静力触探测试原理方法及内业整理.pdf

静力触探测试原理方法及内业整理静力触探测试原理方法及内业整理1 1 1 1 静力触探测试原理静力触探测试原理静力触探的工作过程是用静力将探头压到土层中去。在贯入过程中，由于埋藏在地层中的各种土的物理力学性质不同，因此，探头遇到的阻力也不同，有的土软，阻力就小，有的土硬，阻力就大。土的软硬正是土的力学性质的一种体表现。所以贯入阻力是从一个侧面反应了土的强度。根据这样一种内部联系，我们利用探头中的阻力传感器，将贯入阻力通过电子量测记录仪表把它显示和记录下来，并利于贯入阻力和土的强度之间存在的一定关系，确定土的力学指标，划分土层，进行地基土评价和提供设计所有需参数。当静力触探的探头在静压力作用下，均速向土层中贯入时，探头附近一定范围内的土体受到压缩和剪切破坏，同时对探头产生贯入阻力。一般的说，同一种土层中贯入阻力大，土层的力学性质好，承载力高。反之，贯入阻力小，土层软弱，承载力低。在生产中利用静力触探与土的野外载荷试验对比，或静力触探贯入阻力与桩基承载力及土的物理学性质的指标对比，运用数理统计的方法，可以建立各种相关方程(经验关系)。这样，只要知道土层的贯入阻力即可确定该层土的地基承载力等指标参数。静力触探主要由两部分组成：一是贯入系统由加压装置及反力装置组成；二是量测系统由装在探头中的阻力传感器和量测仪表组成。2 2 2 2 静力触探的现场测试静力触探的现场测试2.12.12.12.1 操作前的准备及注意事项操作前的准备及注意事项1 数据记录系统操作前准备及注意事项1)检查电源：如用外接电源时，必须检查确认是 220V 交流电时，如为电瓶等直流电源，需检查其直流电压为 12V，方可接入静探微机。打开开关检查微机显示是否正常，无异常情况后方可使用。2)检查发讯机：角机插座接好后，打开仪表，拨动发讯角机并检查静探微机是否有讯号接收。3)在开始工作前，操作人员必须填写测试孔号、日期、时间、测试探头编号等项，工作结束后记录测试深度。2 现场操作前的准备及注意事项1)作业前需了解工程类型、工程特点、可能的基础类型及埋深，孔位、孔深、测试目的。2)了解作业场地的地形和交通情况。3)调查了解现场或附近已有的勘探资料，初步了解现场地层情况。4)调查了解作业区内有无地下电缆、管线、人防工程、房屋基础、古墓、地下设施、地下杂物以及它们的具体位置。2.22.22.22.2 测试过程中的注意事项测试过程中的注意事项1 在测试过程中，操作人员要密切注意测试微机的显示情况和贯入系统、车辆系统的工作情况，发现测试数据有异常现象，或车辆及贯入系统有异常情况，应立刻停止测试工作并及时检查，故障排除后方可继续进行工作。2 贯入工作结束后，要核对贯入深度并做记录。2.32.32.32.3 操作员操作过程中注意的几个问题操作员操作过程中注意的几个问题1 在使用前必须认真检查设备各部位，观察其是否有松漏现象，所有连接螺钉必须拧紧。2 当系统中发生故障时，严禁在工作状态时进行检修和调整。3 在进行系统试验时，不允许靠近高压管道，如高压管道有破漏现象时，眼睛不要对着喷射的方向，以免伤人。4 高压系统内，即使是发生局部微小的喷泄现象，也应停机修理，不能直接用手去堵塞，更不允许边工作边排除。5 系统中的控制表、阀等，不允许任意调整，否则会造成系统中的压力过高或过低，影响工作进行。3 3 3 3 静力触探的测试成果及修正静力触探的测试成果及修正3.13.13.13.1 静力触探测试成果静力触探测试成果目前我们采用的天津港达 TZK JT-1 型静力触探仪只具有测试数据的现场采集和保存功能，现场测试完成后需将静力触探仪内保存的数据通过数据线传输至微机内，以 TXT 文本格式保存为数据文件。在工程勘察辅助计算程序中可以对测试成果进行曲线显示、数据修改、成果打印、格式转换和一些计算分析等。静力触探测试的打印输出成果包括静力触探曲线图和测试数据。静力触探测试曲线图静力触探测试数据3.23.23.23.2 静力触探测试成果修正静力触探测试成果修正静力触探现场测试成果传输至微机后，应根据现场测试时的记录对测试成果进行深度修正和异常测试数据修正。4 4 4 4 静力触探成果的应用静力触探成果的应用静力触探测试成果的应用范围有查明地基土层在水平方向和垂直方向的变化、划分土层、确定土的类别、确定地基土的承载力指标和变形指标、选择桩基持力层、预估单桩承载力以及判别预制桩可能打入的深度、检查填土的质量、判别砂土液化的可能性。4.14.14.14.1 利用静力触探划分地层利用静力触探划分地层划分土层是静力触探的基本应用之一，单独根据锥尖、侧壁曲线或参数的分层称为力学分层。但这不是目的，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地质分层。目前国内外在利用静力触探指标判别土确定土名问题上，都是采用双桥探头测得的。铁道部第一设计院曾提出采用综合法确定划分土类的方法，用 Rf、qc最大值、曲线形态等来分层。这一方法很有价值。通过多年来任丘地区粘性土、粉土及砂性土中进行的静力触探与钻孔资料的对比，分别按土类从曲线形态、qc、fs、Rf四项进行分析，从中得出比较显著不同特征，可以做为划分土类的基本标志，现分述如下：4.1.14.1.14.1.14.1.1 各类土的静探双桥曲线特征各类土的静探双桥曲线特征(1)杂填土：曲线变化无规律，往往出现突变现象，由于其位于表层，比较好判定。(2)粘土：qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，fs曲线略有突峰，在曲线右侧且距离较大，Rf平均值一般大于 2.5-3.0。粘土特征曲线粉质粘土特征曲线(3)粉质粘土：qc曲线比较平缓，有缓慢的波形起伏，局部略有向右突峰，fs曲线局部略有突峰，与 qc曲线距离较近，大部位于 qc曲线右侧局部交叉越过左侧，Rf平均值在 1.0-2.5 之间。(4)粉土：qc值较大，曲线呈钝锯齿状，齿峰较缓，fs曲线一般位于 qc曲线右侧，局部间隔较大，但偶尔也和 qc曲线左右穿插。Rf平均值一般在 0.8-2.0 之间。粉土特征曲线粉细砂特征曲线(5)粉细砂：qc值较大，曲线呈尖锐锯齿状，fs曲线一般和 qc曲线间隔较小，曲线尖峰处大部位于 qc曲线以左；细砂中 qc曲线和 fs曲线的尖齿更为剧烈，局部呈不规则的、残破的大锯齿状，fs曲线大部位于 qc曲线左边。Rf平均值一般在 0.7-1.3 之间。4.1.24.1.24.1.24.1.2 各土类划分指标各土类划分指标通过对双桥探头平均锥尖阻力 qc和侧壁摩阻力 fs以及摩阻比 Rf，在任丘地区各类土中的一般取值范围进行分析，初步总结出了以下指标以参考划分土层，见下表。任丘地区各类土中静探指标取值范围任丘地区各类土中静探指标取值范围岩性qc平均值范围(kPa)fs值范围(kPa)Rf平均值范围(%)粘土650130018402.5粉质粘土65013006251.02.5粉土19008000181000.92.0粉砂4500400.81.3细砂5000450.81.3从总结指标可以看出：平均锥类、侧壁阻力值，平均摩阻比在不同土类中均有不同的取值范围，并有一定的规律性。由粘性-粉土-粉细砂，随着粘粒含量的逐步减小和土由细颗粒向粗颗粒逐渐增大，qc和 fs平均值逐渐增大，Rf平均值一般逐渐减小。正常状态下各种土的平均 qc、fs和 Rf取值均有一定的区间。但在工程实践中我们也发现有一些特殊情况，如在一些长期受生活用水等地表水浸泡的埋藏较浅的粉土层中，虽然曲线形态类似于粉土特征曲线，但 qc及 fs值均较低(实测 qc平均值仅 900kPa)。比如在化学药剂厂工程地质勘察中于地表下约 13.00m 处揭露的一层粉质粘土，呈硬塑-坚硬状态，含大量姜石，其曲线形态介于粘性土与粉土特征曲线之间，且 qc及 fs值较高(实测 qc平均值约 2000kPa)；对于这些特殊情况土层应参照钻探资料进行分层，并在今后的工程实践中总结、积累这方面的经验。4.1.34.1.34.1.34.1.3 土质分类判别程序土质分类判别程序(1)先以双桥曲线形态标准进行初判土名，再根据各层 qc、fs和 Rf平均值进行数据辅助判别修正，以此综合判别出土类。(2)一项工程或一个地貌单元，有多孔双桥曲线资料，可按剖面孔位互相对照比较将一个工程或地貌单元判别成标准剖面，以此进行土层分类定名，使土层分类统一。(3)对一项工程，特别是新区或较大规模建筑场地，应根据场地复杂程度、建筑类别、技术要求等综合确定布置一定数量的钻探孔，分层时和静力触探相互对照、互为参考，综合划分土层；对有相当经验的地区和较小规模的建筑，可单独使用静力触探划分土层。(4)对一些特殊情况，如上文提到的特殊情况下的粉土、粘性土等，应参照钻探资料综合确定土名，并逐步积累经验。4.1.44.1.44.1.44.1.4 分层中的超前和滞后现象分层中的超前和滞后现象根据静探指标划分地层，除了考虑贯入阻力大小的变化外，应注意由于地层结构对贯入阻力产生超前与滞后现象。在静探曲线中可以明显的看到，当软地层转为硬地层(或硬地层转为软地层)时，其贯入阻力不会是突变的，总是在一定深度范围内逐渐增大(或减小)。以探头由软地层进入硬地层为例，当深度尚未到达分层时，其锥尖阻力即开始增大(超前点)，直至阻力完全反应下部硬层指标时，其贯入深度已经进入硬层一定深度(滞后点)。在具体确定分层界线时，由于实际工作中所用的探头直径较小，其超前、滞后段一般 为10-20cm，因此，可取超前、滞后段的中点做为分层界线，已足够满足地层分层的精度要求。4.24.24.24.2 确定地基承载力、压缩模量确定地基承载力、压缩模量由于静力触探测定的是土的力学性质，反应了土的力学强度，因此，利用静力触探与土的承载力、压缩模量等力学指标建立相关关系是可行的。以下为任丘地区的静力触探经验公式：fak=0.0161.2qc+82.9(粉砂)(公式 1)fak=16.2(qc1.2/100)0.63+14.4(系数 0.750.9)(粉土)(公式 2)fak=26.9+1.2 0.104qc(系数 0.90.95)(粘性土)(公式 3)Es=3.721.2qc+1262(kPa)(公式 4)(粘性土：0.95粉土：视情况而定)qc:kPa4.34.34.34.3静力触探评价砂土和粉土的震动液化趋势静力触探评价砂土和粉土的震动液化趋势静力触探测试成果可用于对饱和粉土和饱和砂土进行地震液化趋势的微观判别。94 版勘察规范曾规定，采用静力触探试验判别，是根据唐山地震不同列席区的试验资料，用判别函数法统计分析得出的，已纳入铁道部铁路工程抗震设计规范和铁路工程地质原位测试规程，具体规定是：当实测计算比贯入阻力 Ps或实测计算锥尖阻力 qc小于液化比贯入阻力临界值 Pscr或液化锥尖阻力临界值 qccr时，应判别为液化土。并按下列公式计算：Pscr=Ps0awauap(公式 5)qccr=qc0awauap(公式 6)aw=1-0.065(dw-2)(公式 7)au=1-0.05(du-2)(公式 8)式中Pscr、qccr分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值及锥尖阻力临界值(MPa)；Ps0、qc0分别为地下水深度 dw=2m，上覆非液化土层厚度 du=2m 时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值(MPa)；aw地下水位埋深修正系数，地面常年有水且与地下水有水利联系时，取 1.13；au上覆非液化土层厚度修正系数，对深基础，取 1.0；dw地下水位深度(m)；du上覆非液化土层厚度(m)，计算时应将淤泥和淤泥质土层扣除；ap与静力触探摩阻比有关的土性修正系数。比贯入阻力和锥尖阻力基准值比贯入阻力和锥尖阻力基准值 Ps0、qc0抗震设防烈度7 度8 度9 度Ps0(MPa)5.0-6.011.5-13.018.0-20.0qc0(MPa)4.6-5.510.5-11.816.4-18.2土性修正系数土性修正系数 a a a ap p p p值值土类砂土粉土静力触探摩阻比 RfRf0.40.40.9ap1.000.600.45饱和砂土或粉土的实测计算锥尖阻力 qc建议按下述方法确定：(1)当土层厚度大于 1m 时，取该层锥尖阻力的平均值。当土层厚度小于 1m 时，并且上下土层均为阻值较小的土层时，取其较大值做为实测锥尖阻力值。(2)当土的厚度较大，力学性质显著不同，可明显分层时，应分别计算分层的平均贯入阻力值进行判别。应当注意的是，根据列出该公式的 94 版勘察规范的规定，该公式的判定深度应当是地面下15m 深度范围内，也即主要是应用于天然地基浅基础的微观液化判别。同时应用该方法不能确定地基的具体液化等级，如判定地层有液化趋势，尚应采用标准贯入试验方法进行具体的液化等级判定。4.44.44.44.4 静力触探在桩基中的应用静力触探在桩基中的应用静力触探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，它很早就被应用于桩基勘察中。据一些资料，用静力触探成果估算单桩承载力，效果比较好；与用桩载荷试验求单桩承载力的方法相比，具有明显的优点。4.4.14.4.14.4.14.4.1 确定桩端持力层层位、厚度、埋深确定桩端持力层层位、厚度、埋深从静力触探曲线上可容易地找出锥尖阻力较高的层位，将其确定为桩端持力层，再结合桩将承受的实际荷载的大小，可确定桩长、桩型、桩截面尺寸及桩的数量等，对设计人员会有很大帮助。4.4.24.4.24.4.24.4.2 确定单桩竖向承载力标准值确定单桩竖向承载力标准值静力触探试验可以看作是一个小直径桩的现场载荷试验。根据有关资料的对比结果表明，用静力触探成果估算单桩极限承载力是行之有效的。通常是按单桥和双桥探头实测曲线进行估算。现将几种采用双桥探头估算经验式介绍如下：1.1.1.1.建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范(JGJ(JGJ(JGJ(JGJ 94-94)94-94)94-94)94-94)中计算方法中计算方法建筑桩基技术规范(JGJ 94-94)中当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：pcsiiiukAqfluQ+=(公式 9)式中锥尖阻力修正系数，对粘性土取 2/3，对饱和砂土取 1/2；cq桩端平面上、下探头阻力，取桩尖平面以上 4d(d 为桩的直径或边长)范围内按厚度的加权平均值，然后再和桩尖平面以下 1d 范围内的cq值进行平均(kPa)；pA桩身横截面积(m2)；u桩身周长(m)；il桩穿越第i层土的厚度(m)；sif第i层土的静探侧壁摩阻力(kPa)；i第i层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算：对粘性土：55.005.10=siif对于砂土：45.005.5=siif确定桩的承载力时，安全系数取 2-2.5，以端承为主时取 2，以摩阻力为主时取 2.5。2.2.2.2.铁道部铁路工程地质原位测试规程铁道部铁路工程地质原位测试规程(TB(TB(TB(TB 10018-2003)10018-2003)10018-2003)10018-2003)中中计算方法计算方法1)1)1)1)打入混凝土桩承载力打入混凝土桩承载力打入钢筋混凝土预制桩的极限荷载uQ可根据双桥探头静探参数按下列公式及要求计算：cpcsiiiniuqAfhUQ+=1(公式 10)式中U桩身周长(m)；ih桩身穿过第i层土厚度；cA桩底(不包括桩靴)全断面面积(m2)；sif第i层土的触探侧阻平均值(kPa)；cpq桩底触探端阻计算值(kPa)；i、分别为第i层土的极限摩阻力和桩尖土的极限承载力修正系数。式中的cpq、i、应根据桩侧土和桩端土性质按下列要求计算：(1)当桩底高程以上 4d(d 为桩径)范围内平均端阻1cpq小于桩底高程以下 4d 范围内平均端阻力2cpq时：2/)(21cpcpcpqqq+=反之，则取2cpcpqq=(2)当桩侧第i层土平均端阻ciq2000kPa，且相应的摩阻比cisiqf/0.014 时：()45.0067.5=siif如ciq及sif、ciq不能同时满足上述条件时：()55.0045.10=siif由上述二式计算得siif100kPa 时，取siif=100kPa。(3)当2cpq2000kPa，且相应的摩阻比cisiqf/0.014 时：()25.0975.3=cpq如2cpq及cisiqf/不能同时满足上述条件时：()35.0064.12=cpq2)2)2)2)混凝土钻孔灌注桩及沉管灌注桩混凝土钻孔灌注桩及沉管灌注桩混凝土钻孔灌注桩及沉管灌注桩的极限荷载uQ也可按公式 10 估算，但式中的综合修正系数i、应按下列规定计值：(1)钻孔灌注桩的i、应按下列规定计算：()75.024.18=siif()76.053.130=cpq(2)沉管灌注桩的i、应按下列规定计算：()4.014.4=siif当桩底高程以下 4 的范围内的摩阻比 Rf(%)0.10132cpq+0.32 时：()14.065.1=cpq当桩底高程以下 4 的范围内的摩阻比 Rf(%)0.10132cpq+0.32 时：()09.045.0=cpq通过一些报道证明，除桩载荷试验法可直接从试验曲线上求出桩基承载力，为直接方法外，在其它间接方法(静力触探法、土工试验指标经验法、标准贯入法、动力测桩法等)中，静力触探法精度最高，效果最好，并可在打桩或成桩前预估单桩承载力，这又是直接法所不及的。由于我们目前在此方面开展工作较晚，尚未取得较成熟的地区经验。随着油田工业与民用建筑的逐年增多，且大都采用桩基这一趋势的出现，我们在今后的工程勘察中应注意多积累总结这方面的资料。4.54.54.54.5 检验压实素填土质量及强夯效果检验压实素填土质量及强夯效果4.5.14.5.14.5.14.5.1 检验压实素填土质量检验压实素填土质量静力触探可做为检验压实素填土的密度和均匀程度的现场测试手段之一，其优点是经济、迅速，可使取样数量大为减少，缩短检验周期。山西煤矿设计院建议以建筑物单元内的 k=qc maxqc min作为压实素填土地基的均匀程度的控制指标，即当 qc5000kPa，k1.55 时为均匀填土地基；当 qc5000kPa，k1.80 时为均匀填土地基。4.5.24.5.24.5.24.5.2 静力触探检验强夯效果静力触探检验强夯效果静力触探可以作为检验强夯效果的一种测试手段，一般限于粘性土和砂类土；对杂填土、房渣土及碎石土无效。静力触探可以贯穿整个强夯工作的始终，在勘察阶段，可以通过静力触探了解场区松软土层的分布及其力学性质，在试夯和强夯前后可做为质量检测手段。