原位测试技术

第十四讲原位测试技术
一、内容提要：
本讲主要讲述原位测试技术：载荷试验、十字板剪切试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、旁压试验、扁铲侧胀试验。

二、重点难点：
各种原位测试手段的适用范围及各自的优点。

三、内容讲解：
所谓原位测试就是在土层原来所处的位置基本保持土体的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下，测定土的工程力学性质指标。

原位测试与室内土工试验相比，具有以下主要优点：
(1)可以测定难以取得不扰动土样(如饱和砂土、粉土、流塑淤泥及淤泥质土、贝壳层等)的有关工程力学性质；
(2)可以避免取样过程中应力释放的影响；
(3)原位测试的土体影响范围远比室内试验大，因此代表性也强；
(4)可大大缩短地基土层勘察周期。

但是，原位测试也有不足之处。

例如：各种原位测试都有其适用条件，若使用不当则会影响其效果；有些原位测试所得参数与土的工程力学性质间的关系往往是建立在统计经验关系上；另外，影响原位测试成果的因素较为复杂，使得对测定值的准确判定造成一定的困难；还有，原位测试中的主应力方向往往与实际岩土工程中的主应力方向并不一致等等。

因此，土的室内试验与原位测试，两者各有其独到之处，在全面研究土的各项性状中，两者不能偏废，而应相辅相成。

工程地质原位测试的主要方法有：静力载荷试验、触探试验、剪切试验和地基土动力特性试验与现场渗透试验等。

【例题1】下列不属于原位测试手段的是（）。

A. 载荷试验
B. 触探试验
C. 现场渗透试验
D. 压缩试验
答案：D
(一)静力载荷试验(CPT)
1. 静力载荷试验的基本原理和意义
静力载荷试验就是在拟建建筑场地上，在挖至设计的基础埋置深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板，在其上逐级施加荷载，测定相应荷载作用下地基土的稳定沉降量，分析研究地基土的强度与变形特性，求得地基土容许承载力与变形模量等力学数据。

可见，静力载荷试验实际上是一种与建筑物基础工作条件相似，而且直接对天然埋藏条件下的土体进行的现场模拟试验。

所以，对于建筑物地基承载力的确定，比其他测试方法更接近实际；当试验影响深度范围内土质均匀时，用此法确定该深度范围内土的变形模量也比较可靠。

用静力载荷试验测得的压力P(kpa)与相应的土体稳定沉降量S(mm)之间的关系曲线(即P～S曲线)，按其所反映土体的应力状态，一般可划分为三个阶段，如图16-7-5。

第I阶段：从P～S曲线的原点到比例界限压力P0(P0亦称临塑压力)。

该阶段P～S
成线性关系，故称之为直线变形阶段。

在这个阶段内受荷土体中任意点产生的剪应力小于土的抗剪强度，土体变形主要由于土中孔隙的减少引起，土颗粒主要是竖向变位，且随时间渐趋稳定而土体压密，所以也称压密阶段。

第II阶段：从临塑压力P0到极限压力PU，P～S曲线由直线关系转变为曲线关系，其曲线斜率随压力P的增加而增大。

这个阶段除土体的压密外，在承压板边缘已有小范围局部土体的剪应力达到或超过了土的抗剪强度，并开始向周围土体发生剪切破坏(产生塑性变形区)；土体的变形由于土中孔隙的压缩和土颗粒剪切移动同时引起，土粒同时发生竖向和侧向变位，且随时间不易稳定，称之为局部剪切阶段。

第III阶段：极限压力PU以后，沉降急剧增加。

这一阶段的显著特点是：即使不施加荷载，承压板也不断下沉，同时土中形成连续的滑动面，土从承压板下挤出，在承压板周围土体发生隆起及环状或放射状裂隙，故称之为破坏阶段。

该阶段在滑动土体范围内各点的剪应力达到或超过土体的抗剪强度；土体变形主要由土颗粒剪切变位引起，土粒主要是侧向移动，且随时间不能达到稳定。

显然，当建筑物基底附加压力≤P0时，地基土的强度是完全保证的，且沉降也较小。

而当基底附加压力大于P0小于PU时，地基土体不会发生整体破坏，但建筑物的沉降量较大。

静力载荷试验可用于下列目的：
(1)确定地基土的临塑荷载P0、极限荷载PU，为评定地基土的承载力提供依据；
(2)估算地基土的变形模量E0、不排水抗剪强度Cu和基床反力系数Kv。

【例题2】做现场静力载荷试验时的实验位置为（）。

A. 基础埋置深度以上
B. 基础埋置深度以下
C. 基础埋置深度处
D. 地表处答案：C
【例题3】利用现场静力载荷试验不可以确定或估算地基土的项目是（）。

A. 临塑荷载
B. 极限荷载
C. 弹性模量
D. 基床反力系数
答案：C
2. 静力载荷试验的装置
载荷试验的装置由承压板、加荷装置及沉降观测装置等部分组成。

其中承压板一般为方形或圆形板；加荷装置包括压力源、载荷台架或反力架，加荷方式可采用重物加荷和油压千斤顶反压加荷两种方式；沉降观测装置有百分表、沉降传感器和水准仪等。

图16-7-6为几种常见的载荷试验设备。

3. 静力载荷试验的基本技术要求
静力载荷试验的承压板，一般用刚性的方形或圆形板，其面积应为2500cm2或5000cm2，目前工程上常用的是70.7cm×70.7cm和50cm×50cm。

对于均质密实的土如Q3老粘性土也可用1000cm2的承压板。

但对于饱和软土层，考虑到在承压板边缘的塑性变形影响，承压板的面积不应小于5000cm2。

如果地表为厚度不大的硬壳层，其下为软弱下卧层，而且建筑物基础以硬壳层为持力层，此时承压板应当选用尽量大的尺寸，使受压土层厚度与实际压缩层厚度相当，条件
许可时，最好在现场浇一实体基础供试验用。

但承压板面积加大，加载重量相应增加，试验的困难也就增大。

故除了专门性的研究外，通常仍然采用5000cm2的承压板。

在软土层或一般粘性土层中，比例界限值P0(临塑压力)一般不受或很少受承压板宽度的影响，但不同埋深对P0有影响。

加随埋深而增大，其变化规律与试验深度处土体原始有效覆盖压力的变化基本一致。

所以，对于厚度大而且比较均匀的软土或一般粘性土地基，可以采用较小面积的承压板进行静力载荷试验。

为了排除承压板周围超载的影响，试验标高处的坑底宽度不应小于承压板直径(或宽度)的3倍，并应尽可能减小坑底开挖和整平对土层的扰动，缩短开挖与试验的间隔时间。

而且，在试验开始前应保持土层的天然湿度和原状结构。

当被试土层为软粘土或饱和松散砂土时，承压板周围应预留20～30cm厚的原状土作为保护层。

当试验标高低于地下水位时，应先将地下水位降低至试验标高以下，并在试坑底部敷设5cm厚的砂垫层，待水位恢复后进行试验。

承压板与土层接触处，一般应敷设厚度为lcm左右的中砂或粗砂层，以保证底板水平，并与土层均匀接触。

试验加荷方法应采用分级维持荷载沉降相对稳定法(慢速法)或沉降非稳定法(快速法)。

试验的加荷标准：试验的第一级荷载(包括设备重量)应接近卸去土的自重。

每级荷载增量(即加荷等级)一般取被试地基土层预估极限承载力的1/10 ～1/8 。

施加的总荷载应尽量接近试验土层的极限荷载。

荷载的量测精度应达到最大荷载的1％，沉降值的量测精度应达到0.01mm。

各级荷载下沉降相对稳定标准一般采用连续2h的每小时沉降量不超过0.1mm，或连续1小时的每30 min的沉降量不超过0.05mm。

试验点附近应有取土孔提供土工试验指标，或其他原位测试资料，试验后应在承压板中心向下开挖取土试验，并描述2.0倍承压板直径(或宽度)范围内土层的结构变化。

静力载荷试验过程中出现下列现象之一时，即可认为土体己达到极限状态，应终止试验：
(1)承压板周围的土体有明显的侧向挤出或发生裂纹；
(2)在24h内，沉降随时间趋于等速增加；
(3)荷载P增加很小，但沉降量S却急剧增大，P～S曲线出现陡降阶段，或相对沉降s／b≥0.06～0.08。

4. 静力载荷试验资料的应用及其有关问题
载荷试验的主要成果为在一定压力下的S～t关系曲线以及P～S曲线。

这些资料可以应用于以下几个方面：
(1)确定地基的承载力
根据实验得到的P～S曲线，可以按强度控制法、相对沉降控制法或极限荷载法来确定地基的承载力。

1)强度控制法
以P～S曲线对应的比例界限压力或临塑压力作为地基土极限承载力的基本值。

当P～S曲线上有明显的直线段时，一般使用该直线段的终点所对应的压力为比例界限压力或临塑压力P0，见图16-7-7。

当P～S曲线上没有明显的直线段时，lgp～lgs曲线或P～曲线上的转折点所对应的压力即为比例界限压力或临塑压力P0，见图
16-7-8、图16-7-9。

根据相对沉降量s／b，即沉降量和承压板的宽度或直径之比来确定地基承载力。

若承压板面积为0.25～0.50m2，对于低压缩性土和砂土，可取s／b=0.01～0.015所对应的荷载值作为地基土的承载力基本值；对于中、高压缩性土可取s／b=0.02所对应的荷载值为承载力的基本值。

3)极限荷载法
若比例界限压力P0和极限承载力PU接近，即当P～S曲线上的比例界限点出现后，土体很快达到破坏时，可以用PU除以安全系数K作为地基土承载力的基本值；当P0与极限荷载PU不接近时，此时P～S曲线上既有P0，又有PU，可按下式计算地基承载力基本值：
(16-7-14)
A. 载荷板一倍宽度的深度以内
B. 载荷板二倍宽度的深度以内
C. 载荷板一倍宽度的深度以外
D. 载荷板一倍宽度的深度以外答案：
B
(二)静力触探试验(DPT)
静力触探是通过一定的机械装置，将一定规格的金属探头用静力压入土层中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的贯入阻力，以此来判断、分析、确定地基土的物理力学性质。

静力触探自1917年瑞典正式使用以来，至今已有80年的历史。

于60年代初期，我国与其他国家大体上在同一时期发展了电测静力触探，利用电测传感器直接量测探头的贯入阻力，大大提高了量测的精度和工效，有很好的再现性，并能实现数据的自动采集和自动绘制静力触探曲线，反映土层剖面的连续变化，操作快捷。

静力触探的主要优点是连续、快速、精确；可以在现场直接测得各土层的贯入阻力指标；掌握各土层原始状态(相对于土层被扰动和应力状态改变而言)下有关的物理力学性质。

这对于地基土层在竖向变化比较复杂，而用其他常规勘探手段不可能大密度取土或测试
来查明土层变化；对于饱和砂土、砂质粉土以及高灵敏度软粘土层中钻探取样往往不易
达到技术要求，或者无法取样的情况；用静力触探连续压入测试，则显出其独特的优越性。

但是，静力触探也有不足之处：不能对土层进行直接的观察、鉴别；由于稳固的反
力问题没有解决，测试深度不能超过80m；对于含碎石、砾石的土层和很密实的砂层一般不适合应用等。

【例题12】下列哪些土层不适合应用静力触探（）。

A. 饱和粉土
B. 软粘土
C. 饱和粉砂
D. 密实砂土答案：D 1．静力触探试验的主要技术要求
静力触探仪主要由三部分组成：贯入装置(包括反力装置)，其基本功能是可控制等速压
贯入；另一部分是传动系统，目前国内外使用的传动系统有液压和机械的两种；第三部
分是量测系统，这部分包括探头、电缆和电阻应变仪(或电位差计自动记录仪)等。

静力
触探仪按其传动系统可分为：电动机械式静力触探仪、液压式静力触探仪和手摇轻型链
式静力触探仪。

常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头和孔压探头。

根据实际工程所需测定的地
基土层参数选用单桥探头或双桥探头，探头圆锥截面积以10cm2为宜，也可使用5cm2。

(1)单桥探头
单桥探头只能测定一个触探指标—比贯入阻力PS，该指标的基本概念为：
1)这一贯入阻力对应于一定几何形状的探头，因此是相对贯入阻力，经大量试验研究，
按规范确定的探头规格，则触探结果不受其规格尺寸的影响。

2) PS值是探头锥尖底面积A与总贯入阻力P的比值：
(3)确定单桩承载力标准值Rk
重型动力触探试验对桩基持力层的锤击数N63.5与打桩机最后若干锤的平均每锤贯入度之间有一定的相关关系，根据这种关系就可以确定打入桩的单桩承载力标准值Rk。