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1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2 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 室内试验 原位试验 缺点和优点缺点和优点VS3优点缺点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

2、构及天然应力状态下的特性。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4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震液化；

3、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5 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6载荷试验7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变形特性，是模拟建

4、筑物基础工作条件的一种测试方法 。8千斤顶千斤顶荷载板荷载板9101542713桁架 试验反力装置试验反力装置 101.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，根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的

5、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11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

6、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12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00uappfpK1314确定地基土变形模量确定地基土变形模量200101式中 : -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

7、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 IddII14十字板剪切试验1516 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

8、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17 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

9、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，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。18 基本原理基本原理19

10、 基本原理基本原理HD加扭力矩钻杆DHDrdr2021122uuDMcDHcD H232u1212c4326uDMcDD212u1c23DMMMDHu22cD ()3MDH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。 21（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

11、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： ()fMpf R22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 uf22Rc(pf)DD (H)322RkDD (H)3则有：则有： ufck(pf)23（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

12、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。24n 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

13、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25 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23mn 十字板头插入孔底的深度不应小于钻孔或套管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)10

14、s，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1minn 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26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破坏假设试验方法 和设备土的扰动27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

15、强度越大，增长的很快；对低塑性粘土(Ip7粘性土8铁四院f0=0.112Ps+0.0050.0850.9软土4849序号提出者经验关系式范围值PS(qc)土层9武汉冶金勘察公司f0=0.02Ps+0.055.0长江中下游粉细砂土10铁一、四院f0=0.044Ps+0.051.011.0中粗砂11同济大学等f0=0.055Ps+0.045上海粉土12陕西综合堪察院f0=0.0878Ps+0.024湿陷性黄土13原一机部勘测公司f0=0.098qc+0.019黄土地基14大庆油田、长春地院（1996）f0=0.089qc+0.075f0=0.108qc+0.0644f0=0.0813qc+0.06

16、9大庆粘性土、粉土、大庆粘性土大庆粉土15荷兰，比利时f0=(0.0330.025)qcf0=0.1qc砂土粘性土4950评定土的变形指标评定土的变形指标5051 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，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

17、用桩基应用niisspcfdpLfUAqqqqii15152标准贯入试验52535354u 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

18、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5455u 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，

19、地层优点：操作简单、使用方便，地层适用性较广。适用性较广。u缺点：试验数据离散性较大，精度缺点：试验数据离散性较大，精度较低，对于饱和软粘土，远不及十较低，对于饱和软粘土，远不及十字板剪切试验及静力触探等方法精字板剪切试验及静力触探等方法精度高。度高。 适用性与优缺点适用性与优缺点5556u仔细清除孔底残土到试验标高，换用标准贯入器，并量得仔细清除孔底残土到试验标高，换用标准贯入器，并量得深度尺寸；深度尺寸；u须保持孔内水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持须保持孔内水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持孔底土处于平衡状态，不使孔底发生涌砂变松，影响孔底土处于平衡状态，不使孔底发生涌砂变松

20、，影响N值；值；u当下套管时，要防止套管下过头，否则在管内做试验会使当下套管时，要防止套管下过头，否则在管内做试验会使N值偏大；值偏大；u钻孔直径不宜过大，以免加大锤击时探杆的晃动；钻孔直钻孔直径不宜过大，以免加大锤击时探杆的晃动；钻孔直径过大时，可减少径过大时，可减少N至至50%，建议钻孔直径上限为，建议钻孔直径上限为100mm，以免影响以免影响N值。值。u标贯试验不宜在含有碎石的土层中进行，只宜用于粘性土、标贯试验不宜在含有碎石的土层中进行，只宜用于粘性土、粉土和砂土中，以免损坏标贯器的管靴刃口。粉土和砂土中，以免损坏标贯器的管靴刃口。 技术要求技术要求5657 成果运用成果运用 SPT SPT试验试验 成果运用成果运用评定地基承载力评定地基承载力估算单桩极限承载力估算单桩极限承载力评定土的变形指标评定土的变形指标评定土的强度指标评定土的强度指标 评定土的密实状态评定土的密实状态5758评定地基承载力评定地基承载力线性关系，进行回归分析线性关系，进行回归分析5859 评定土的密实状态评定土的密实状态5960评定土的强度指标评定土的强度指标用标贯试验成果，可以评定用标贯试验成果，可以评定砂土的内摩擦角砂土的内摩擦角和和粘性土的不排水抗剪强度粘性土的不排水抗