第五章-静力触探教程文件课件

第五章静力触探试验1一、概述

二、试验的仪器设备三、试验原理

四、试验方法及技术要求六、试验成果的工程应用主要内容五、试验资料的整理与分析2一、概述（一）静力触探试验的定义（二）静力触探试验的发展（三）静力触探试验的分类（四）静力触探试验的优缺点及适用性（五）静力触探试验的应用3

静力触探试验是利用准静力以恒定的贯入速率将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列探杆压入土中，同时测记贯入过程中探头所受到的阻力，根据测得的贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的现场试验方法。（一）静力触探试验的定义（CPT）

一、概述4动力触探静力触探扁铲侧胀旁压十字板5（一）静力触探试验的定义（CPT）

一、概述61932年静力触探首先在荷兰研制成功，因此静力触探也叫“荷兰锥”试验。到20世纪60年代，出现了电测静力触探，使静力触探的测试精度、自动化程度等都得到了提高。70年代又出现了新型的孔压静力触探技术。我国从上世纪60年代引入静力触探技术以来，该试验方法得到了广泛的应用，是我国目前应用最广的原位测试技术。目前，静力触探技术也朝着多功能化发展，测试参数的范围也越来越多，除岩土体的工程性质外，还可以测温、测斜、地磁、土壤电阻以及地下水pH值等。（二）静力触探试验的发展一、概述7按探头功能分为：

单桥静力触探；

双桥静力触探；

孔隙水压力静力触探(PiezoConepenetrationTest)，是可测孔隙水压力的静力触探，简称孔压触探(CPTU)。（三）静力触探试验的分类一、概述8（四）静力触探的优缺点及适用性1．适用土层：适用于软土、粘性土、粉土、砂土类以及含少量碎石的土层。2．优缺点：优点：（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼具勘探与测试双重作用，不受取样扰动影响；（2）测试数据精度高，再现性好；（3）采用电测技术，便于实现测试工程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，减少了工作强度。

缺点：贯入机理不清；静力触探不能对土样进行直接的观察、鉴别；不适用于含较多碎石、砾石的土层和很密实的砂层。9由于不同土体的渗透性差别很大，CPTU量测孔隙水压力的灵敏度很高，能够分辨1~2cm厚的薄土层土性的变化，因而可以详细分层。特别是在区分砂层和粘土层方面精度很高。可以量测到孔隙水压力，从而有可能进行有效应力分析。可以估算土体的渗透系数和固结系数。可以测定土层不同深度的静止水压力，获得地下水条件的资料。可以区分排水、部分排水和不排水的贯入条件。可计算土的超固结比，评价土层应力历史，计算静止侧压力系数。3.孔压触探的优点：10（五）静力触探试验的应用用于土类定名，划分土层界面；评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数；确定地基承载力；确定单桩极限承载力；判定地基土液化的可能性。11典型静力触探试验结果示例12海床静力触探试验13海床静力触探试验14较早的静力触探试验车15静力触探试验车测试结果示意图16二、试验的仪器设备（一）试验设备的组成（二）贯入系统（三）测量和记录显示装置（四）探头（五）探杆、电缆线等17（一）试验设备组成1.贯入系统：由触探主机和反力装置组成

触探主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中。触探主机按传动方式分为电动机械式、液压式和手摇链条式。反力装置的作用是平衡贯入阻力对贯入装置的反作用。反力装置可分为压重式、地锚式以及地锚与重物联合式。2.测量与记录显示装置3.探头4.探杆和电缆线等18（二）贯入系统（1）静力触探车：触探主机为液压传动式的，反力装置为压重式。油缸总推力达10～20t，软粘土地区触探深度达60m左右。19（2）拖挂式静力触探车：触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式。20（3）落地式手推静力触探车：触探主机为液压传动式的，反力装置为压重式+地锚式。21（4）小型液压式静力触探仪：触探主机为液压传动式的，反力装置为地锚式。22（5）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。贯入能力2～3t，软粘土地区触探深度可超过20m。

23（6）贯入系统的贯入能力从设备角度来说，贯入系统的贯入能力主要取决于三方面的因素：

①贯入设备能力的大小；②触探头截面的大小及其与探杆的配合；③反力装置能提供的反力大小。如果反力不够，整个贯入设备的能力就得不到充分发挥。24（三）测量与记录显示装置量测记录仪表主要有4种类型：电阻应变仪、自动记录绘图仪、数字式测力仪以及电脑数据采集仪。

电阻应变仪数字式测力仪(秦皇岛信恒电子科技有限公司)25自动记录绘图仪工作系统26TCY型孔压静力触探数据采集仪27（四）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。分为四大类型：单桥探头、双桥探头、孔压探头和多功能探头通常探头包括摩擦筒和锥头两部分。28（1）单桥探头单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——比贯入阻力Ps。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。29（2）双桥探头双桥探头：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。30（3）孔压探头多用（孔压）探头：它一般是在双桥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。孔压探头可测即锥头阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力u功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。31除了具有双桥探头所需的各种部件外，还增加了由微孔材料做成的透水滤器和一个孔压传感器，要求材料的渗透系数为(1.1士0.1)×10-5cm/s，抗渗能力为110

±5(kPa)。透水滤器的位置可镶嵌于探头的锥尖,锥面或锥尾。

微孔材料可以是微孔不锈钢、微孔陶瓷、微孔砂石、微孔塑料等。水滤器在探头上的各种位置32从外观上辨认三种探头孔压探头33探头规格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。34探头种类型号锥头摩擦筒标准顶角/直径/mm底面积/cm2长度/mm表面积/cm2I-16035.71057单桥I-26043.71570我国独有I-36050.42081II-06035.710133.7150双桥II-16035.710179200国际标准II-26043.715219300孔压6035.710133.7150国际标准6043.71517920035（五）探杆与电缆探杆是传递贯入力的媒介，通常用外径为32～35mm，壁厚为5mm的高强度合金无缝钢管。每根探杆的长度以1m为宜。36屏蔽电缆

（五）探杆与电缆37三、试验的原理（一）静力触探探头的工作原理（二）静力触探贯入机理（三）孔压静力触探贯入机理38（一）静力触探探头的工作原理

静力触探探头大部分采用电阻应变式测试技术。应变桥路有两

种方式：半桥和全桥。探头的空心柱体上的应变桥路有两种布置方式。受力后，产生

电位差，毫伏计便指出流过的电流的大小，这个电流的大小与

空心柱体的受力伸长有关。在实际工作中，把空心柱体的微小应变所输出的微弱电压，通

过电缆，传至电阻应变仪中的放大器放大几千倍到几万倍后，

就可用普通的指示仪表量测出来。39（一）静力触探探头的工作原理半桥双臂布置不受力时：

D1D2=R1R2UBD=0

D1D2承受拉力，R1R2处于自由状态，电阻不变。受力后：

（D1+△D1）（D2+△D2）＞R1R2（1）半桥40全桥四臂布置D1D2承受拉力，D3D4处于受压状态。不受力时：

D1D3=D2D4受力后：

（D1+△D1）（D3+△D3）＞（D2-△D2）（D4-△D4）

UBD

＞0

这种电测探头可以量测到的最大贯入阻力30MPa，且灵敏度高，可反映10kPa的贯入阻力变化。所量测的只是探头部分所承受的阻力，避免了探杆与孔壁间摩擦的影响。必须考虑温度的影响时，应采用全桥。（2）全桥41（二）静力触探试验的贯入机理1、qc和fs存在“临界深度”；

2、静力触探的破坏机理与探头的几何形状、土类和贯入深度有关；

3、圆锥探头在贯入土中时，在其周围及底部土中会形成一定的扰动区

目前的土力学还不能完善的从理论上解析圆锥探头与周围土体间的接触应力分布及相应的土体变形问题。已有的近似理论分析可分为承载力理论分析、孔穴扩张理论分析两类。42（二）静力触探试验的贯入机理1、qc和fs存在“临界深度”：在均质土层中进行静力触探试验，不论锥尖阻力qc，还是侧壁摩阻力fs，在一定深度范围内随着贯入深度的增大而增大，但达到一定深度后，两者均达到极限值而不再增加。临界深度与土的密实度和探头的直径有关，密实度越大，探头直径越大，临界深度也越大。一般qc比fs要大。4344（二）静力触探试验的贯入机理2、静力触探的破坏机理与探头的几何形状、土类和贯入深度有关（1）松散砂土中，探头的阻力主要决定于土的压缩性，多为刺入破坏；（2）一般土和密实的砂土中，贯入深度小于临界深度时，以整体剪切破坏为主；达到临界深度以后，由于土的侧向约束增大，以局部剪切破坏为主。45（二）静力触探试验的贯入机理3、圆锥探头在贯入土中时，在其周围及底部土中会形成一定的扰动区（1）在软粘土中，由于扰动区的存在往往造成测试强度偏低；（2）在松砂中，扰动区土体被挤压密实，测得强度偏高；（3）在密实砂中，砂粒甚至会被压碎。46（三）孔压静力触探的贯入机理△σoct△τoct探头挤土引起的正应力和刺入引起的剪应力

在探头锥尖下面，由于孔穴扩张，孔压的变化主要受平均正应力增大的影响，剪应力的变化影响不大；

47ut=u0+△uoct+△usut——试验中量测的孔压；u0——土层中的静止孔隙水压力；△uoct——由正应力变化引起的超孔压；△us——由剪应力变化引起的超孔压。探头圆柱部分，正应力逐渐衰减，剪应力成为孔压变化的主要影响因素，由剪应力引起的超孔压因土的应力历史不同，可正可负。48四、试验方法及技术要求（一）试验前的准备工作（二）孔压探头的校正与饱和处理（三）野外测试的关键步骤与注意事项（四）试验的终止标准49（一）试验前的准备工作1、安装电缆将电缆按探杆的连接顺序一次穿齐，探杆应比计划深度多2～3根，电缆长度应足够。2、安放触探机平整地面，反力措施应能提供足够的反力。3、检查探头应检查探头是否符合规定的规格，整个系统是否在标定后的有效期内。50（二）孔压探头的校正与饱和处理校正的设备可分为两个主要部分：可移动的活动架和量力环1、测力传感器的校正钢环测力式探头率定装置图1-活动架上梁；2-顶帽；3-探头；4-活动架；5-底座；6-百分表；7-钢环；8-传动箱；9-手柄；10-顶针51校正的步骤:

（1）安装设备；

（2）把连着电缆线和记录仪表的探头安装上；

（3）旋转手轮施加压力，边记录仪表上的读数；

（4）画压力-读数曲线，一般情况下应该是直线；

（5）求校正系数k。K等于直线的斜率x01、测力传感器的校正52N各级荷载Pi(kN)仪表读数x（με;mV）加荷卸荷12341234012345678910测力传感器的校正结果记录表532、孔压探头的饱和处理孔压探头的饱和是正确量测孔压的关键，如果没有饱和会含有气泡，量测时会有一部分孔隙水压力消耗在空气压缩上，使测试孔压数据失真。探头饱和的方法有加热排气法和真空排气法。可以用水、硅油、甘油等对探头进行饱和处理。54孔压探头排气饱和装置55（三）野外测试的关键步骤（1）布孔位，平整场地；（2）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；（3）将探头、测量电缆、探杆连接起来，并检查测量仪表，并调零；（4）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；（5）在预定位置做孔压消散测试：停止贯入并记录超孔压随时间的消散过程。56静力触探试验测试过程记录探头所受的阻力侧摩阻力锥尖阻力57（1）用静力触探为何能估计地基土的物理力学参数和地基承载力？（2）静力触探与打入桩的贯入过程有何异同？58（1）静力触探的基本原理就是用准静力（相对动力触探而言，没有或很少冲击荷载）将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。59（2）静力触探贯入系统由触探主机（贯入装置）和反力装置两大部分组成。触探主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中。触探主机按其贯入方式不同，可以分为间歇贯入式和连续贯入式；按其传动方式的不同，可分为机械式（手摇链条和电动齿轮式）和液压式；按其装配方式不同可分为车装式、拖斗式和落地式等。而打入桩的贯入过程是采用的动力的方法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。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。60技术要求及注意事项（1）触探机就位后，应调平机座，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）一般触探试验中，使布置的触探孔距原有钻孔至少2m。（3）触探主机应以轴向压力将探杆压入，对于前5m的探杆，弯曲度不得大于0.05%，后续探杆的弯曲度，在触探深度小于10m，不得大于0.2%；深度大于10m时，不得大于0.1%。（4）探头圆锥锥底截面积应采用10cm2或15cm2时，单桥探头侧壁高度应分别采用57mm或70mm，双桥探头侧壁面积应采用150-300cm2时，锥尖锥角为60°；61（5）探头测力传感器应连同仪器、电缆进行定期标定，室内探头标定测力传感器的非钱性误差、重复性误差、滞后误差、温度漂移、归零误差均在小于l%，现场试验归零误差应小于3%，绝缘电阻不小于500MΩ；（6）深度记录的误差不应大于触探深度的±1%；（7）当贯人深度超过30m，或穿过厚层软土后再贯入硬土层时，应采取措施防止孔斜或断杆，也可配置测斜探头，测触探孔偏斜角，校正土层界线的深度；（8）触探机的贯入速率应控制在1-2cm/s，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。技术要求及注意事项62（9）使用记读式仪器，每贯入0.1m或0.2m应记录一次读数。（10）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。（11）孔压探头在贯入前，在现场采取措施保持探头的饱和状态，直至探头进入地下水位以下的土层为止；在孔压静探试验过程中不得上提探头；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。（12）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。技术要求及注意事项63（四）试验的终止遇下列情况时应终止静力触探试验的贯入：

要求的贯入长度或深度已经达到；

圆锥触探仪的倾斜度已经超过了量程范围；触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；

贯入时探杆出现明显弯曲；反力装置失效；探头负荷达到额定荷载时；记录仪器显示异常。64五、试验资料的整理与分析（一）原始数据的整理（二）试验数据的修正（三）静力触探试验影响因素分析651、单桥触探试验数据整理ps——比贯入阻力（Mpa）；P——总贯入阻力（kN）；A——锥底截面积（cm2）；（一）原始数据的整理2、双桥触探试验数据整理663、孔压试验数据整理（1）计算锥尖阻力：

（一）原始数据的整理qT——总锥尖阻力（MPa）；qc——锥尖阻力（MPa）；β——与土质状态有关的经验系数；α——锥端有效面积比，α=FA/A；A——锥头全断面积（cm2）；FA——锥头有效面积（cm2）；ud——贯入时锥面测得的孔隙水压力（MPa）qT=qc+β(1-α)ud67(2)孔压参数比用Bq

：68①静止孔隙水压力及均衡孔隙水压力 静止孔隙水压力按测试土层中的静水压力计值 均衡孔隙水压力取孔压消散达稳定时的孔压值②各时刻的归一化超孔压比按下式计算:(3)孔压消散数据的归一化处理ut——消散至某时刻（t）的孔压值（kPa）；uw——为原位静止孔压（kPa）；u0——消散试验孔压初始值（kPa）。69归一化超孔压消散曲线③以为纵轴，以时间t(s)的对数lgt为横轴，绘制归一化的超孔压消散曲线。70

（二）原始数据的修正（1）贯入深度修正

当记录深度与实际深度有出入时，应将深度误差沿深度进行线性修正。单位长度修正后的贯入深度

△hi=△licos[（θi+θi-1）/2]△hi——第i段修正后的贯入深度（m）；△li——第i段的贯入长度（m）；（θi+θi-1）——第i次及第i-1次实测的偏斜角（°）。71（2）零漂修正（3）锥尖阻力的修正当孔压量测的过滤器位于u2位置时，锥尖阻力可用下式修正：

qt——修正后的锥尖阻力；qc——实测锥尖阻力；u2——在u2位置量测的孔隙水压力；a——有效面积比，一般取0.840

。为确保试验精度，在试验之后和设备保养之前，直接读取零读数，以确定零漂值。72（4）侧壁摩擦力的修正

当同时在探头的u2和u3位置安装孔压量测装置时，侧壁摩擦力可用下式修正：

ft=fs－（u2Asb－u3Ast）/Asft——修正后的侧壁摩擦力；fs——实测的侧壁摩擦阻力；As——摩擦套筒的表面积；Ast、Asb——分别为套筒顶部与底部的横截面积；

u2、u3——在u2、u3位置量测的孔隙水压力。73包括qc-H，fs-H，Rs-H

等。（5）绘制触探曲线静力触探成果曲线及其相应土层划分741、探头规格单桥PS

双桥qc，fsPS

>qcqc，fs都随锥底面积的增大而减小；侧壁摩擦筒长度增大时，qc增大，fs减小。探杆外径、摩擦筒与锥底面直径应保持一致锥尖角度60°探头形状及尺寸的标准化与科学化对测试成果的应用、交流和对比都有很重要的意义。

（三）静力触探试验影响因素分析752、贯入速率如果贯入速率大于1cm/s以上时，读数受贯入速率的影响就很小了。事实上，静力触探的贯入速率一般用2cm/s。763、温度影响温度变化会引起探头内部的电阻应变片伸长或缩短，从而使其阻值发生变化，导致测量结果的大误差。产生温度变化的重要原因之一是地面温度与地下温度的不同，特别在夏天与冬天。措施：

1）采用温度补偿或自动温度补偿应变片来补偿温度变化对探头测试数据的影响；

2）防止暴晒与受冻；

3）探头贯入地下约0.5-1.0m，停止贯入5-10min，使探头的温度与地下的温度一致，然后调零。

77进行孔压触探时，必须对探头进行严格饱和。如果探头不饱和，则会滞缓孔隙水压力的传递速度，使部分孔隙水压力消耗于压缩探头内未排尽的空气上，严重影响测试成果的准确性。4、孔压探头的饱和问题785、透水滤器位置的影响孔压探头上透水滤器的安装位置不同，所测孔隙水压力也不同。当将透水滤器装在锥尖或圆锥侧面上时，对孔隙水压力的变化反应灵敏，但易遭受破坏和磨损；装在圆锥底面上也可以较灵敏地反应孔隙水压力的变化，并且使用寿命较长。79六、试验成果的工程应用（一）土层划分（二）土的类别划分（三）确定土的物理力学性质指标（四）确定地基承载力（五）确定单桩承载力（六）确定饱和土层的固结系数（七）判断饱和砂土液化的可能性80（一）土层划分

绘制CPT的贯入曲线（qc-H，fs-H，u-H，Rs-H），根据相近的qc、fs、u和Rs，将触探孔分层——力学分层，并计算各参数的平均值。结合钻探取样，考虑临界深度的影响进一步分层——工程地质分层，并定土名。81孔压静探贯入曲线特征土层qc—H曲线特征Rs—H曲线特征u—H曲线特征淤泥、淤泥质粘性土1、qc值很低，淤泥的qc小于0.5MPa，淤泥质粘性土的qc小于1.0Mpa；2、qc-H曲线是平滑的，近似垂线状，一般无突变现象，只有遇到贝壳才突变。对于淤泥，Rs值很小；对于淤泥质粘性土，Rs值大于2%。1、淤泥中的孔压△u很小；2、淤泥质粘性土的△u很大，且u-H曲线明显偏离u0-H曲线粘土、粉质粘土1、qc值较高，qc-H曲线有缓慢的波形起伏；2、qc值偏离平均值在±10~20%3、粘性土层中如有薄砂层或结核出现，qc会出现突变现象Rs值一般大于2%1、△u值较高；2、u-H曲线明显高于u0-H曲线。粉土1、曲线起伏较大，其波峰和波谷呈圆形，变化频率较小；2、qc值偏离平均值在±30~40%Rs值一般在1~2%之间1、△u值较低；2、u-H曲线稍高于u0-H曲线。82孔压静探贯入曲线特征土层qc-H曲线特征Rs-H曲线特征u-H曲线特征砂土1、qc值明显比上述地层偏大，且变化频率与幅度均较大；2、qc-H曲线呈锯齿状，波峰和波谷呈尖形。Rs值小于1%1、△u值一般为0；2、u-H曲线和u0-H曲线重合。杂填土曲线变化无规律，往往出现突变现象。无规律无规律基岩风化层1、qc-H曲线起伏较大；2、qc值大，明显高于一般土层中的qc；3、qc值一般随深度增加而迅速增大。软岩风化成土时，其曲线特征类似粘性土中的特征；坚硬岩石风化成碎石土或砂土时，其曲线特征类似砂土的特征。无规律831：10084模型试验及实测表明，地表厚层均质土的贯入阻力自地表向下是逐渐增大的。当超过一定深度后，阻力才趋近一个常数值，这个土层表面一定深度就称为临界深度。临界深度在砂土中表现明显，在粘土中基本不存在。临界深度超前段滞后段85什么是土层划分时，试验数据的超前与滞后效应，原因何在？静力触探超前和滞后的概念：超前效应：当测试探头快要进入但还没有进入下一土层时，锥头阻力已经受到下层土的影响而升高或降低。滞后效应：当测试探头已经进入下一层土但还进入不多时，锥头阻力仍然受到上层土的影响，没有达到本层土的稳定值。86什么是土层划分时，试验数据的超前与滞后效应，原因何在？静力触探超前和滞后的原因：（1）主要原因为探头越过土层界面时，不同土层对探头的约束条件发生改变，而且在土层交界处可能有一些渐变的地层；（2）也可能是由于仪器反映迟缓造成的。87孔压静探在划分土层方面精度极高利用孔压静力触探贯入曲线划分土层孔压探头在区分砂层和粘土层方面精度极高，能区分1-2cm厚的砂土层利用孔压静探曲线划分土层88钻孔及静力触探孔联合剖面图（广州番禺）891、单桥触探法

根据