 5 取得；0 0 土体原位总应力等于o ；q 。净锥尖阻力，q 。飞- u 2 n k e 锥尖因子，正常固结粘土取1 0 一 1 5 ，超固结1 5 1 9 ；n 。实验常数，可查文献】表5 2 5 求得；。为修正系数，可根据土性和q 。值查文 献i l l 】中表5 8 取值；p a 参考应力( = 1 0 0 k p a ) ；k 水的容重，or r 为超固结范围内的再压缩比，一般 0 0 0 5 ( r r 0 0 2 ；c h 水平固结系数；d 探头半径( 1 7 8 r n m ) ；i r 刚度系数( o s 0 ；d u 探头透水石位置修正系数， 当透水石在锥尖时m 取1 6 3 ，在锥肩时取1 1 5 ，在大于5 倍半径以上时取0 6 2 ；n l 为孔隙水压力消散与时 间开平方线性关系的梯度c 0 ，c i 、c 2 为土的常数，查图表求得；q c i 为无量纲锥尖阻力= ( q 。，p 川o v p ) ； q o 压缩因子，o 9 l ：o 处的扎酿压力 图2 4 圆锥探头上的孔隙压力观测值与预计值 不同位置滤水器所测得的超孔隙水压力是不同的，超孔压的消散条件和消 散速率是不同的。贯入土体时，滤水器的磨损、涂抹、压缩是不同的。对土层 变化的分辨能力也是不同的。各有优缺点1 2 。 在锥尖和锥面处： ( 1 ) 测得的超孔压最大，对土层变化的反应最灵敏； ( 2 ) 孔压消散接近于圆球径向排水条件； ( 3 ) 滤水器易于磨损，易减小滤水器的渗透性，使孔压反应变得迟钝： ( 4 ) 锥尖附近土体应力条件复杂，使锥尖和锥面量测的孔压稳定性较差。 锥肩处： ( 1 ) 量测的孔压随离锥头的距离而变小： ( 2 ) 由于避开锥头底下复杂应力区，量测孔压比较稳定； i o 第2 擎孔j t 、静力触探呔验的介 “ ( ：；) 孔压消散接近j 二蹦柱轴向对称径向排水条件： ( 4 ) 滤水器不易縻损或堵塞； ( 5 ) 停止贯入时，孔压丌始阶段会h ；现略微e 升，经过一个短时期后，彳+ 逐渐消散下降，给曲线的解释造成困难： ( 6 ) 适于做不等端面积校正，大家共认的标准，最佳孔压量测位置。 滤水器的尺寸也会影响孔隙压力的量测结果 ( 1 ) 锥尖后薄的尺寸较小的透水单元，记录到的孔隙压力也很小。 ( 2 ) 较薄的滤水器测得较低孔压是由于锥尖直径较滤水器稍大而产生遮帘 作用的结果。 ( 3 ) 锥尖底面外径应与滤水器及侧壁摩擦套筒外径相同或较小，一般小 0 2 5 衄。 孔压系统的饱和问题是最重要的，对软的低渗透性土，不饱和的影响更加突 出。此影响是试验的成败关键，将在第五章详述，此处不再赘述。 2 2 3 贯入速率 贯入速率的影响，一般是由于孔隙水压力产生的影响。贯入速率不同，贯入 阻力不同，土的排水条件也不同。在常用贯入速率2 e m s 时，贯入速率稍有变化 不会对贯入阻力有大影响。在此速率下，对粘土( k l 1 0 - 7 c 州s ) 而言，处于不 排水状态；对砂土( k lx1 0 4 c m s ) ，则处在排水状态口】。 2 2 4 温度影响 孔压静力触探所用的各种传感器大多是电阻应变式的，温度的变化会产生 电阻值的变化，今儿产生零飘。产生温度变化的原因： ( 1 ) 标定时的温度与地下温度的差异； ( 2 ) 量测时应变片通电时间过长，产生电阻热； ( 3 ) 贯入过程中与土摩擦产生热量。 为减小温度的影响，一般采用温度补偿应变片来补偿温度变化对应变量测 的影响。在试验操作过程中可通过在试验前与试验后来分别读取零读数来修正 温度的影响。 2 2 5 量测的正确性 虽然电测式探头的测量正确性及重复性比机械式好得多，但是探头设计的某 絷2i ”1 14 d i i 静力触探试蛉的介? “ 些方面仍会影响测靛的i 卜确性。与传感器有父的两个：t 要误差：标定洪差和零 荷载误座。 标定误差 二要凶素：1 一颗粒沿探头接缝处进入探头。 预防措旌：设计放水、防尘“o ”形圈：经常性检验、清洗：减少标定时问 间隔。 消除零荷载误差办法：试验前后测定零荷载输出。 此外，有时会测到负的侧壁摩擦力。从受力状态看，贯入时不可能产生负 的摩擦套简应力，但是由于下列的一个或几个原因造成测量的不币确或产生负 值。它们是： ( 1 ) 由于温度变化形成负的零荷载截距，这是经常存在的原因： ( 2 ) 摩擦套筒受到边载的影响； ( 3 ) 土中有很高的孔隙压力，摩擦套筒上、下端面积不等； ( 4 ) 力传感器在小量程时精度不足。 一般在砂土内进行试验时极少发生负摩擦；在极软的粘土内，由于孔隙压力 过高而经常发生负摩擦。就其本质而言，不是“负 值，而是“值很小一，小 于设备的精度，形成“负”值。 2 2 6 探头与探杆的规格 探头形状及尺寸是影响测试成果的主要原因。试验表明，锥尖阻力及侧壁摩 擦阻力都随锥底面积的增大而减小。侧壁摩擦套筒长度增加，会使锥尖阻力增 大，侧壁摩阻力减小。摩擦套筒及探杆外径与锥底直径不同时，也会改变锥尖 阻力。 因此外形及尺寸的标准化是重要的。 2 2 7 探孔的偏斜 当探杆发生倾斜弯曲，量测的结果不能如实的反映土层的埋深，使土层变 厚及埋深增大，使成果精度降低，甚至得出错误结论。因此为防止此现象，试 验时一定要保持孔的垂直性，本论文试验所使用的孔压探头装有测斜仪，可以 计算孔斜的影响，可以有效防止孔斜因素对数据的影响。 1 2 笫2 争4 l ；f ：静力触撩试验的介? “ 2 3 孔压静探资料整理 成果应包括卜列几项： ( 1 ) 锥尖阻力或修正后的锥尖阻力与深度的关系图，q 。一b q ，一厅； ( 2 ) n 壁摩阻力随深度的变化图f 一i ，； ( 3 ) 孔隙水压力甜一厅关系曲线，静止孔隙水压力一 关系曲线。 ( 4 ) 土层柱状图；如图2 5 ( 5 ) 各土层的触探参数值见表2 2 表2 2 孔压静探试验十层参数示意表 地下水位( 曲 o 7 孔深( 珥) = 1 8 9 6 土层名层顶标高( 面层厚( 面q c ( 1 4 p a )f s ( 1 l p a )u 2 ( 船l a )q t ( m p a )f t ( m p a ) 粘土o 5 65 7 6 o 3 4 8 8o 0 1 4 7 o 1 5 6 50 4 1 3 00 0 1 3 1 粉质粘土一粘 6 3 2 o 90 5 8 7 90 0 1 8 70 1 9 1 5o 6 6 6 4o 0 1 6 8 质粉土 粉砂夹粘土7 2 22 4 40 8 6 4 50 0 2 7 50 1 3 2 8o 9 1 9 00 0 2 6 2 粘土9 6 64 3 6o 8 0 7 40 0 2 l lo 3 7 6 4o 9 6 1 80 0 1 7 3 砂质粉土、粉 1 4 0 24 9 4 4 0 4 5 7o 0 5 1 5o 0 7 7 74 7 6 o 0 5 0 7 细砂 ( 6 ) 消散试验的孔隙压力时间过程线甜一，及归一化的消散曲线如图2 6 ，图 2 7 图2 6 超孔压消散曲线 图2 7 归一化的消散曲线 壤土 耪质砧土 静泥质砧土 耪姗眇、钴主 甥质秸土砂质毡4 - 毡质粝土耪成砧土 砂土砂质耪士 耪质砧土砂质耢土 第2 擎e l i t 、t l l ，j 触探i 犬验的s l - f l j 024680 2 04 06 08 000 20 5 ； j ： j 多 叁 毛 、 ，r ：p 声 r 。i y ： 图2 5 试验基本参数与深度关系图 1 4 笫： 净4 u f 、 ? l 力触探探又的饱和殷 ，j ：定 第3 章孔压静力触探探头的饱和及标定 孔压系统的饱和，足保证萨确量测孔压的关键。如探头孔压量测系统未饱 和，则在量测时会有一部分孔隙水压力在传递过程中消耗在压缩空气上，空气 压缩后又得有一部分水量补充进入系统内。这样，就使所测的孔隙压力在数值 上比真值低一些，而且在时间上会产生较大的滞后。目前，有些人对此认识不 足，或存在侥幸心罩，致使试验失败。本论文结合上海市重点学科建设基金项 目：“孔压静力触探的饱和与标定设备的研制”对孔压静力触探探头的饱和及 标定进行了深入的研究。 3 1 孔压静探探头的饱和n 1 嘲 3 1 1 饱和液体的选择 常用来饱和孔压系统的液体有：水、硅油和甘油。 初期多用水来饱和孔压系统，但在使用时也面临着许多问题。使用该液体 饱和过的孔压系统维持饱和度比较困难，特别是对于那些地下水位比较低的场 地，在探头到达地下水位之前，一定要采取相应措施来保持孔压系统的饱和度。 硅油由于自身难溶于水，使得在油和水之间会产生表面张力，这样就导致 孔压的量测产生一定的误差。甘油的可溶性，可以克服这方面的缺陷。但是使 用甘油和硅油来作为饱和液体共同面临着一个问题，那就是会使饱和过程复杂 化。 使用硅油有如下的好处： 1 ) 与透水元件有良好的表面粘着力，当探头穿过不饱和土层时，不会发生 因液体的流失而降低饱和度； 2 ) 可选择最合适的粘滞度，以利保持孔压系统的饱和并具有足够的渗透性； 3 ) 真空排气所用的时间比用水要短。 3 1 2 饱和方法的介绍 3 1 2 1 孔压系统的室内饱和 通常，孔压系统的饱和在室内完成，在进行现场试验之前，饱和过的探头 和元件都放置在真空容器中保存。 1 5 第3 章孔压静力触探探头的饱和段怀定 1 ) 滤水器的饱和 在室内对滤水器进行饱和。首先要将滤水器烘干，在饱和液体中浸泡一段 时间。然后连同饱和液体一起放入高压真空腔中进行两个小时的抽气处理。抽 气完毕，把滤水器和饱和液体一起放入密封容器中保存以备试验之需。 当使用水作为饱和液体时可以先将滤水器放置在水中，煮沸1 5 分钟然 后置于密封容器中保存。试验过程中，允许滤水器和沸水一起在密封容器中冷 却。 2 ) 探头孔压系统的饱和 将滤水器装在探头上之后，将探头插入真空饱和容器内，对密封容器抽真 空，同时对探头施加振动，以达到全系统的充分捧气。一般需抽真空卜。2 h 。 饱和后的探头应放入充有饱和液体的容器内，带至工地备用，以免在运输 过程中伤失饱和度。 3 ) 真空饱和仪的研制 本次上海市重点学科建设基金项目，由同济大学和南光地质仪器厂联合对这 套无绳孔压静探探头的饱和设备进行了研制，开发了一套孔压探头的真空饱和 仪，如图3 1 。 图3t 真空饱和卓定机 该真空饱和率定机，主要由饱和气室、饱和液容器、真空泵、控制阀组、 精密真空压力表及高压气源等部分构成。 饱和气室是一个不锈材料制成的密封容器内径5 0 m m ，长为1 0 0 0 m m 。探 篼：；嚣孔f i 二静j 被探探火的饱车i l 及f ，j ：定 头4 lj l i 媾测系统的摊7i 、饱和及标定均存：j 窀内进行。 饱和液容器足个塑料筒，内储脱气水或其他饱和液体，它跟饱和气室年l 通， 探头4 lj i i 量测系统排气后，由它提供饱和液饱和。若需在饱和液容器内将自然 水脱气，则应将简密封，连接真空泵抽气5 一- - 2 0 h ，并旌加振动，排净水中气泡。 真空泵为2 x 型旋片式，极限真空能达6 1 0 - 2 p a 。 高压气源的气压应达l5 m p a ，气体为空气或氮气。 控制阀由真空阀、气压阀、调压阀、水阀等组成。 3 1 2 2 孔压系统的现场安装 r o b e r t s o n 和c a m p a n e l l a ( 19 8 9 ) 1 3 1 以及l a r s s o n ( 19 9 2 ) i 3 j 提出了使用甘油饱和 时，孔压系统的现场安装方法。 如图3 - 2 ，把探头锥尖朝上，卸下 锥头，在锥尖套上一个塑料漏斗，漏斗 底部直径与探杆直径大致相同。漏斗底 部再套上一个橡皮塞，减少漏斗与探杆 间的缝隙。然后缓缓的向漏斗中注入饱 和液体，利用注射器的抽射来饱和液压 传递腔。滤水器必须小心地从贮藏容器 中转入漏斗，探头以及滤水器的安装必 须在饱和液体中进行。探头安装完毕， 倒出剩余的液体，移除漏斗，然后直接将 图3 2 探头现场组装示意图 探头带至试验点准备试验。建议在探头安装完毕之后，在探头上套一层薄的橡 胶保护膜，来保持探头在转移过程中的饱和度。 当使用水作为饱和液体时，现场的操作程序会略微繁琐。条件允许下，最 好将探头放置在充满水的真空容器中保存。探头的安装也应该在水下完成。探 头安装完毕，一定要在探头上套上一层薄的橡胶保护膜来防止水份的流失。 3 2 孔压静探探头的标定 3 2 1 孔压系统的标定 3 2 1 1 孔压传感器的标定 将探头插入标定容器内，分级施加压力，同时侧记孔压传感器相应的读数 1 7 第：j 辛孔j 扛静力触探探又的饱和i 及f ，j ：定 变化 | ，逐级加入l k 力豇争额定k 力。丰，j i 定系数误差与下节所述要求相同。 探头4 l j i ：_ 篷测系统饱币n n , l - ，各控制阀心趋天闭状态，此时连接高压气源， 丌启气源丌关，并缓慢旋动调 i 阀，离爪气便进入饱和气室内，这时打丌压力 丌关，真空压力表应动作。 将探头与声波接收器连接好，并连通量测系统，就可以丌始萨是率定了。 正式率定时，对探头逐级加压、卸压，每级加荷量以1 0 0 k p a 进行。加卸荷 时，同时仔细测记每级孔压传感器对应的输出值，如此加荷、卸荷从0 位到满 载进行3 个循环。然后对率定结果进行统计。 孔压静探探头经上述饱和及率定后，拧掉气室上盖3