1、     第十四講 原位測試技術 一、內容提要：本講主要講述原位測試技術：載荷試驗、十字板剪切試驗、靜力觸探試驗、圓錐動力觸探試驗、標準貫入試驗、旁壓試驗、扁鏟側脹試驗。 二、重點難點：各種原位測試手段的適用范圍及各自的優點。 三、內容講解： 所謂原位測試就是在土層原來所處的位置基本保持土體的天然結構、天然含水量以及天然應力狀態下，測定土的工程力學性質指標。     原位測試與室內土工試驗相比，具有以下主要優點：     (1)可以測定難以取得不擾動土樣(

2、如飽和砂土、粉土、流塑淤泥及淤泥質土、貝殼層等)的有關工程力學性質；     (2)可以避免取樣過程中應力釋放的影響；     (3)原位測試的土體影響范圍遠比室內試驗大，因此代表性也強；     (4)可大大縮短地基土層勘察周期。     但是，原位測試也有不足之處。例如：各種原位測試都有其適用條件，若使用不當則會影響其效果；有些原位測試所得參數與土的工程力學性質間的關系往往是建立在統計經驗關系上；另外，影響原位測試成果的因素較為復雜

3、，使得對測定值的準確判定造成一定的困難；還有，原位測試中的主應力方向往往與實際巖土工程中的主應力方向并不一致等等。因此，土的室內試驗與原位測試，兩者各有其獨到之處，在全面研究土的各項性狀中，兩者不能偏廢，而應相輔相成。 工程地質原位測試的主要方法有：靜力載荷試驗、觸探試驗、剪切試驗和地基土動力特性試驗與現場滲透試驗等。 【例題1】下列不屬于原位測試手段的是（       ）。 A.  載荷試驗      B.  觸探試驗

4、60;      C.  現場滲透試驗      D.  壓縮試驗 答案：D (一)靜力載荷試驗(CPT)     1. 靜力載荷試驗的基本原理和意義     靜力載荷試驗就是在擬建建筑場地上，在挖至設計的基礎埋置深度的平整坑底放置一   定規格的方形或圓形承壓板，在其上逐級施加荷載，測定相應荷載作用下地基土的穩定沉降

5、量，分析研究地基土的強度與變形特性，求得地基土容許承載力與變形模量等力學數據。可見，靜力載荷試驗實際上是一種與建筑物基礎工作條件相似，而且直接對天然埋藏條件下的土體進行的現場模擬試驗。所以，對于建筑物地基承載力的確定，比其他測試方法更接近實際；當試驗影響深度范圍內土質均勻時，用此法確定該深度范圍內土的變形模量也比較可靠。     用靜力載荷試驗測得的壓力P(kpa)與相應的土體穩定沉降量S(mm)之間的關系曲線(即PS曲線)，按其所反映土體的應力狀態，一般可劃分為三個階段，如圖16-7-5。     第I階段：從P

6、S曲線的原點到比例界限壓力P0(P0亦稱臨塑壓力)。該階段PS成線性關系，故稱之為直線變形階段。     在這個階段內受荷土體中任意點產生的剪應力小于土的抗剪強度，土體變形主要由于土中孔隙的減少引起，土顆粒主要是豎向變位，且隨時間漸趨穩定而土體壓密，所以也稱壓密階段。     第II階段：從臨塑壓力P0到極限壓力PU，PS曲線由直線    關系轉變為曲線關系，其曲線斜率隨壓力P的增加而增大。這個階段除土體的壓密外，在承壓板邊緣已有小范圍局部土體的剪應力達到或超過了土的抗剪強度

7、，并開始向周圍土體發生剪切破壞(產生塑性變形區)；土體的變形由于土中孔隙的壓縮和土顆粒剪切移動同時引起，土粒同時發生豎向和側向變位，且隨時間不易穩定，稱之為局部剪切階段。     第III階段：極限壓力PU以后，沉降急劇增加。這一階段的顯著特點是：即使不施加荷載，承壓板也不斷下沉，同時土中形成連續的滑動面，土從承壓板下擠出，在承壓板周圍土體發生隆起及環狀或放射狀裂隙，故稱之為破壞階段。該階段在滑動土體范圍內各點的剪應力達到或超過土體的抗剪強度；土體變形主要由土顆粒剪切變位引起，土粒主要是側向移動，且隨時間不能達到穩定。    

8、; 顯然，當建筑物基底附加壓力P0時，地基土的強度是完全保證的，且沉降也較小。而當基底附加壓力大于P0小于PU時，地基土體不會發生整體破壞，但建筑物的沉降量較大。     靜力載荷試驗可用于下列目的：      (1)確定地基土的臨塑荷載P0、極限荷載PU，為評定地基土的承載力提供依據； (2)估算地基土的變形模量E0、不排水抗剪強度Cu和基床反力系數Kv。 【例題2】做現場靜力載荷試驗時的實驗位置為（     ）。 A.  

9、基礎埋置深度以上      B.  基礎埋置深度以下      C.  基礎埋置深度處 D.  地表處                          

10、60;                        答案：C 【例題3】利用現場靜力載荷試驗不可以確定或估算地基土的項目是（       ）。 A.  臨塑荷載     B.  極限荷載 

11、     C.  彈性模量        D.  基床反力系數 答案：C    2. 靜力載荷試驗的裝置     載荷試驗的裝置由承壓板、加荷裝置及沉降觀測裝置等部分組成。其中承壓板一般為    方形或圓形板；加荷裝置包括壓力源、載荷臺架或反力架，加荷方式可采用重物加荷和油壓千斤頂反壓加荷兩種方式；

12、沉降觀測裝置有百分表、沉降傳感器和水準儀等。    圖16-7-6為幾種常見的載荷試驗設備。     3. 靜力載荷試驗的基本技術要求     靜力載荷試驗的承壓板，一般用剛性的方形或圓形板，其面積應為2500cm2或5000cm2，目前工程上常用的是70.7cm×70.7cm和50cm×50cm。   對于均質密實的土如Q3老粘性土也可用1000cm2的承壓板。但對于飽和軟土層，考慮到在承壓板邊緣的塑性變形影響，承壓板的面積不應小于5

13、000cm2。   如果地表為厚度不大的硬殼層，其下為軟弱下臥層，而且建筑物基礎以硬殼層為持力層，此時承壓板應當選用盡量大的尺寸，使受壓土層厚度與實際壓縮層厚度相當，條件許可時，最好在現場澆一實體基礎供試驗用。但承壓板面積加大，加載重量相應增加，試驗的困難也就增大。故除了專門性的研究外，通常仍然采用5000cm2的承壓板。在軟土層或一般粘性土層中，比例界限值P0(臨塑壓力)一般不受或很少受承壓板寬度的影響，但不同埋深對P0有影響。加隨埋深而增大，其變化規律與試驗深度處土體原始有效覆蓋壓力的變化基本一致。所以，對于厚度大而且比較均勻的軟土或一般粘性土地基，可以采用較小面積的承

14、壓板進行靜力載荷試驗。     為了排除承壓板周圍超載的影響，試驗標高處的坑底寬度不應小于承壓板直徑(或寬度)的3倍，并應盡可能減小坑底開挖和整平對土層的擾動，縮短開挖與試驗的間隔時間。而且，在試驗開始前應保持土層的天然濕度和原狀結構。當被試土層為軟粘土或飽和松散砂土時，承壓板周圍應預留2030cm厚的原狀土作為保護層。當試驗標高低于地下水位時，應先將地下水位降低至試驗標高以下，并在試坑底部敷設5cm厚的砂墊層，待水位恢復后進行試驗。     承壓板與土層接觸處，一般應敷設厚度為lcm左右的中砂或粗砂層，以保證底板

15、水平，并與土層均勻接觸。     試驗加荷方法應采用分級維持荷載沉降相對穩定法(慢速法)或沉降非穩定法(快速法)。試驗的加荷標準：試驗的第一級荷載(包括設備重量)應接近卸去土的自重。每級荷載增量(即加荷等級)一般取被試地基土層預估極限承載力的1/10 1/8 。施加的總荷載應盡量接近試驗土層的極限荷載。荷載的量測精度應達到最大荷載的1，沉降值的量測精度應達到0.01mm。     各級荷載下沉降相對穩定標準一般采用連續2h的每小時沉降量不超過0.1mm，或連續1小時的每30 min的沉

16、降量不超過0.05mm。     試驗點附近應有取土孔提供土工試驗指標，或其他原位測試資料，試驗后應在承壓板中心向下開挖取土試驗，并描述2.0倍承壓板直徑(或寬度)范圍內土層的結構變化。     靜力載荷試驗過程中出現下列現象之一時，即可認為土體己達到極限狀態，應終止試驗：     (1)承壓板周圍的土體有明顯的側向擠出或發生裂紋；     (2)在24h內，沉降隨時間趨于等速增加；     (3

17、)荷載P增加很小，但沉降量S卻急劇增大，PS曲線出現陡降階段，或相對沉降sb0.060.08。     4. 靜力載荷試驗資料的應用及其有關問題     載荷試驗的主要成果為在一定壓力下的St關系曲線以及PS曲線。這些資料可以應用于以下幾個方面：     (1)確定地基的承載力     根據實驗得到的PS曲線，可以按強度控制法、相對沉降控制法或極限荷載法來確定地基的承載力。     1)

18、強度控制法     以PS曲線對應的比例界限壓力或臨塑壓力作為地基土極限承載力的基本值。     當PS曲線上有明顯的直線段時，一般使用該直線段的終點所對應的壓力為比例界限壓力或臨塑壓力P0，見圖16-7-7。當PS曲線上沒有明顯的直線段時，lgplgs曲線或P 曲線上的轉折點所對應的壓力即為比例界限壓力或臨塑壓力P0，見圖16-7-8、圖16-7-9。根據相對沉降量sb，即沉降量和承壓板的寬度或直徑之比來確定地基承載力。若承壓板面積為0.250.50m2，對于低壓縮性土和砂土，可取sb=0.0

19、10.015所對應的荷載值作為地基土的承載力基本值；對于中、高壓縮性土可取sb=0.02所對應的荷載值為承載力的基本值。 3)極限荷載法 若比例界限壓力P0和極限承載力PU接近，即當PS曲線上的比例界限點出現后，土體很快達到破壞時，可以用PU除以安全系數K作為地基土承載力的基本值；當P0與極限荷載PU不接近時，此時PS曲線上既有P0，又有PU，可按下式計算地基承載力基本值：                  

20、0;       (16-7-14)A.  載荷板一倍寬度的深度以內         B.  載荷板二倍寬度的深度以內  C.  載荷板一倍寬度的深度以外         D.  載荷板一倍寬度的深度以外    

21、0; 答案：B (二)靜力觸探試驗(DPT) 靜力觸探是通過一定的機械裝置，將一定規格的金屬探頭用靜力壓入土層中，同時用傳感器或直接量測儀表測試土層對觸探頭的貫入阻力，以此來判斷、分析、確定地基土的物理力學性質。靜力觸探自1917年瑞典正式使用以來，至今已有80年的歷史。于60年代初期，我國與其他國家大體上在同一時期發展了電測靜力觸探，利用電測傳感器直接量測探頭的貫入阻力，大大提高了量測的精度和工效，有很好的再現性，并能實現數據的自動采集和自動繪制靜力觸探曲線，反映土層剖面的連續變化，操作快捷。 靜力觸探的主要優點是連續、快速、精確；可以在現場直接測得各土層的貫入阻力指標；掌握各土層

22、原始狀態(相對于土層被擾動和應力狀態改變而言)下有關的物理力學性質。這對于地基土層在豎向變化比較復雜，而用其他常規勘探手段不可能大密度取土或測試來查明土層變化；對于飽和砂土、砂質粉土以及高靈敏度軟粘土層中鉆探取樣往往不易達到技術要求，或者無法取樣的情況；用靜力觸探連續壓入測試，則顯出其獨特的優越性。但是，靜力觸探也有不足之處：不能對土層進行直接的觀察、鑒別；由于穩固的反力問題沒有解決，測試深度不能超過80m；對于含碎石、礫石的土層和很密實的砂層一般不適合應用等。 【例題12】下列哪些土層不適合應用靜力觸探（      ）。 A.

23、60; 飽和粉土       B.  軟粘土      C.  飽和粉砂      D. 密實砂土      答案：D 1靜力觸探試驗的主要技術要求 靜力觸探儀主要由三部分組成：貫入裝置(包括反力裝置)，其基本功能是可控制等速壓貫入；另一部分是傳動系統，目前國內外使用的傳動系統有液壓和機械

24、的兩種；第三部分是量測系統，這部分包括探頭、電纜和電阻應變儀(或電位差計自動記錄儀)等。靜力觸探儀按其傳動系統可分為：電動機械式靜力觸探儀、液壓式靜力觸探儀和手搖輕型鏈式靜力觸探儀。 常用的靜力觸探探頭分為單橋探頭和雙橋探頭和孔壓探頭。根據實際工程所需測定的地基土層參數選用單橋探頭或雙橋探頭，探頭圓錐截面積以10cm2為宜，也可使用5cm2。 (1)單橋探頭 單橋探頭只能測定一個觸探指標比貫入阻力PS，該指標的基本概念為： 1)這一貫入阻力對應于一定幾何形狀的探頭，因此是相對貫入阻力，經大量試驗研究，按規范確定的探頭規格，則觸探結果不受其規格尺寸的影響。 2) PS值是探頭錐尖底面積

25、A與總貫入阻力P的比值： 實用公式適用條件來源f0=0.075Ps+42上海硬殼層 同濟大學等f0=0.07Ps+37上海淤泥質粘性土f0=0.075Ps+38上海灰色粘性土f0=0.055Ps+45上海粉土f0=0.05Ps+73一般粘性土    1500Ps6000建設部綜勘院f0=0.104Ps+25.9淤泥質土、一般粘性土、老粘土    300Ps6000武漢聯合試驗組f0=0.083Ps+54.6淤泥質土、一般粘性土    300Ps3000f0=0.097Ps+76老粘性土    3000Ps6000f0=5.25 -103中、粗砂    1000Ps10000f0=0.02Ps+59.5粉、細砂    1000Ps15000f0=