第2章-静力触探试验-王亚军

Conepenetrationtest静力触探试验王亚军主要内容2.1概述2.2试验设备和方法2.3基本测试原理2.4试验成果的整理分析2.5试验成果的应用2.1概述

静力触探（ConePenetrationTest，简称CPT）首先在荷兰研制成功，因此静力触探也叫“荷兰锥”试验（DutchConePenetrationTest）。静力触探试验是把具有一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压入土中，以测定探头阻力等参数的一种原位测试方法。静力触探具有测试速度快、精度高等优点，兼具勘察与测试双重功能，是目前应用最广的一种土的原位测试技术。静力触探是应用最广的一种原位测试技术，具有以下一些优点：①兼有勘探与测试双重作用；②测试数据精度高，再现性好，且测试快速、连续、效率高、功能多；③采用电子技术，便于实现测试过程自动化。2.2试验设备和方法

2.1.1试验设备

仪器一般由三部分构成，即：①贯入系统（加压装置和反力装置）；②触探头，也即阻力传感器；③量测记录仪表。下面是几种静力触探仪的示意图静力触探仪示意静力触探仪示意静力触探车示意触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式。触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式。图2-1静力触探试验示意和得到的测试曲线一、贯入系统

贯入系统包括触探主机与反力装置，共同负责将探头压入土中；触探主机借助探杆将装在其底端的探头压入土中；反力装置则提供主机在贯入探头过程中所需之反力。触探主机按其传动方式的不同，可分为机械式和液压式；反力装置可分为自重式和锚式。CLD型静力触探-十字板剪切两用仪触探主机为机械传动式的，反力装置为地锚式。小型液压式静力触探仪触探主机为液压式的。反力装置为地锚式；大型的静力触探车触探主机为液压式的，反力装置为自重式。贯入系统

二、静力触探探头

静力触探探头为地层阻力传感器，是静力触探仪的关键部件。它包括摩擦筒和锥头两部分，有严格的规格与质量要求。目前，国内外使用的探头可分为三种类型。

（1）单用（桥）探头：是我国所特有的一种探头类型。它是将锥头与外套筒连在一起，因而只能测量一个参数PS——比贯入阻力。这种探头结构简单，造价低，坚固耐用，是我国使用最多的一种探头。（2）双用（桥）探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可同时测锥头阻力qC和侧壁摩擦力fS两个参数的探头。国内外普遍采用，用途很广。（3）多用（孔压）探头：它一般是在双用探头基础上再安装一种可测触探时产生的超孔隙水压力装置的探头。孔压探头最少可测三种参数，即锥头阻力qC

、侧壁摩擦力fS及孔隙水压力u，功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。国际标准探头的规格：锥头顶角60°、底面积10cm2、侧壁摩擦筒面积150cm2、透水石在锥底。22静力触探探头1－锥头；2－顶柱；3－电阻应变片；4－传感器；5－外套筒；6－单用探头的探头管或双用探头侧壁传感器；7－单用探头的探杆接头或双用探头的摩擦筒；8－探杆接头；L－单用探头有效侧壁长度；D－锥头直径；－锥角静力触探探头南光地质仪器有限公司生产的探头照片10cm2单桥探头

三、量测记录仪表

量测记录仪表测量与记录探头所受各种阻力。我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器。因此，与其配套的记录仪器主要有以下4种类型：①电阻应变仪；②自动记录绘图仪；③数字式测力仪；④数据采集仪（微机）。武汉派尔科技有限公司生产DY-87型数字显示仪，间隔读数，手工记录。

四、探杆

探杆也有一定的规格和要求，应有足够的强度，应采用高强度无缝管材，其屈服强度不宜小于600MPa。探杆与接头的连接要有良好的互换性。每根探杆的长度一般为1m，其直径应和探头直径相同；但单用探头探杆直径应比探头直径小。

探杆

五、电缆

电缆的作用是连接探头和量测记录仪表。由于探头功能不同，相应电缆的蕊数也不同，最少的为配单桥探头的四蕊电缆，多则几十蕊，各蕊之间应互相屏蔽。电缆应有良好的防水性和绝缘性，接头处应密封。

2.1.2试验方法现场试验按静力触探操作规程进行，见教材2.3节静力触探现场试验。野外测试

野外测试的关键步骤：

a、布孔位，平整场地；

b、安装触探机，并调平机座（为使贯入压力保持垂直方向），把机座与反力装置衔接；

c、将探头、测量电缆、探杆连接起来，并检查测量仪表，并调零；

d、将连着探杆的探头压入地下，同时记录深度值和测量仪表的数据。注意事项（1）触探机就位后，应调平机座，并使用水平尺校准，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。（2）触探机的贯入速率应控制在1-2cm/s内，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。（3）使用记读式仪器时，每贯入0.1m时应记录一次读数。（4）遇下列情况时应停止贯入：

a、触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；

b、贯入时探杆出现明显弯曲；

c、反力装置失效；

d、探头负荷达到额定荷载时；

e、记录仪器显示异常。对于孔压静力触探除上述内容外，在测试时还必须注意的事项：

（1）在地下水埋藏较深的地区使用探头触探时，应先使用外径不小于孔压探头的单或双桥探头开孔至地下水位以下，而后向孔内注水与地面平，再换用孔压探头触探。（2）使用孔压探头时，在整个贯入过程中不得提升探头。（3）当在预定深度进行孔压消散试验时，应从探头停止贯入之时起，用秒表记时。（4）当移位于第二个孔时，应对孔压探头的应变腔和滤水器重新进行脱气处理。392.3

基本测试原理2.3.1承载力理论

CPT的贯入类似于桩的贯入过程，故很早就有人将两者进行比拟，提出用深基础极限承载力的相关理论来解释静力触探的工作机理并由静力触探的测试结果推求深基础的极限承载力。基本思路是假设地基为刚塑体，在极限荷载的作用下地基中出现滑裂面，不同学者假定了不同的滑裂面，由此导出探头阻力和基础承载力之间的关系式。但由传统极限状态出发的理论不能解释稳定贯入的许多特征，计算结果依赖于对滑裂面几何特征的假设。40深基础的破坏模式412.3.2孔穴扩张理论

孔穴扩张理论包括圆柱形和球形孔穴两种类型。该理论最初用于金属压力加工分析，随后引入土力学中，用柱状孔穴扩张解释旁压试验机理和沉桩，用球形孔穴扩张来估算深基础承载力和沉桩对周围土体的影响。球形孔穴在均布内压p作用下的扩张情况如图。当p逐步增加时，孔周区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随p值的增加而不断扩大。设孔穴初始半径为R0，扩张后半径为Ru，塑性区最大半径为Rp，相应的孔内压力最终值为pu，在半径Rp以外的土体仍保持弹性状态。圆柱形孔穴在内压力下的扩张情况与上类似，只不过一个属于球对称情况，另一个属于轴对称情况。

42up塑性区

C，puRuRprr弹性区

E，

球形孔穴附近的塑性区域2.3.3探头测试机理不管哪种型号的探头，其机理原理是一样的，都是将土体的强度转换成连续变化的电信号输出。这一转换过程运用了，虎克定律，电阻定律和电桥原理。电桥原理当在A、C间输入恒电压U时，如果R1、R2、R3、R4满足等式：电桥电路则该电桥平衡，即当电阻发生改变时，电桥平衡就破坏。此时B、D就产生变电压信号。虎克定律在应力低于比例极限的情况下，固体中的应力σ与应变ε成正比，即σ＝Εε。即：电阻定律导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比，还跟导体材料的电阻率ρ有关。即：又：或综上所述，探头传感器是通过如下过程将土体的强度转换成连续变化的电压信号。地层阻力大小输出模拟信号电阻变化探头内空心柱变形电压变化2.4

试验成果的整理分析2.4.1．单孔触探成果的基本内容单孔触探试验的成果应包括以下几项基本内容：（1）各触探参数随深度的分布曲线；（2）土层名称及潮湿程度（或稠度状态）；（3）各层土的触探参数值和地基参数值；（4）对于孔压触探，如果进行了孔压消散试验，尚应附上孔压随时间而变化的过程曲线；必要时，可附锥尖阻力随时间而改变的过程曲线。

2.4.2．原始数据的修正在贯入过程中，探头受摩擦而发热，探杆会倾斜和弯曲，探头入土深度很大时探杆会有一定量的压缩，仪器记录深度的起始面与地面不重合，等等，这些因素会使测试结果产生偏差。因而原始数据一般应进行修正。修正的方法一般可按相关规范的规定进行。主要应注意深度修正和零漂处理。2.4.3．触探曲线的绘制当使用自动化程度高的触探仪器时，需要的曲线可自动绘制，只有在人工读数记录时才需要根据测得的数据绘制曲线。

需要绘制的触探曲线包括ps~h或qc~h、fs~h和Rf（=f/q×100%）~h曲线。2.5

试验成果的应用2.5.1划分土层

划分土层的根据在于探头阻力的大小与土层的软硬程度密切相关。由此进行的土层划分也称之为力学分层。分层时要注意两种现象，其一是贯入过程中的临界深度效应，另一个是探头越过分层面前后所产生的超前与滞后效应。这些效应的根源均在于土层对于探头的约束条件有了变化。土层划分以后可按平均法计算各土层的触探参数，计算时应注意剔除异常的数据。

（1）对每一个静力触探孔都要绘制各种贯入阻力曲线图(qc

~h，

fs~h

，FR~h

，U~h)，然后根据相近的qc

、FR

、Bq

（孔隙水压力系数，意义见后）等，将触探孔分层，并计算每一分层参数的平均值。其计算公式可统一表示为：

式中：——各触探参数每层平均值代号；

——各层触探参数；

n——各层触探参数统计数。（2）力学分层与工程地质分层：单纯根据贯入阻力曲线(触探阻力的大小)或参数的分层为力学分层。必须结合钻探取样资料或当地经验，进一步将力学分层变为工程分层(工程地质分层)，其办法是：

①根据贯入曲线特征和参数值大小，结合下述土类划分的具体标准进行下一步工程地质分层。如图

A－硬壳层；

B－非粘性土表层；

C－软粘土；D－砂填土；

E－中密粉土，砂；

F－密实粉砂，砂或砾石；

G－密实砾石或冰碛土；

H－向冰碛土过渡；

J－粘土与砂土互层：

K－粉砂；L－冰碛粘土

土层

qc

(Ps

)~H线形特征

qc

(Ps

)~H线形淤泥和淤泥质粘性土

qc

(Ps

)值极低的平缓曲线，无突变现象

粘土及物质粘土

Ps值较高的平缓曲线，有缓慢的波形起伏，粘土层由于结核存在，有时呈现个别突变现象，

qc

正负差10%－20%

粉土曲线起伏较大（像驼背状）其波峰和波谷呈圆形（地下水位以下起伏较小）变化频率不很大，

qc

正负差30%－40%

砂曲线起伏较大，类似粉土，变化频率大，波峰和波谷带刺

qc正负差达100%

杂填土曲线变化无规律，往往出现突变现象

基层风化层曲线起伏较大，波峰个波谷呈圆形，变化频率较大

各土层锥头阻力曲线特征

②在确定土层分界面时需考虑临界深度和层面影响段。模型试验及实测表明：地表厚层均质土的贯入阻力自地面向下是逐渐增大的。当超过一定深度后，阻值才趋于近似常数值。这个土层表面下的“一定深度”，称为临界深度（hcr

）。如下层土硬，阻值随探头贯入深度增大而继续增大；如下层土软，则变小。这一变化称为滞后段。同样下层也有一个变化段，称为超前段，可统称为层面影响段。土层分界面应基本位于层面影响段（滞后段和超前段曲线）的中间位置。如图所示。需要说明的是，临界深度在砂土中表现比较明显，而在粘土中基本不存在。这主要是由于砂土颗粒之间无或少内聚力，其抗剪强度主要由砂土的内摩擦角决定的。592.5.2确定土类

静力触探的几种测试方法均可用于划分土类，但就其总体而言，单桥探头测试的参数太少，精度较差，常常需要和钻探及经验相结合，下面仅介绍《铁路工程地质原位测试规程》TB10041-2003中利用双桥探头测试结果进行划分的方法。

该方法利用了qc和Rf两个参数，其根据在于不同的土类不但具有差异较大的qc值，而且其摩阻比Rf对此更为敏感。例如大部分砂土Rf均小于1%，而粘土通常都大于2%，所以使用这两个参数划分土类有较好的效果。该法的优点是提供了边界方程，缺点是比较粗糙。

按双桥触探参数判别土类2.5.3求浅基承载力

用静力触探法求地基承载力的突出优点是快速、简便、有效。我国对使用静力触探法推求地基承载力已积累了相当丰富的经验，经验公式很多。在使用这些经验公式时应充分注意其使用的条件和地域性，并在实践中不断地积累经验。

《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ21-77）中采用的公式如下：砂土：f0=0.0197ps+0.0656（MPa）（2-2）一般粘性土：f0=0.104ps+0.0269（MPa）（2-3）老粘土：f0=0.1ps

（MPa）（2-4）上列式中的f0为地基承载力基本值，ps为单桥探头的比贯入阻力。

铁路部门提出的经验公式如下：对于Q3及以前沉积的老粘土地基，单桥探头的比贯入阻力ps在3000~6000kPa的范围内时采用如下公式计算地基的基本承载力0：0=0.1ps

对于软土及一般粘土、亚粘土地基的基本承载力0采用下式计算：0=5.8ps0.5-46

对于一般亚砂土及饱和砂土地基的基本承载力0采用下式计算：0=0.89ps0.63+14.4

当确认该地基在施工及竣工后均不会达到饱和时，则由上式确定的砂土地基的0可以提高25%~50%。上列各式的单位均为kPa。2.4.4估算单桩的竖向承载力

静力触探的机理和桩的作用机理类似，静力触探试验相当于沉桩的模拟试验。因此，在现有的各种原位测试技术中，用静力触探成果估算单桩承载力是最为适宜的。

《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中根据双桥探头测试成果确定预制桩竖向承载力标准值的方法可供参考。该规范规定，当根据双桥探头静力触探资料确定预制桩竖向承载力标准值时，对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：Quk=uli·i·fsi+·qc·Ap使用单桥探头的方法和估算钻孔桩的承载力的方法请见参考资料。例题：2.4.5其它方面的应用

除了在上述方面有着广泛的应用外，静力触探技术还可用于推求土的物性参数（密度、密实度等）、力学参数（c，，E0，Es等），检验地基处理后的效果、测定滑坡的滑动面以及判断地基的液化可能性等。关于这些方面的内容请见相关参考资料。68例

试根据图2-1的测试曲线进行土层划分并确定各土层的平均贯入阻力，由此给出各土层的类别。

解：图2-1的测试曲线如图，首先分析该测试曲线的特征。从图2-6看，从地表到1.2m深度的触探阻力逐渐增加；1.2m到4.0m的触探阻力较为均匀；从4.0m到5.0m的qc急剧减小而fs略微增加；5.0m到6.8m的阻力较为均匀，且qc保持较小数值而fs略有增加；6.8m到7.1m的两种阻力均有明显增加；7.1m以下的阻力也较为均匀。图2-1

从上述曲线分布特征分析，地表至1.2m深度的曲线变化应是静力触探深度效应的影响，所以可以认为该土层的触探临界深度为1.2m，又因为曲线具有较为均匀的3个分布区间，所以触探深度范围的地基土可以分为3层，考虑超前滞后效应和前述土层划分原则，在图上画出各土层的分界线如图中的两条水平线所示，于是确定土层①和土层②的厚度分别为4.9m和2.0m，土层③的厚度未能探明。

划分土层后可以进一步求出各土层的平均触探参数值，其做法有两种，一种是将各分层范围内的记录数据进行平均，另一种是直接在图上找出各分段曲线的重心，通过该重心做竖线与横轴相交，交点的坐标值即为所求的触探参数。本例用作图法求解，其结果如图所示。根据图2-6中各竖直线所截得的横坐标数值，定出各土层的触探参数为：土层①：