静力触探试验(原理和应用)

静力触探试验

静力触探测试〔static cone penetration test〕简称静探（CPT）。静力触探试验是把一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压人土中，并测定探头阻力等的一种测试方法，实际上是一种准静力触探试验。荷兰人在20世纪40年代提出了静力触探技术和机械式静力触探仪。试验是用机械装置把带有双层管的圆锥形探头压人土中，在地面上用压力表分别量测套筒侧壁与周围土层间的摩阻力（f s）和探头锥尖贯入土层时所受的阻力（q c）。电测静力触探试验于1964年首先在我国研制成功。原建工部综合勘察院成功地研制了世界上第一台电测静力触探仪，即我国目前普遍应用的单桥（单用）探头静力触探仪。利用电阻应变测试技术，直接从探头中量测贯入阻力，并定义为比贯入阻力。20世纪60年代后期，荷兰开始研制类似的电测静力触探仪，探头为双桥式的。此项成果发表于1971年。从20世纪70年代开始，电测静力触探的发展使静力触探有了新的活力，发展迅猛，应用普遍。其中，最重要的发展是国际上于20世纪80年代初成功研制了可测孔隙水压力的电测式静力触探，简称孔压触探.（CPTU）。它可以同时测量锥头阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力，为了解土的更多的工程性质及提高测试精度提供了极大的可能性和现实性。

目前在我国使用的静力触探仪以电测式为主。

静力触探具有下列明显优点：

（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼有勘探与测试的双重作用；

（2）采用电测技术后，易于实现测试过程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，大大减轻了人的工作强度。

由于以上原因，电测静力触探是目前应用最广的一种土工原位测试技术，本章将重点加以叙述和讨论。

静力触探的主要缺点是对碎石类土和密实砂土难以贯入，也不能直接观测土层。在地质勘探工作中，静力触探常和钻探取样联合运用。

图2-1是静力触探示意和得到的测试曲线。从测试曲线和地层分布的对比可以看出，触探阻力的大小与地层的力学性质有密切的相关关系。

静力触探技术在岩土工程中的应用在于：

对地基土进行力学分层并判别土的类型；确定地基土的参数（强度、模量、状态、应力历史）；砂土液化可能性；浅基承载力；单桩竖向承载力等。

图2-1 静力触探示意及其曲线

（a）静力触探示意及土层剖面（b）静力触探曲线

试验设备和方法

试验设备

静力触探仪一般由三部分构成，即：①触探头，也即阻力传感器；②量测记录仪表；③贯入系统：包括触探主机与反力装置，共同负责将探头压人土中。目前广泛应用的静力触探车集上述三部分为一整体，具有贯入深度大（贯入力一般大于100kN）、效率高和劳动强度低的优点。但它仅适用于交通便利、地形较平坦及可开进汽车的勘测场地使用。贯入力等于或小于50kN者，一般为轻型静力触探仪，使用时，一般都将上述三部分分开装运到现场，进行测试时再将三部分有机地联接起来。在交通不便、勘测深度不大或土层较软的地区，轻型静力触探应用很广。它具有便于搬运、测试成本较低及灵活方便之优点。静力触探仪的贯入力一般为20~100kN，最大贯入力为200kN，因为细长的探杆受力极限不能太大，太大易弯曲或折断。贯入力为20~30kN者，一般为手摇链式电测十字板-触探两用仪。贯入力大于50kN者，一般为液压式主机。在参考资料中对触探仪有较为详尽的介绍。

（一）探头

1．探头的种类及规格

探头是静力触探仪的关键部件。它包括摩擦筒和锥头两部分，有严格的规格与质量要求。目前，国内外使用的探头可分为三种类型（见图2-2和2-3）。

（1）单桥探头：是我国所特有的一种探头类型。它是将锥头与外套筒连在一起，因而只能测量一个参数。这种探头结构简单，造价低，坚固耐用。此种探头曾经对推动我国静力触探测试技术的发展和应用起到了积极的作用，自60年代初开始应用以来，积累了相当丰

富的经验，已建立了关于测试成果和土的工程性质之间众多的经验关系式。由于测试成本低，被勘测单位广泛采用。但应指出，这种探头功能少，其规格与国际标准也不统一，不便于开展国际交流，其应用受到限制。

（2）双桥探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可同时测锥头阻力和侧壁摩擦力两个参数的探头。国内外普遍采用，用途很广。

（3）孔压探头：它一般是在双用探头基础上再安装一种可测触探时产生的超孔隙水压力装置的探头。孔压探头最少可测三种参数，即锥尖阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力，功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。在我国，也会得到越来越多的应用。

此外，还有可测波速、孔斜、温度及密度等的多功能探头，不再一一介绍。常用探头的规格见表2-1。

探头的功能越多，测试成果也越多，用途也越广；但相应的测试成本及维修费用也越高。因而，应根据测试目的和条件，选用合适的探头。表2-1中各类型探头的底面积不同，主要是为了适应不同的土层强度。探头底面积越大，能承受的抗压强度越高；另一个原因是可有更多的空间安装附加传感器。但在一般土层中，应优先选用符合国际标准的探头，即探头顶角为60︒，底面积为10cm2，侧壁摩擦筒表面积为150cm2的探头，其成果才具有较好的可比性和通用性，也便于开展技术交流。

（二）量测记录仪表

我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器。因此，与其配套的记录仪器主要有以下4种类型：①电阻应变仪；②自动记录绘图仪；③数字式测力仪；④数据采集仪（微机控制）。

1. 电阻应变仪

从60年代起直到70年代中期，一直是采用电阻应变仪。电阻应变仪具有灵敏度高、测量范围大、精度高和稳定性好等优点。但其操作是靠手动调节平衡，跟踪读数，容易造成误差；因为是人工记录，故不能连续读数，不能得到连续变化的触探曲线。

2. 自动记录仪

我国现在生产的静力触探自动记录仪都是用电子电位差计改装的。这些电子电位差计都只有一种量程范围。为了在阻力大的地层中能测出探头的额定阻力值，也为了在软层中能保证测量精度，一般都采用改变供桥电压的方法来实现。早期的仪器为可选式固定桥压法，一般分成4-5档，桥压分别为2、4、6、8、10V，可根据地层的软硬程度选择。这种方式的优点是电压稳定，可靠性强；但资料整理工作量大。现在已有可使供桥电压连续可调的自动记录仪。

3. 数字式测力仪

数字式测力仪是一种精密的测试仪表。这种仪器能显示多位数，具有体积小、重量轻、精度高、稳定可靠、使用方便、能直读贯入总阻力和计算贯入指标简单等优点，是轻便链式十字板-静力触探两用机的配套量测仪表。国内已有多家生产。这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。