土工现场试验

1、 土工现场试验土工现场试验 主讲人：陈主讲人：陈 静静 高等土力学高等土力学 l原位测试原位测试（In-Situ Testing ）：在岩土体原有的位置上， 在保持岩土的天然结构、天然含水量以及天然应力 状态条件下测定岩土性质称为原位测试。 l土体原位测试土体原位测试：一般指的是在工程地质勘察现场， 在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测 试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土 层一种土工勘察技术。 概概 念念 为何要进行为何要进行 原位试验？原位试验？ 测定地基土 的力学性质 VS u 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

2、。 u 原位测试所涉及的土尺寸 较室内试验样品要大得多， 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。 u 可重复进行验证，缩短试 验周期。 u 难于控制测试中的边 界条件，如测试周围土层 的排水条件和应力条件 根据不同测试方法（包括根据不同测试方法（包括CPTCPT、DPTDPT、PLTPLT、VSTVST、SPT SPT 等等）其应其应 用可归纳为：用可归纳为： n 土层土类划分；土层土类划分； n 求天然地基承载力；求天然地基承载力； n 测定土的物理力学性质指标；测定土的物理力学性质指标； n 在桩基勘察中的应用；在桩基勘察中的应用； n 评价砂土和粉土的地

3、震液化；评价砂土和粉土的地震液化； n 求解土的固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度等；求解土的固结系数、渗透系数及不排水抗剪强度等； n 检验压实填土的质量及强夯效果；检验压实填土的质量及强夯效果； n 进行浅基础的沉降计算；进行浅基础的沉降计算； 原位试验的应用原位试验的应用 载荷试验（PLT） 十字板剪切试验（VST） 静力触探试验（CPT） 标准贯入试验（SPT） 其他原位测试简介 载荷试验 平板静力载荷试验(PLT: plate load test)，在保持地基土天然状态 下，在挖至设计的基础埋置深度的平整坑底放置一定规格的方 形或圆形承压板在上逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土 的

4、变形特性，是模拟建筑物基础工作条件的一种测试方法 。 千斤顶千斤顶 荷载板荷载板 10 1 5 4 2 7 13桁架 试验反力装置试验反力装置 1.试坑的尺寸及要求：浅层平板载荷试验的试坑试坑的尺寸及要求：浅层平板载荷试验的试坑宽度或直径不宽度或直径不 应小于应小于承载板宽度或直径的三倍。试坑底部岩土应避免扰动，承载板宽度或直径的三倍。试坑底部岩土应避免扰动， 保持其原状结构和天然湿度，在承压板下保持其原状结构和天然湿度，在承压板下铺设铺设不超过不超过20mm的的 砂垫层砂垫层并找平。并找平。 2.承载板的尺寸：载荷试验宜采用承载板的尺寸：载荷试验宜采用圆形刚性圆形刚性承载板，根据土的承载板，

5、根据土的 软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸；对于浅层平板试验，承软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸；对于浅层平板试验，承 压板面积不应小于压板面积不应小于0.25m2，当在软土和粒径大的填土上进行试，当在软土和粒径大的填土上进行试 验时，承压板尺寸不应小于验时，承压板尺寸不应小于0.5m2. 3.加载方式：慢速法（常用）、快速法、等沉降速率法加载方式：慢速法（常用）、快速法、等沉降速率法 试验技术要求试验技术要求 平板载荷试验平板载荷试验 成果运用成果运用 确定地基土的容许承载力确定地基土的容许承载力 确定地基土变形模量确定地基土变形模量 估算地基土的不排水强度估算地基土的不排水强度 确定地基土

6、的基床反力系数确定地基土的基床反力系数 估算砂土地基实际基础的沉降估算砂土地基实际基础的沉降 试验成果应用试验成果应用 确定地基土的容许承载力确定地基土的容许承载力 （1 1）以压力为依据）以压力为依据 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。 （2 2）以相对沉降量为依据）以相对沉降量为依据 取s/b=0.02，即p0.02 （3 3）极限荷载法）极限荷载法P PU U P-s曲线上的第二个拐点对 应的荷载 0 0 u a pp fp K 14 确定地基土变形模量确定地基土变形模量 2 001 0 1 式中 :

7、 -承压板直径（或边长）； - -曲线的斜率； -土体的泊松比； -当承压板位于半无限体表面时的影响系数； -当承压板在半无限体表面以下为深度时的修正系数 EI Id d I I 十字板剪切试验 十字板剪切试验（十字板剪切试验（Vane Shear Test）是一种通过对插入地）是一种通过对插入地 基土中的规定形状和尺寸的十字板头施加扭矩，使十字板头基土中的规定形状和尺寸的十字板头施加扭矩，使十字板头 在土体中等速扭转形成圆柱状破坏面，通过换算、评定地基在土体中等速扭转形成圆柱状破坏面，通过换算、评定地基 土不排水抗剪强度的现场试验。土不排水抗剪强度的现场试验。 该试验所测得的抗剪强度值，相当

8、于试验深度处天然土层该试验所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层 在原位压力下固结的在原位压力下固结的不排水抗剪强度不排水抗剪强度，由于十字板剪切试验，由于十字板剪切试验 不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变，不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变， 是一种有效的现场测试方法。是一种有效的现场测试方法。 概念概念 VST主要用于测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。主要用于测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。 优点：优点： (1) 不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土，可不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土，可 以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行

9、扭剪。以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪。 所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。 (2) 野外测试设备轻便，操作容易。野外测试设备轻便，操作容易。 (3) 测试速度较快，效率高，成果整理简单。测试速度较快，效率高，成果整理简单。 缺点：缺点： 仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对 硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十 字板头。字板头。 适用土性：适用土性：被沿海软土地区广泛使用，适用于灵敏度被沿海软土地区广泛使用，

10、适用于灵敏度 St=10、固结系数、固结系数cv=100(m2/a)的均质饱和软粘土。的均质饱和软粘土。 基本原理基本原理 基本原理基本原理 H D 加扭力矩 钻杆 D H D r dr 2 1 1 22 uu D McDHcD H 23 2u 121 2c 4326 u D McDD 2 12u 1 c 23 D MMMDH u 2 2 c D () 3 M D H 则则 式中，式中，cu 十字板抗剪强度；十字板抗剪强度； D 十字板头直径；十字板头直径； H 十字板头高度。十字板头高度。 （1）普通十字板仪）普通十字板仪 对于普通十字板仪，上式中的对于普通十字板仪，上式中的M值应等于试验测

11、得值应等于试验测得 的总力矩减去轴杆与土体间的摩擦力矩和仪器机械摩阻的总力矩减去轴杆与土体间的摩擦力矩和仪器机械摩阻 力矩，即：力矩，即： pf剪损土体的总作用力；剪损土体的总作用力； f轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械阻力，试验时通轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械阻力，试验时通 过使十字板仪与轴杆脱离进行测定；过使十字板仪与轴杆脱离进行测定； R施力转盘半径。施力转盘半径。 将上式代入将上式代入cu表达式，得：表达式，得： () f Mpf R 前面的系数对于一定规格的十字板仪来说为一常量，称为前面的系数对于一定规格的十字板仪来说为一常量，称为 十字板常数十字板常数k，即，即 uf 2 2R c

12、(pf) D D (H) 3 2 2R k D D (H) 3 则有：则有： uf ck(pf) （2 2）电测十字板仪）电测十字板仪 对于电测十字板仪，由于在十字板头和轴杆之间有贴电阻对于电测十字板仪，由于在十字板头和轴杆之间有贴电阻 应变片的扭力柱连接，扭力柱测定的只是作用在十字板头上应变片的扭力柱连接，扭力柱测定的只是作用在十字板头上 的扭力。因此，在计算土的抗剪强度时，不必进行轴杆与土的扭力。因此，在计算土的抗剪强度时，不必进行轴杆与土 体间的摩擦力和仪器机械摩阻力修正。体间的摩擦力和仪器机械摩阻力修正。 n 平整场地，安装机架，并固定平整场地，安装机架，并固定 n 把板头压至测试深度

13、把板头压至测试深度 n 卡住钻杆，并调零卡住钻杆，并调零 n 转动手柄，旋转钻杆，使板头产生扭矩转动手柄，旋转钻杆，使板头产生扭矩( (每每1010秒使摇柄转动一秒使摇柄转动一 圈，每转动一圈测记应变读数一次）圈，每转动一圈测记应变读数一次） n 测量扭矩直至峰值出现测量扭矩直至峰值出现 n 松动钻杆松动钻杆 n 完全扰动测试土体，重复完全扰动测试土体，重复2-52-5步骤测量扰动土的剪切强度步骤测量扰动土的剪切强度 操作步骤操作步骤 技术要求技术要求 n 十字板板头形状宜为矩形，径高比十字板板头形状宜为矩形，径高比1：2，板厚宜为，板厚宜为23m n 十字板头插入孔底的深度不应小于钻孔或套管

14、直径的十字板头插入孔底的深度不应小于钻孔或套管直径的35倍。倍。 n 十字板插入至试验深度后，至少应静止十字板插入至试验深度后，至少应静止23min，方可开始，方可开始 试验试验 n 施加扭转力矩时，扭转剪切速率宜采用施加扭转力矩时，扭转剪切速率宜采用(12)10s，并，并 应在测得峰值强度后继续测记应在测得峰值强度后继续测记1min n 在峰值强度或稳定值测试完后，顺扭转方向连续转动在峰值强度或稳定值测试完后，顺扭转方向连续转动6圈后，圈后， 测定重塑土的不排水抗剪强度测定重塑土的不排水抗剪强度 试验影响因素试验影响因素 试验试验 影响因素影响因素 扭转速率 土的各 向异性 排水条件 圆柱面

15、破 坏假设 试验方法 和设备 土的扰动 所谓土的各向异性是指抗剪强度在土体空间的变化规律。 产生各向异性的原因在于：土的成层性和土中应力状态的 不同。前面所讲的圆柱剪切面的标准试验计算公式，是在 均匀等向的前提下推导出来的。 土的各 向异性 扭转速率 对高塑性粘土(Ip4030)，剪切速率越大抗剪强度 越大，增长的很快；对低塑性粘土(Ip20)变化幅度不大 目前，国内外大多采用110 s的旋转速率，此时基本属 于不排水状态。 排水条件 土的扰动 十字板厚度愈大、轴杆愈粗，则插入土中引起的扰动愈大。 测定结果为土的不排水抗剪强度（=0时的C值），实际中 已经有部分排水，测得结果一般偏大 圆柱面破

16、 坏假设 十字板在土中旋转时，板头上下两端面上应力和位移不均 匀，圆柱体侧向剪切力和剪应变也不均匀。剪切面上各点 土的峰值强度不在同一转角达到，因此峰值强度并不真实。 试验方法 和设备 诸如十字板的大小对结果的影响，以及操作上的影响 其他 成果运用成果运用 VST VST试验试验 成果运用成果运用 估算地基的容许承载力估算地基的容许承载力 评价地基土的原位状态评价地基土的原位状态 用于测定地基强度变化用于测定地基强度变化 用于测定软粘性土的灵敏度用于测定软粘性土的灵敏度 预估桩周土的极限摩阻力预估桩周土的极限摩阻力 承载力的计算主要取决于土的不排水抗剪强度。如中国建筑科学承载力的计算主要取决于

17、土的不排水抗剪强度。如中国建筑科学 研究院的经验：研究院的经验： 式中，式中，fk地基承载力标准值；地基承载力标准值； 土的重度；土的重度； h基础埋置深度。基础埋置深度。 ku（使用值） f2ch 十字板剪切试验主要用途就是确定天然不排水抗剪强度。该法主要十字板剪切试验主要用途就是确定天然不排水抗剪强度。该法主要适用适用 于饱和软粘土于饱和软粘土，砂性土或粉性土砂性土或粉性土要要慎重慎重使用，对含有夹层的地基应剔除使用，对含有夹层的地基应剔除 偏大的数值，之后分层取平均值。偏大的数值，之后分层取平均值。 估算地基的容许承载力估算地基的容许承载力 预估桩周土的极限摩阻力预估桩周土的极限摩阻力

18、欧美国家习惯会用欧美国家习惯会用Cu预估粘性土特别是饱和软粘土中单桩的极限承载力预估粘性土特别是饱和软粘土中单桩的极限承载力 qp和极限侧摩阻力和极限侧摩阻力fp 9 pu qCh pu fC 为经验系数，和土类、桩的尺寸及施工方法有关。为经验系数，和土类、桩的尺寸及施工方法有关。 在快速堆载条件下，由于土中孔隙水压力升高，软弱地基的强度会降低。但在快速堆载条件下，由于土中孔隙水压力升高，软弱地基的强度会降低。但 是，经过一定时间的排水，强度又会恢复，并且将随土的固结而逐渐增长。是，经过一定时间的排水，强度又会恢复，并且将随土的固结而逐渐增长。 若采用十字板剪力仪测定地基强度的这种变化情况，可

19、以很方便地为控制施若采用十字板剪力仪测定地基强度的这种变化情况，可以很方便地为控制施 工加荷速率提供依据。工加荷速率提供依据。 用于测定地基强度变化用于测定地基强度变化 用于测定软粘性土的灵敏度用于测定软粘性土的灵敏度 在测定原状土的天然强度之后，将十字板旋转在测定原状土的天然强度之后，将十字板旋转6 6阁，然后重复进行试验，阁，然后重复进行试验， 又测得扰动土的强度，二者的比值即为灵敏度又测得扰动土的强度，二者的比值即为灵敏度St St，即，即 u t u c S c 评价地基土的原位状态评价地基土的原位状态 利用十字板不排水抗剪利用十字板不排水抗剪 强度与深度的关系曲线，强度与深度的关系曲

20、线， 可判断土的固结应力历可判断土的固结应力历 史史 静力触探试验 概念概念 静力触探试验（静力触探试验（Static Cone Penetration TestStatic Cone Penetration Test） 指通过一定的机械装置，将某种规格的金属指通过一定的机械装置，将某种规格的金属 肩探头用静力压人土层中，同时用传感器或肩探头用静力压人土层中，同时用传感器或 直接量测仪表测试土层对触探头的贯人阻力直接量测仪表测试土层对触探头的贯人阻力 ，以此来判断、分析、确定地基土的物理力，以此来判断、分析、确定地基土的物理力 学性质。学性质。 静力触探试验适用于粘性土、粉土和砂土，静力触探试

21、验适用于粘性土、粉土和砂土， 主要用于主要用于划分土层、估算地基土的物理力学划分土层、估算地基土的物理力学 指标参数、评定地基土的承载力、估算单桩指标参数、评定地基土的承载力、估算单桩 承载力及判定砂土地基的液化等级承载力及判定砂土地基的液化等级等。等。 由于触探机理的复杂性，还没有统一的认识，目前只能建立经验公式，目前由于触探机理的复杂性，还没有统一的认识，目前只能建立经验公式，目前 主要近似理论分为三大类：主要近似理论分为三大类： 1. 1.承载力理论分析承载力理论分析适用于临界深度以上、无压缩性土层的贯入情况适用于临界深度以上、无压缩性土层的贯入情况 2. 2.孔穴扩张理论分析孔穴扩张理

22、论分析适用于压缩性土层适用于压缩性土层 3. 3.稳定贯入流体理论分析稳定贯入流体理论分析适用于饱和软粘土适用于饱和软粘土 当圆锥头贯入土体中，土体既有当圆锥头贯入土体中，土体既有压缩压缩，又有，又有剪切剪切，既有，既有挤密挤密，又有，又有剪剪 胀胀，既有，既有固结固结，又有，又有塑滑塑滑。因此所测到的贯入阻力，是这些力学机理错综复。因此所测到的贯入阻力，是这些力学机理错综复 杂地交织在一起的综合力学反应，杂地交织在一起的综合力学反应，CPT CPT 指标叫指标叫“ “ 比贯入阻力比贯入阻力”（Specific Specific Penetration ResistancePenetratio

23、n Resistance）。任何单一的力学模型都无法描述这种过程）。任何单一的力学模型都无法描述这种过程 CPT CPT 的应用是的应用是实验土力学实验土力学（Experimental Soil MechanicsExperimental Soil Mechanics）的课题，而）的课题，而不是不是 理论土力学课题理论土力学课题（王锺琦，（王锺琦，20082008） 静力触探机理静力触探机理 单桥探头只能测定一个触探指标比贯入阻力p ps s A P p s 双桥探头 同时测出锥尖阻力q qc c和侧摩阻力f fa a A Q q c c F P f f a 电缆电缆 传感器传感器 传感器传感

24、器 传感器传感器 单桥探头单桥探头双桥探头双桥探头 技术要求技术要求 试验影响因素试验影响因素 试验试验 影响因素影响因素 临界深度 贯入器尺 寸效应 土侧压力和 自重压力 贯入速率 贯入阻力随探头直径增大而减小，但是影响不是很明显贯入阻力随探头直径增大而减小，但是影响不是很明显 贯入器尺 寸效应 临界深度 探头锥尖阻力探头锥尖阻力qc不会随着贯入深度无限增大，而是存在临不会随着贯入深度无限增大，而是存在临 界深度时候有个限值界深度时候有个限值 土侧压力和 自重压力 贯入速率 如果贯入速率大于如果贯入速率大于1cm/s以上时，读数受贯入速率的影响很以上时，读数受贯入速率的影响很 小，实际中，静

25、力触探的贯入速率一般用小，实际中，静力触探的贯入速率一般用2cm/s 侧压力和自重压力对触探指标也有影响侧压力和自重压力对触探指标也有影响 成果运用成果运用 CPT CPT试验试验 成果运用成果运用 划分土层和判别土类划分土层和判别土类 桩基应用桩基应用 评定土的变形指标评定土的变形指标 评定地基容许承载力评定地基容许承载力 评定土的强度和状态指标评定土的强度和状态指标 43 划分土层和判别土类划分土层和判别土类 l绘制绘制CPTCPT的贯入曲线（包括的贯入曲线（包括q qc c-H-H，f fa a-H-H，F-H F-H ），），然后根据相近的然后根据相近的q qc c、 f fa a和和

26、F F，将触探孔分层将触探孔分层力学分层，并计算各参数的平均值，并力学分层，并计算各参数的平均值，并 定土名。定土名。 p单桥探头单桥探头 根据根据p ps s， p ps s 大的一般为砂层，大的一般为砂层， p ps s 小的一般为粘土层。小的一般为粘土层。 p双桥探头双桥探头 在划分土类时，以在划分土类时，以q qc c为主，结合为主，结合fa fa（或或F F），），并在同一层内的触探并在同一层内的触探 参数值基本相近为原则。参数值基本相近为原则。 不同的土有不同的不同的土有不同的F F，砂类土砂类土 F F通常小于或等于通常小于或等于1 1，粘性土，粘性土F F常大于常大于2 2。

27、a 100 c f F q 44 划分土层界线划分土层界线 45 46 评定土的强度和状态指标评定土的强度和状态指标 cc u c q c N （1 1）粘性土不排水抗剪强度）粘性土不排水抗剪强度线性关系 （2 2）砂土内摩擦角和相对密实度）砂土内摩擦角和相对密实度DrDr 47 评定地基容许承载力评定地基容许承载力 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。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

28、物用于一般的建筑物 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。公式有影响，经验公式有地区性。 48 地基基本承载力地基基本承载力f0与与PS (qc)经验关系式经验关系式(Mpa) . 49 50 评定土的变形指标评定土的变形指标 51 静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探相当于静力触探机理和桩的作用机理类似，静力触探相当于 沉桩的模拟试验。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。周土的扰动大

29、，沉降速度慢。 应与桩载荷测试配合使用，互相验证。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：静力触探法计算单桩极限承载力的基本公式如下： 桩基应用桩基应用 n i isspcfdp LfUAqqqq ii 1 52 标准贯入试验 53 54 u 标准贯入试验标准贯入试验(Standard Penetration Test ，SPT)是一种在现场是一种在现场 用用63.5kg的穿心锤，以的穿心锤，以76cm的落距自由落下，将一定规格的带的落距自由落下，将一定规格的带 有小型取土筒的标准贯入器打入土中，记录打入有小型取土筒的标准贯入器打入土中，记录打入30cm

30、的锤击数的锤击数 （即标准贯入击数（即标准贯入击数N），并以此评价土的工程性质的原位试验。），并以此评价土的工程性质的原位试验。 其试验原理与动力触探试验十分相似。其试验原理与动力触探试验十分相似。 u但但SPT与动力触探在贯入器上的差别，决定了与动力触探在贯入器上的差别，决定了SPT的基本原理的基本原理 的独特性，的独特性，SPT在贯入过程中，整个贯入器对端部和周围土体在贯入过程中，整个贯入器对端部和周围土体 将产生挤压和剪切作用，将产生挤压和剪切作用，SPT的贯入器是空心的，在冲击力作的贯入器是空心的，在冲击力作 用下，将有一部分土挤入贯入器，其工作状态和边界条件十分用下，将有一部分土挤入贯入器，其工作状态和边界条件十分 复杂。复杂。 概念与原理概念与原理 55 u 适用土层：砂性土、粘性土，不适适用土层：砂性土、粘性土，不适 用于碎石类土及岩层。用于碎石类土及岩层。 u 优点：操作简单、使用方便，地层优点：操作简单