浅议土体原位测试新技术

周金鹏

浅议土体原位测试新技术

周金鹏

简要介绍了土体原位测试方法的特点及分类,着重阐述了静力触探试验和旁压测试两种方法的原理,发展历程及适用范围等,指出这两种方法相互配合使用,能够提高精度、加快速度。

土体原位测试,静力触探试验,旁压测试

试验工作在岩土工程勘察中占有很重要的地位,就土工试验而论,可以分为室内试验和原位试验(或原位测试)。岩土的室内试验历史较长,经验也比较丰富。其主要优点是,试验时的边界条件和排水条件很容易控制,清楚明了,试验中的应力路径可事先选定。对小应变来说,土样中的应变场是均一的,所测土的物理力学性质指标已得到公认。其缺点是,试验需要取样,样品小,受扰动,代表性差,所测力学指标严重“失真”。原位测试一般是指在岩土工程勘察现场,在不扰动或者基本不扰动岩土层的情况下对岩土层进行测试,以获得所测岩土层的物理力学性质指标及划分岩土层的一种勘察技术。

原位测试的方法很多,可以归纳为剖面测试法和专门测试法。剖面测试法主要包括静力触探、动力触探、土的压入式板状膨胀测试及电阻率法等。剖面测试法具有可连续进行测试且快速、经济的优点。另外,专门测试法主要包括荷载试验、旁压试验、标准贯入试验、抽水和注水试验、十字板剪切试验、岩体应力测试等。专门测试法可得到岩土层中关键部位土的各种工程性质指标,精度高,测试成果可直接供设计部门使用。其精度一般可超过钻探和室内试验成果的精度。本文重点讨论两种新的原位测试技术。

1 静力触探试验

静力触探试验(static Cone Penetration Text,简称CPT)是利用准静力,以一恒定的贯入速率将圆锥探头通过一系列探杆压入土中,根据测得的探头贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质。这种方法对不易钻孔取样的饱和砂土、砂质粉土、高灵敏性软土,以及土层竖向变化复杂、不易密集取样的土层可在现场快速的测得土层对触探头的贯入阻力qc、探头侧壁与土体的摩擦阻力 fs等参数。与传统的钻探方法相比,具有速度快、劳动强度低、清洁、经济等优点。在原孔位中,利用不同传感器能取得连续的层的各种物理参数,并可由计算机进行数据处理和综合分析评价。静力触探技术不能对土进行直接的观察、鉴别,不适用于含碎石、砾石的土层和密实的砂层。

静力触探发展的历史不是很久,1932年荷兰工程师P.Barentsen进行了世界上第一个静力触探试验,1935年荷兰Delft土力学实验室第一任主任 T.K.Huizinga设计并使用了 10 t的荷兰锥贯入装置,并开始用于桩承载力试验研究。1948年,Vermeiden和Plantema改进了荷兰锥,即在探头上方增加了锥形保护部分,以阻止土从套管与钢杆之间进入。1952年,Begemann设计出可测侧阻力的摩擦套,并申请了专利。上述这些机械式的静力触探仪由于其简单和方便,现在仍在一些国家中使用。1948年,荷兰市政工程师 Bakker研制出世界上第一个电测式探头(Rotterdam cone),并申请了专利。从 1949年起,荷兰 Delft土力学实验室开始应用电测探头,并做了大量试验研究,1957年他们研制出第一台能测侧阻力的电测式探头,1965年荷兰 Fugro与TNO联合推出一种电测式探头,其规格也是后来 ISSMFE标准和许多国家标准的基础。从 20世纪 70年代后期开始,出现了孔压静力触探(CPTU)、环境静力触探及其他多功能探头等,静力触探技术得到了广泛应用和进一步的发展。

我国在 20世纪 30年代也出现机械式的荷兰静力触探仪。1954年,陈宗基教授自荷兰引进该项技术,并在黄土地区进行了试验研究。1964年,王钟琦等独立成功的研制出我国第一台电测式触探仪。但在 80年代以后对探头传感器技术改进很少。现主要使用的仍然是“单桥”探头和“双桥”探头。并且探头规格与国际通用的不尽相同,这给测试成果比较和国际学术交流造成了较大的困难。

以静力触探(CPTU)为基础,在探头上加各种不同用途的传感器,从而形成新的静力触探技术。现在这些技术有孔隙水压力静力触探测试(CPTU)、波速静力触探测试(SCPTU)、旁压静力触探测试(CPT-PMT)、放射性同位素静力触探测试(RI-CPTU)和电阻率静力触探测试(R-CPTU)。

孔隙水压力静力触探技术是把测孔隙水压力的传感元件与标准的静力触探组合在一起,在测定锥尖阻力qc和侧壁摩擦阻力fs的同时,量测土的孔隙水压力 u;当停止贯入时,还可量测超孔隙水压力Δu的消散,直至超孔隙水压力全部消散完,达到稳定的静止孔隙水压力 u0。

静探探头贯入土中所产生的超孔隙水压力是土类、土的强度和变形、排水性能的函数。国内有多家生产厂家生产该类仪器,这一技术已被列入原位测试规范。它与单、双桥静探方法相比,测试功能强大,优点突出,既可以用来划分土层,判别土类,又能通过超孔压消散过程来估算土层固结系数和渗透系数;与室内实验相比,快速简捷,易于操作,能较大的缩短试验周期,测试数据离散性小,精度高,能反映土的天然特性。而且由于孔压量测系统的透水滤器厚约 3mm,孔压传感器反应灵敏,能够识别不易取样的薄砂夹层(或软弱层),从而能使人们更清楚地了解整个土层分布情况。具体来说孔压静探的主要优越性：灵敏度很高,能分辨 1 cm～2 cm薄土层的土性变化,极大提高判别土类和划分土层的能力;可修正孔隙水压力对锥尖阻力qc和侧壁摩擦阻力fc的影响;可进行有效应力的分析;可估算土的渗透系数和固结系数;可测定土层不同深度处的静止水压力;可评定土的应力历史(超固结比OCR);对评定砂土和粉土的液化势有潜在的优势;能估算土的静止侧压力系数。

在做孔隙水压力静力触探时,探头的饱和是相当重要的,直接影响到所测参数的准确性。孔压触探探头若不饱和,即孔压通道中含气,由于气体容易压缩,在水压传导过程中,它相当于一个缓冲层,当探头周围的超孔隙水压力急剧变化时(例如由砂层进入粘土层等),它便会减缓这种变化。若根据孔隙水压力随深度的变化分层,分层界线不明显且比实际深一些。当做超孔隙水压力消散实验时,测得超孔隙水压力峰值偏小,消散又偏缓慢。探头不饱和程度越高,这种消峰滞后的效应越明显。孟高头等学者研究得出探头饱和在孔压触探测度中,探头饱和甚为关键,并且饱和探头最好用真空抽吸法,在饱和时应注意装置的密封性。另外,为保持探头的饱和状态,应针对不同的场地条件采取适当的处理措施。同时可通过孔压响应试验和触探测试结果对探头饱和状态进行检验。

2 旁压测试

旁压测试(PMT)是工程地质勘察中一种常用的原位测试技术,实质上是利用钻孔做原位横向荷载试验。其原理是：通过旁压器在竖直的孔内加压,使旁压膜膨胀,并由旁压膜(或护套)将压力传给周围土体(或软岩),使土体(或软岩)产生变形直至破坏;通过量测装置测出施加压力和土变形之间的关系,绘制应力—应变关系曲线;对孔周所测土体(或软岩)的承载力、变形性质等进行评价。与静力载荷测试相比,旁压测试可在不同深度上进行,所求的地基承载力值与平板载荷测试结果相近,精度较高。

预钻式旁压测试要求预先钻孔,对土层有扰动;自钻式旁压测试虽不用预钻孔,但设备复杂笨重,在湿陷性黄土地区应用困难,测试费用较高。20世纪 80年代初,剑桥公司和加拿大英属哥伦比亚大学联合研制的旁压静力触探仪较好的解决了上述问题。它在旁压器前方安装有与旁压器外径(旁压器装有条形钢片护套)相同的静力触探探头。试验时,将探头压入土中,旁压器也随之压入土中,即可测得静力触探数据,并可在预定深度停下来做旁压试验,所测得的旁压曲线类似自钻式旁压曲线。目前静力触探试验和旁压试验已成为常用的原位测试技术,旁压静力触探仪同时可做两项试验,提供的数据包括：锥头阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力、固结系数和旁压曲线等。因此,这种仪器有时也称全变形静力触探旁压仪。

3 结语

原位测试的方法很多,可以归纳为剖面测试法和专门测试法。剖面测试法具有可连续进行测试且快速、经济的优点。专门测试法可得到岩土层中关键部位土的各种工程性质指标,精度高,测试成果可直接供设计部门使用。其精度一般可超过钻探和室内试验成果的精度。这两种方法可以配合使用,提高精度、加快速度。

[1]刘松玉,吴燕开.论我国静力触探技术(CPT)现状与发展[J].岩土工程学报,2004(7)：53-54.

[2]石林珂,孙文怀.岩土工程原位测试[M].郑州：郑州大学出版社,2003.

[3]靳国礼,刘 洋.瑞利波测试技术及其应用[J].山西建筑,2010,36(2)：155-156.

Prelim inary discussion on the new technology of soilmass in-situ test

ZHOU Jin-peng

This article briefly introduces the features and classification of soilmass in-situ testmethods,main ly illustrates the p rinciples,development history,and application scope of static contact testand lateral p ressuring test,and points out that themutual cooperation usage of these twomethods can improve the accuracy and accelerate the speed.

soilmass in-situ test,static contact test,lateral pressuring test

TU413

A

1009-6825(2011)09-0078-02

2010-12-17

周金鹏(1978-),男,硕士,工程师,江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏南京 210017