静力触探技术的实质及其应用现状与前景

·论文·静力触探技术的实质及其应用现状与前景王锺琦（建设综合勘察研究设计院，北京 100007）摘要：笔者根据多年切身体验，概述我国电测静力触探（CPT）的创制及发展历程，并对照海外同类技术的实况，藉以针对当前在CPT应用问题上一些分歧意见，提出某些观点。

关键词：荷兰锥；电测静力触探；标准贯入试验；孔压触探；原位测试中图分类号：TU413 文献标识码：AAbstract：Based on personal practice and experience for years, the author intends to summarize the creation and development of the Chinese electrical CPT in contrast with the CPT used overseas, so as to give some points of view targeting the current controversies in the application of CPT.Key words：Dutch Cone; CPT; SPT; Piezo-Cone; In-situ test0引言我国静力触探技术应用四十多年迄今，取得了丰富的经验和巨大的技术经济价值。

但着眼于当今国内外发展的CPT的混杂现状，让使用者莫衷一是。

顾宝和先生在《国际岩土工程勘察规范中的静力触探问题》一文中阐述了重要的论点，笔者完全同意。

关于如何看待我国自己发展的静力触探问题，近年来存在着分歧意见[1～4]。

为此，笔者愿借此机会，谈一些自己的看法。

1 静力触探技术革命的历史沿革——正本清源，避免误导触探一词始于上世纪三十年代西北欧的多软土国家，其中以荷兰delft土力学实验研究所为代表发展起来的探测土层深部情况的工具，曾名Sonde，后又叫Dutch Cone，即荷兰锥。

到了1948年，在荷兰鹿特丹召开第二届国际土力学基础工程会议期间，又逐步改进，集成一种用A、B、C三重杆管组成的机械装置，在地面上通过笨重的带有油压表的组合齿轮箱，分三个步骤将组合杆管分别压入地下（见图1），以测求锥尖阻力及外管壁所受的土的附着力（其后又混称为“摩擦力f s”）。

这种原始的机械式静力触探，在荷兰一直沿用到1970年左右。

其最有力的证明是1969年4月及1969年7月荷兰Delft实验研究所正式出版的学报，《1 gm_medelelingen》专辑（the dutch static penetration test with the adhesion jacket cone），书中仍标榜着他们的A、B、C三重杆管组成的机械式静力触探的工作程序标准图。

图1 荷兰的三重杆管组合机械式静力触探工作示意图这就是陈宗基1954年回国后自荷兰用重金引进的“国际先进技术”—delft静力触探。

可惜的是科学院工力所在黄土地区无水干扰情况下试用未几，弃而舍之。

其后，综合勘察院及冶金勘察总院等单位亦曾盲收稿日期：2008-06-03作者简介：王锺琦（1930－），男（汉族），北京人，首届工程勘察大师，岩土工程、地震工程博士生导师.目试制轻便的delft触探，均因无法测知并消除大量的误差因素，且操作极端繁杂失控，忍痛放弃了之。

静力触探技术的革命性发展启灵于上世纪50年代末期电阻应变微米测试传感技术的出现。

失败于追随“荷兰锥”，而力求改变在地面上通过笨重粗糙的机械管件间接推测地下土层情况的老一套方案，随即产生翻天覆地的新思路——设计一种力传感器，贯入地层深部直接感受土层的反应，这就是我们发展革命性电测静力触探的概念设计。

自1962年开始经过两年多的奋力探索，于1964年试制成功，并在建工系统内推广[5，6]。

1966年在武汉市召开全国测试会议中，陈宗基首次看到此项创新，连称应有patent（专利）。

显然，他来自荷兰尚属前所未闻。

值得一提的是，荷兰delft已在出版上述学报专辑时（即1969年4~7月），正在研制甚至接近成功的电测静力触探，该书第五章第二段首先提及“In the near future this mechanical equipment will be replaced by an electrical one.”。

果然，他们在1970年于美国土木工程学会SMFE学报上发表了荷兰的CPT。

及至1980年荷兰部长级代表团访问我国家建委及中国建筑科学研究院，得悉并参观了我国的CPT，甚为惊异。

回国后撰写访华报告，并抄送我国家建委一份，其中指出：中国的CPT发展较荷兰早5~6年。

简略回顾历史，可以不容置疑地说，由原建工部综合勘察研究院研制成功，并由全国四十多个勘察、设计、科研单位齐心协力发展起来的一整套电测静力触探（CPT）的仪器、机具、方法与实用经验[8]，是项举世无双的，且是国际首创的新技术成就，这是我国当仁不让的荣誉，更不应妄自菲薄，以免对触探发展史不知者产生误导。

2静力触探（CPT）的力学实质CPT探头，不论其内部构造如何，但探头端部必须是圆锥形的，它完全不同于一个平头（平底）的圆柱体作用于土中的情况。

当圆锥头贯入土体中，土体既有压缩，又有剪切，既有挤密，又有剪胀，既有固结，又有塑滑。

因此所测到的贯入阻力，是这些力学机理错综复杂地交织在一起的综合力学反应，故我国的CPT指标叫“比贯入阻力”（Specific Penetration Resistance）。

任何单一的力学模型都无法描述这种过程。

所以，不论是Vesic 的梨形破损面，Berezantzev的对数螺旋型滑弧，还是Janbu的简化滑楔，都是假设刚性的金属锥头不存在的情况下，想象出来的单一机制的塑性平衡，它无法通过模型实验来证明，因此没有任何实际意义和实用价值。

回想五十多年前我国电测静力触探早期发展的时候，有人认为“静力锥头贯入在理论上没解决”或“触探机理不清楚，因此不能推广应用”。

实际上，我们应该承认：CPT的应用是实验土力学（Experimental Soil Mechanics）的课题，而不是理论土力学课题。

它可以通过实验来证明和建立某种实用的方法和规律，但不能无视甚至违背土力学理论或概念去建立假设的规律。

半个世纪来，国内外对CPT的应用都不容置疑地建立在可靠的实验基础上，而不是臆想的机理分析。

3多种触探，何取何舍，应顺其自然，优胜劣汰，不应冒然论定触探是岩土工程最讲求实用效果的原位测试技术。

近百年来，多种触探自存自灭不胜枚举，其决定因素决非表观的繁简，而是其内在潜能大小。

众所周知，标准贯入（SPT）看来既“土”且粗，但近七十年来经久不衰，且日益称霸而迄今无可取代[9，10]。

特查基（K.Terzaghi）将美国Fletcher公司1938年使用的当时所谓“薄壁取土器”，配以140磅重锤，按30英寸落距打入土中1英尺深度所用的锤击数（N），作为SPT指标，如此既粗且笨的方法与设备，迄今竟一直是被国际上所公认的重要技术手段。

在香港自英属时期到回归祖国迄今，所有的基础工程绝大部分采用桩基，其设计必须依据实测的SPT 数据，以强行贯入100mm微风化Ⅱ级基岩，换算得到的相当于N=200的地层方可作为桩基持力层。

此一标准法则确实保证了桩基的稳定性，至今无法取而代之。

这说明SPT的强大生命力。

图2 综合勘察院于60年代初期发展电测静力触探而设计的两种探头对我国的单桥静力触探，有人认为测试指标仅比贯入阻力P s一项，过于单一，因而形似落后，应予淘汰。

孰知早在1962年，我们通过仿制自荷兰引进的Delft三重杆管机械式静力触探，对其中的问题了若指掌。

当时如想研制同时测试q c和f s的电测探头，与只测求锥尖阻力的电测探头，两者在技术上的难度没有任何差别。

而且我们也设计出了双桥探头图纸（见图2）[7]。

但我们认为探头“侧壁管”的力学功能概念模糊，忽叫“附着力筒”，又叫“摩阻力筒”，且其长度无法确定。

如长度大于某一薄土层厚度时，则f s值所反映的哪层力学性质难以辨认且图含混不清而失真。

且当时我们研制CPT的主要目的在于用CPT的一个代表性的力学指标（即单桥比贯入阻力P s）和土的主要力学性质—变形（模量E值）及强度（承载力R值）建立实用的相关关系，而f s值则难以达到此目的。

因此，我们执意发展了单桥探头，而无意分散精力去探索兼测侧阻力的双桥探头。

在七十年代后期，我们已了解到Fugro的电测双桥探头，在结构上的缺欠（密封性及传感元件摩阻误差等），且在荷兰标准中对探头侧壁管的长度无法规定具体数值，这说明测求f s值难以标准化。

现在我们又如何在此问题上与国际接轨呢？关于孔压静力触探（piezocone或CPTU），自上世纪八十年代出现以来，出现了很多不同的探头结构及测试方法，导致所得结果各异。

其中一直存在着令人困扰的问题是，触探所测的孔压机理与传统的固结理论及其力学模型似无共同之处。

在触探头锥尖附近测得的经受挤压塑流的土中孔压值是受多种几何因素影响的随机变量，如何能与正规固结试验所求参数建立起力学解析式，这是令人费解的。

孔压静力触探数据毕竟是饱水土体在经受锥头静力贯入作用后产生的某种力学反映，它有研究的价值，如能解决某个土力学的实用课题，我们乐见其成。

但在当前面临一系列工作机理、力学概念和测试手段上的困扰情况下，不宜茫然舍我求彼。

笔者自1994年国内退休后，十年来历任两个国际知名的顾问公司岩土工程首席技术职责。

对国际上CPT的技术行情深有感触。

总括来说，Fugro的CPT几乎称霸近海石油平台海底原位测试天下，并以其特有的海上作业船配套的潜水CPT设备著称。

其专有的四项功能的CPT可提供q c、f s、u (孔压)、α（测斜），也一直炫耀于国际岩土工程界。

但其陆上的CPT则因价格昂贵而较为少见，特别是在南北美洲大陆绝少应用，且鲜为人知。

外国投资给我国的工程项目，常由国外顾问公司负责设计岩土工程，有人为了自我炫耀，标奇立异，夺取利益，有时提出要求使用Fugro CPT测试项目。

Fugro公司为了垄断而乐于接受，但只能直接提供测试服务，为求高利而不出借或出售其CPT设备。

但其测试报告，仅限于提供四种参数的原始测试曲线记录，而绝不作任何解读或其数据的使用说明。

这是Fugro的技术服务国际标准。

笔者在位时也严守Fugro此规，拒对任何单位作任何CPT数据的判释。

主要原因一是无标准可循；二是q c、f s、u值工作机理不清楚，无公认的理论依据；三是f s及u值无公认的使用经验。

因此，只能提请原设计委托单位自行处理问题。

但实际上，尚未闻及设计单位能自行研究使用此三数据，尤其是u值的成果如何解决任何设计问题。