10工程地质20分-原位测试技术

第十四讲原位测试技术本讲主要讲述原位测试技术：载荷试验、板剪切试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、旁压试验、扁铲侧胀试验。二、重点难点原位测试与室内土工试验相比，具有以下主要可以测定难以取得不扰动土样(如饱和砂土、粉土、流塑淤泥及淤泥质土、贝壳层等)的有关工程力学性质；可以避免取样过程中应力的影响工程地质原位测试的主要方法有：静力载荷试验、触探试验、剪切试验和地基土动力特性试验与现场渗透试验等。【例题1】下列不属于原位测试的是 ）载荷试触探试现场渗透试(一)静力载荷试验用静力载荷试验测得的压力P(kpa)与相应的土体稳定沉降量S(mm)之间的关系曲P～S曲线)，按其所反映土体的应力状态，一般可划分为三个阶段，如图16-7-5第IP～S曲线的原点到比例界限P0(P0称临塑压该阶P～S成线性关系，故称之为直线变形阶段。II阶段：从P0到极限压力PU，P～S曲线由直线关系转变为曲线关系，其曲线斜率随压力P增加而增大。这个阶段除土体的压密外，在承压板边缘已有显然，当建筑物基底附加压力≤P0时，地基土的强度是完全保证的，且沉降也较小。而当基底附加压力大于P0小于PU时，地基土体不会发生整体破坏，但建筑物的沉降量较大。静力载荷试验可用于下列目的(2)估算地基土的变形模量E0、不排水抗剪强度Cu和基床反力系数Kv。【例题2】做现场静力载荷试验时的实验位置为 ）A.基础埋置深度以上B.基础埋置深度以下C.基础埋置深度处D.地表 【例 3利用现场静力载荷试验不可以确定或估算地基土的项目 A.临塑荷载B.极限荷载C.弹性模量D.基床反力系数16-7-6几种常见的载荷试验目前工程上常用的是70.7cm×70.7cm和50cm×50cm。到在承压板边缘的塑性变形影响，承压板的面积不应小于5000cm2。试验的也就增大。故除了专门性的研究外，通常仍然采用5000cm2的承压板。在软但不同埋深对P0影响。加随埋深而增大，其变化规律与试验深度处土体原始有效覆盖为了排除承压板周围超载的影响，试验标高处的坑底宽度不应小于承压板直(或宽度)的3倍，并应尽可能减小坑底开挖和整平对土层的扰动，缩短开挖与试于水位时，应先将水位降低至试验标高以下，并在试坑底部敷设5cm厚的砂垫增量(即加荷等级)一般取被试地基土层预估极限承载力的1/10～1/810.01mm。各级荷载下沉降相对稳定标准一般采用连续2h的每小时沉降量不超过0.1mm1时的每30min沉降量不超过0.05mm。试验点附近应有取土孔提供土工试验指标，或其他原位测试资料，试验后应在承压板中心向下开挖取土试验，并描述2.0倍承压板直径(或宽度)范围内土层的结构变静力载荷试验过程中出现下列现象之一时认为土体己达到极限状态，应终承压板周围的土体有明显的侧向挤出或发生裂纹24h内，沉降随时间趋于等速增加s／b≥0.06～0.08确定地基的承1)强度控以P～S线对应的比例界限压力或临塑压力作为地基土极限承载力的基本值。当 曲线上有明显的直线段时，一般使用该直线段的终点所对应的压力为例界限压力或临塑压力P0，见图16-7-7。P～S上没有明显的直线段时曲线或P～ 16-7-8、图16-7-9。根据相对沉降量s／b，即沉降量和承压板的宽度或直径之比来确定地基承载力。若承压.05s／b=0.023)极限荷载若比例界限压力P0和极限承载力PU接近，即当P～S曲线上的比例界限点出现后，土体很快达到破坏时，可以用PU除以安全系数K作为地基土承载力的基本值；当P0与极限荷载PU接近P～S线上既有P0PU可按下式计算地基承载力基本值：(16-7-式 fo一地基承载力基本值；Fs一经验系数，一般取为地基极限承载力的确定可以用如下方耸用p,.._,s曲线lgp～笭曲线或P~—－曲线的第二转折对应点荷载作为地基极限承载力竿111取相对沉降s/b=0.06111［例题4]地基土载荷试验的每纽荷载培呈一般取被试地基土层预估极限承载力的 111 111

B.— --D---D-

答案［例题5]对千饱和软土载荷试验时载荷板的面积可选用 A.1000c B. D. 答案［例题6]根据载荷实验悍到的P~＄曲线，确定地莘的承载为的方法中不包括 强度控 相对沉降控 极限荷载 拐点［例题7]当采用极限荷载法计草地基承载力基本佴时，如果凡＝140kpa,=160)a，安全系数为2，此时地基的承载力基本倌为（A. B. C. D. 答案心［例题8]在载荷实验P～一曲线的第二转折对应点荀载为 孕 极限承载 B.临塑荷 比例界限荷 承载力兰本确定地基土的可用下式计笙地基土的变形模呈=(1-u)志

(16-7-式中B—承压板宜径，当为方形板时B=2尸，A为方形如面积穴凡一比例界限荷载 岛一比例界限荷载对应的沉降呈u一土的泊松比，砂土和粉土为0.33,可塑～硬塑粘性土取0.38,软塑～流塑粘性土和淤泥质粘性，u=0.41口估笙地基土的不排水抗剪强度饱和软粘性土的不排水抗剪强度Cu可以用快速法载荷试验（不排水条件）的极限压力Pu按下式进行估宜Pu-Cu＝式中Pu—快速荷载试验所悍极限压力；P。—承压板周边外的超载或土的自垂应估草地莘土莘床反力系数根据宦规法载荷试验的p,-._,.s曲线可按下式确定载荀试验基床反力系数pKT- (16-7-式中 /s-P,-._,.S曲线直线段的斜率为p,-._.s关系曲线无初始直线段，P可取临塑荷载凡的一半，S为相应于该P的沉降倌口基准基床反为系数Kv1可以由载荀试验基床反力系数Kv按下式求出A.载荷板一倍宽度的深度以 B.载荷板二倍宽度的深度以 的自动和自动绘制静力触探曲线，反映土层剖面的连续变化，操作快捷。静力触探的主要优点是连续、快速、精确；可以在现场直接测得各土层的贯入阻力这对于地基土层在竖向变化比较复杂，而用其他常规勘探不可能大密度取土或测试【例题12】下列哪些土层不适合应用静力触探 ）A.饱和粉土B.软粘土C.饱和粉砂 贯入；另一部分是传动系统，目前国内外使用的传动系统有和机械的两种；第三部触探仪按其传动系统可分为：电械式静力触探仪、式静力触探仪和手摇轻型链常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头和孔压探头。根据实际工程所需测定的地基土层参数选用单桥探头或双桥探头，探头圆锥截面积以10cm2为宜，也可使用5cm2。(1)单桥探头单桥探头只能测定一个触探指标—比贯入阻力PS，该指标的基本概念为这一贯入阻力对应于一定几何形状的探头，因此是相对贯入阻力，经大量试验研究，按规范确定的探头规格，则触探结果不受其规格尺寸的影响。PS值是探头锥尖底面积A与总贯入阻力P的比值P

—(16-7-A总贡入阻力P包括了锥尖阻力和侧壁库擦力两部分的综合作用，故P倌称为比贡入阻力或视贡入阻力．单就圆锥体的贲入来说，它所受的阻力大小只取决于土体的抗剪强度，而与土的压缩t生无关．为了使P,，恒同时能反映土的变形特征，在探头的设计制作中有竞识地在圆锥头底部堵设了一个圆柱库摆套筒几幸擦筒的长度L与锥底直径d的比恒L.Id控制在16_..2_0以使锥头贲入土层中产生的向上挤出的犁形滑动面能直接作用于侧壁上，诸加阑库阻作用．千是圆柱套简与土层的库阻力便形成了一个通过探头质心的等效栠中荷载，像桩对土层的压缩作用一祥，从而使P,＇倌也能反映出土层的压缩性．所以，比要入阻力P,，是锥尖阻力和阑壁库阻力的综合反映【例题13]对单桥探头的静力触探而言，关于比贲入阻力民的论述，正确的是 比贲入阻力P,，是锥尖阻力的反 比贲入阻力P,，是刺壁库阻力的反比贲入阻力凡是锥尖阻力和侧壁库阻力的综含反D.比贲人阻力P,，剿壁库阻 答案(2)双桥探双桥探头能同时淜出锥尖阻力q心和剿壁库阻力Js．故可用千单桩的梪型试验，分别讥l甘导单桩桩尖承载力和剌壁力锥尖阻力q心和刺壁库阻力Js分别定义如下AJs＝F

(16-7- Qc,Q士一分别为锥尖总阻力和刺壁库阻力；A,F一分别为锥底截面面积和库擦尚表面积在群力触探的整个过程中，探头应匀速、垂直地压人土层中，贲人速率一般控制在(1.2士 为土0.51/.,-._.-1.01/..在现场试验时，应检验现场的归孛误差芍1/.I它是试验质呈的重要指标．铮力触探淜试时，淙痉记录误差范围一般为土11/..当贲入淙痉>50m时，应噩训触探孔的谝斜痉，校正土的分层界2．铮力触探试验的目的和适用条蒂力触探试验适用千粘性土、粉土和砂土，设备的赁人能力必须满足削试土t生、深度等蒂要，反力必须大千赁人力蒂力触探试验可以用千下列目的根据贡入阻力曲线的形态特征或数倌变化呃理划分土数．(3)评定地基土的承载力．选择桩基持力层、估草单桩极限承载力，判定沉桩可能判定场地池栗液化势3.蒂力触探试验成果的应辞力触探试验的主要成果有：比贡入阻力～深度(P;'.'"'h)关系曲线（图16-7-10)；锥尖阻力～淙度(qc~h)关系曲线（16-7-11)；剌壁库阻力～淙痉(fs~h)关系曲线（图16-7-11)和库阻比～深度（沁～h)关系曲线（图16-7-12)口库阻比沁的定义R—

(16-7-根据目前的研究与经验，静力触探试验成果的应用主要有下列几个方划分土层界在涅筑物的基础设计中，对千地基土结含地质成因，按土的类型及其物理力学性质进行分层是很垂要的，特别是在桩基设计中，桩尖持力层的标商及其起伏程度和厚度变化，是确定桩长的重要设计依据口根据静探曲线（图16710～图16711)对地基土进行为学分层，或参照钻孔分层结合蒂探,，及qc及fa评定地基土的强度参l)粘性由于静力触探试验的贲入速率较快，因此对垂驯粘性土的不排水抗剪强度是一种可行定的函数关系，而且将大呈的驯试数据经数理统计分析，其相关性都很理想口2)砂砂土的重要力学参数是内库擦角＄，我国铁道部信争力触探技术规则》提出了估笙砂土的内库摆角评定土的变彩参大呈研究成果表明，在临界淙度以下贲人时，土体压缩变形起著重要作用，因此，无论从理论上还是将锥尖阻力或比赁入阻力s与土的压缩桓量Es和变形桓呈马的数理统计分析方面，都反映了qc（或Ps)与压或邑等变形指标有某种很II沁杂-1-灰色-9-以图］6lO静力灶探fl,-fi曲实用适用来硬壳同济大学淤泥质粘灰色粉一般粘性 建设部综勘 联合淤泥质土、一般粘性 老粘f0=5.25-中、粉、长江中下游粉、细砂水位 冶金勘察f0=150lgPs-粘质省设计圆锥动力触探轻型超重型规直径截面积落锤质量落距能量探杆直径触探指标(击锤击数锤击数锤击数最大贯入深度备能量指数nd=MHg／A，式中：M为锤的质量H为锤的落距(cm)；A为探头截面积［例题15】下列各项中不屈于回锥动力触探试验的是 标准贲人试 轻便触 重型触【例题16】盂型动力触探试验的锤重为 ）

超重型触 答案 B. C. D. 答案动力触探的技术应采用自动落锤装置口如：抓勾式、轮式、钢球式、滑诮式和滑漕式等口锤的脱落方式可分为：碰式和缩径式两种．前者动作可军，但如橾作不当，易反向湮出，影响试验成果；后者无反向击，但导向杆易被居损发生故陓口触探杆连接后的虽初5m的录大谝斜度不应超过lx,大于5m后的录大偏斜理不应超过2口试验开始时，应保持探头与探杆有很好的垂宜导向，必要时可以预先钻孔作为垂宜导向．锤击要人应连续进行，不能间断，锤击速率一般为每分钟15,-._.30击．在砂土和碎石类土中，锤击速率对试验成果影响不大，锤击速率可培加到每分钟60击．锤击过程应防止锤击谝心、探杆歪斜和探杆侧向晃动．每贲人m，应将探杆转动约一圈半，使触探杆能保持垂互贲人，并威少探杆的刺向阻力口当贡人淙度超过10m,每贲人0.2m,即应旋转探杆口试验过程中锤击间歇时间，应做记当要人15cm,且NlO:=-50击时即可悖止试验；当N63.5:=-50 每击的贵人度；如遇硬土层，可记录一定锤击数下的贵人［例题l?】对于轻便触探试验，耳终止试验的条件为 当贲人10cm,且NlO:=-30 B.当要人15cm,且NlO:=-50 当贲入20cm，且NlO:=-50 当贲入30cm,且NlO:=-【例题18】对于雪型触探试验，其终止试验的条件为

答案确定单桩承载力标准值入度之间有一定的相关关系，根据这种关系就可以确定打入桩的单桩承载力标准值Rk 锤的质量落距 器长度外径内径 长度刃口角度刃口单刃厚 (相对弯曲直径2.标准贲人试验的技术要 钻进方法：为保证标准要人试验用的钻孔的质呈，应采用回转钻进，当钻进至试验标商以上15m处，应俾止钻进口为保持孔壁稻定，必要时可用泥浆或套营护壁．如使用水冲钻进，应使用则向水冲钻头，不能用底向下水冲钻头，以使孔底土尽可能少扰动．钻孔亘径在63.5,..._.150mm之间，钻进时应注竞以下几点：l)仔纽洁除孔底残土至」试验标商在水位以下钻进时或遇承压含水砂层J孔内水位或泥浆面始终应面千水位足够的面度，以诚少土的扰动．否则会产生孔底涌土，降低N倌．当下套营时，要防止套营下过头，套营内的土未渚除．贲入器贲入套营内的土，使N倌鱼培，不反映实际悟况下钻具时要线慢下放，避免松动孔底标准要人试验所用的钻杆应定期检查，钻杆相对穹曲 1000,接头应牢固，否则锤击后钻杆会晃动标准贾人试验应采用目动脱钩的目由落锤法，并威小导向杆与锤间的库阻力，以保持锤击能量恒定，它对N值影响极大．标准贡入试验时，先将整个杆件系统连同蒂暨于钻杆顶端的锤击系起下到孔底，在蒂重下贲入器的初始贲入度l)预打阶段：先将贡入器打入15cm,如锤击已达50击，贡入度未达15cm,记录实际贲入度2)试验阶段：将贡人器再30cm，记录每10cm的锤击数，累计30cm的锤击数即为标贯击数凡当累计数已达50击（国外也有定为100击的），而贡入度未达30m,应终止试验，记录实际贲入度lis及累计锤击数如按下式换笸成贲入30cm的锤击数N:30耸

(16-7-式 6s一对应锤击数n的贡入莹(cm)标准要人试验可在钻孔主深度范国内等距进行．间距为1.0m或2.0m，也可仅在砂土、粉土等欲试验的土层范围内等间距进行．标准贲入试验的目的和范标准赁入试验可用于砂土、粉土和一般粘性土，录适用于N=2,-._..50击的土层．其目的有采取扰动土祥，鉴别和描述土类，按颗粒分析结果定名板尺厚度国国2 M2=[2Cu■(－JfD).—] 则

(16-7- M=Cu■（JfDH)■—+[2Cu■(－JfD).—］a=-Cu•rrfr·(—+— 所以

C16-7-式中辽—与圆柱顶底面剪应力的分布有关的系数，见表16-7-M一板梧定录大扭矩（即土体的录大抵抗扭矩）回柱顶底面剪回柱顶底面剪应力抛物三角2/1/影 板剪切试验的因索很多，有些因索， 板厚莹、间歇时间和扭转速率等，已由技术标准加以控制了口f旦些因索是无法人为控制的口例如：土的各向异性、剪切面剪应力的非均匀分布、应变软化和剪切破坏圆柱宜径大于板宜径等等口所有这些因索的影响大小．均与土类、土的塑性指数p和灵敏度t有关口当p南,t大．各因索的影响也大口于面塑性的灵敏粘土．对板剪切试验的成果只要作悄童分析口3.板剪切试验的适用范酚和目枑剪切试验适用于灵敏度Ste:;1;0.固结系数eve:;;10om!/年的均质饱和软粘性土口其(1测定原位应为条件下软粘土的不排水抗剪强度估菹软粘性土的灵敏度St［例题23】经枑剪切试验沮l甘导某淙度处天然软粘土的不排水抗剪强度为lOkpa.该处土的重塑土不排水抗剪强度2kpa,则该软土的灵敏度为 A. B. C. D.板剪切试验成果的应

板剪切试验成果主要有：板不排水抗剪强度Cu随淙度的变化曲线，即Cu,-._,.h关系线．极不排水抗剪强度一般偏面，要经过修正以后，才能用于实际工程问题．其修正方法有 (16-7- 板修丑3兵 表16-7-液t生指数工各向同各向异00o国外约睬逊(Jo血so迩88)等对墨西奇海港的深水软u=l.29-0.0206lp+o.000156Ip'(20a:;;Ipa:;;80)或u=l0-(0.077+o098I

(16-7- (16-7-经过修正后的板不排水抗剪强度可用千评定地基土的现场不排水抗剪强度，即式6-7-29确定的(Cu)t根据中国涅筑科学、华东电力设计院的经验，依据(Cu)扎平定软土地圣承载力标准倌fi(kPa)的公式为八＝2(Cu)t.+ (16-7-式中y一土的盂度（kN/篮）；D一基础埋置深度也可以利基土承载理论公式据（呫确定地基土的力．用 板实训不排水抗剪强度可以估宜软土的液t生指数IL五二

(16-7- (Cu) {16-7-式中5'I'—上寝压力GJ痕铲侧赈试扁铲刺胀试验（简称扁胀试验）是用静力（有时也用锤击动力）把一扁铲形探头贡入土中，达试验深度后，利用气压使扁铲剌面的圆形钢胆向外扩张进行试验，它可作为一种特殊的旁压试验．它的忧点在千简单、快速、垂茎性好和便宜．故在国外近年发展很快．扁胀试验适用千一般粘性土、粉土、中密以下砂土、萤土等，不适用千含碎石的土、风化岩［例题24]扁胀试验适用下列哪些岩土层 密实砂 风化 C.残积 D.一般粘性 答案扁胀试验的基本原扁胀试验时胆向外扩张可假设为在无限弹性介质中在圆形面积上施加均布荷载6pJ如弹性介质的弹性桓呈为E,j白松比为u，膜中心的外移为sJ则」4坠p(l- (16-7-穴式 R为膜的半径如把E/(1-u)定义为扁胀模呈En, Err=34.76p=34.7仇－Po) 而作用在扁胀仪上的原位应力即Po,水平有效应为Po与竖向有效应力gvo之比，可定义为水平应为指数KKrr=(P。－吩 (16-7-而膜中心外移1.10mm所蒂的压力 Po)与土的类型有关，定义扁胀（或土类）指数IDI泸(Pi-PoV(P广 (16-7-可把压力R当作初始的孔压加上由于膜扩张所产生的超孔压之和，故可定义扁胀孔压指数U讨P2-uUrr=p- (16-7-可以根据E丘k丘比和UD确定土的一系列岩土技术参数，并为路基、浅基、深基等岩土工程问题敝出评价扁胀试验设扁铲形探头的尺寸为长230~240皿在宽9-----9如皿、厚14-----16m.铲前综刃角为12·~1矿，在扁铲的一剃面为一宜径60皿U的钢膜．探头可与铮力触探的探杆或钻杆连接，对探杆的要求与铮力触探相同（图16-7-13)扁胀试验技术要llli,l试验时，视l定三个钢膜位置的压力A.B． 压力llli,l当膜片中心刚开始向外扩张，向垂宜扁铲周图的土体水平位0.05(+o02,-0.00)皿u时作用在胆片内侧的气压压力B为膜片中心外移达1.10+o.03皿u时作用在膜片内刺的

·云云V压V压力C为在膜片外移1.10mm后，线唔降压，使膜片内缩到刚 动前的原来位詈时作用在脰片内的气压 当胆片到达所确定的位置时，会发出一电信号（指示灯发光或蚌 ），视li卖相应的气压．一般三个压力读数A,B,C可在贡入

巨伈lmin内完成

图16-7- 扁铲州胀次口取fiA,fiB的平均倌口则据压力B修正为P1（膜中心外移1.10mm)的计菹式为P尹－Zm-fi (16-7-式 Zm为压力表的孛渎数（大气压下）把压力A修正为P。（膜中心无外移时，即外移0.00mm)的计筵式凡＝1.05(A-Zm+fiA)-0.05(B-Zm-fi (16-7-把压力C修正为p)（膜中心外移后又收缩到初始外移0.05mm的位詈）的计笸式P2=C-Zm+fi (16-7-当群压扁胀探头人土的推力超过5t（或用标准要人的锤击方式，每30cm的锤击数超过15击）时，为避免扁胀探头损坏，涅议先钻孔，在孔压探头至少15c皿试验点在垂宜方向的间距可为0.l5~0.30m，一般采用试验全部结束，应童新检验釭A和6B倌若要估草原位的水平固结系数1.,可进行扁胀消散试验，从卸除推为开始，记录压力随时间t可按1,2,4,15,30,…in安排口宜至C压力的消散超过50::为止．扁胀试验的资料根据知氐C压力及fiA,fiB计筵P。,Pl和P:，并绘制P。, p，与淙度的变化曲线绘制ED,如际和UD与淙度的变线．扁胀试验的应用划分土类蒂止侧压力系数K应力历史不排水抗剪强痉土的变形参数水平固结系数侧向受荷桩的砓计［例题25]在下列各种原位驯中，能够驯定铮止土剿压力系数的是 标准要人试 圆锥动力触 载荷试 扁胀试答案（七滂压试旁压试验(PiIT)是将回柱形旁压器坚宜地放入土中，通过旁压器在坚宜的孔内加压，使旁压膜脖胀，并由旁压膜（或护套）将压力传给周围土体（或岩层），使土体或岩层产生变形宜至破高H,气高H,气凳垦在水平方向上的应力应变关系口图16-7-14为旁压驯试示惹根据将旁压器砓登于土中的方法，可以将旁压仪分为预钻式旁压仪、自钻式旁压仪和压人式旁压忆预钻式旁压仪一般蒂有坚向钻孔，目钻式旁压仪利用自转的方式钻到预定试验位詈后进行试验，压人式旁压仪以静压方式压到预定试验位詈后进行旁压试验口