第7章 工程地质原位测试

原位测试技术概述
工程地质勘察中的试验有室内的土工试验和现场 的原位测试。通过试验可以取得土和岩石的物理力学 性质指标及地下水等性质指标，以供土木工程师设计
时采用。
现场原位测试就是在岩土层原来所处的位置基本 保持的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下， 测定岩土的工程力学性质指标。
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原位测试的优点：可以测定难于取得不扰动 样的有关工程力学性质；可避免取样过程中应力释 放的影响；影响范围大，代表性强。
设备简单、操作方便、工效较高、适应性广，并具
有连续贯入的特性。对难以取样的砂土、粉土、碎石类 土等，对静力触探难以贯入的土层，动力触探是十分有 效的原位测试手段。 圆锥动力触探的缺点: 是不能采样对土进行直接鉴别描述，试验误差稍大， 再现性差。
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（1）试验目的与适用条件
试验目的：
(a) 定性评价：评定场地土层的均匀性；查明土 洞、滑动面和软硬土层界面；确定软弱土层或坚硬土 层的分布；检验评估地基土加固与改良的效果。 (b) 定量评价：确定砂土垢孔隙比、相对密实度、 粉土和粘性土的状态、土的强度和变形参数、评定地 基土的承载力或单桩承载力。 适用条件：适用于强风化、全风化的硬质岩石、各种 软质岩石及各类土。
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7.1
静力载荷试验(CPT)
平板载荷试验示意图 静荷载试验（堆载）现场 大吨位静载试验（锚桩）现场
一般静力载荷试验分为平板载荷试验、螺旋 板载荷试验、深层平板载荷试验等。
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静力载荷试验指在拟建场地上，在挖至设计的 基础深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承 压板，将上述装置安装好后，可开始试验。
适用条件：适用于粘性土、粉土和砂土，
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（2）试验装置静力触探试验主要设备
为静力触探仪，其由贯人装置（包括反力装 置）、传动系统和量测系统三部分组成。 常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探 头。
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(1) 单桥探头：是我国特有的一种探头型式，只能测量 比贯入阻力ps（p/A)一个参数，分辨率(精度)较低。 (2) 双桥探头：它是一种将锥
头与摩擦筒分开，可以同时
测量锥头阻力qc(Qc/A)和侧 壁摩阻力fs(Pf/F)两个参数的 探头，分辨率较高。 单桥只能测得总贯入阻力，而双桥则能同时测得侧壁 阻力fs和锥尖阻力Qc。
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（3）试验要求
(1)率定探头，求出地层阻力和仪表读数之间的关系，
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以得到探头率定系数，一般在室内进行。 新探头或使用一个月后的探头都应及时进行率定。 (2)现场测试前应先平整场地，放平压入主机，以便使 探头与地面垂直；下好地锚，以便固定压入主机。
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③ 极限荷载法 a）比例界限P0与极限荷载Pu接近时，将Pu除以安全
系数Fs(Fs=2～3)作为地基土的容许承载力；
b）当比例界限P0与极限荷载Pu相差较远时，可按下
式确定地基土承载力标准值。
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④ 确定极限荷载的方法有：
a)当载荷试验加荷至破坏荷载，则取破坏荷载的前一级 荷载为极限荷载Pu：
b)用P—S、lgp—lgs、S—lgp、p—△S/△P、P—△S／
△t等曲线确定的第二拐点所对应的荷载为极限荷载Pu；
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c)当载荷试验未做到破坏荷载，则可用外插作
图法确定其极限荷载。
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(2)、确定地基土的变形模量E。 不同埋深的载荷试验，计算地基土变形模量的方 法不同（圆和方承压板）： ① 埋深为零时 对于埋深为零的常规载荷试验， 地基土的变形模量Eo可按下式计算：
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35
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7.3 圆锥动力触探(DPT)
圆锥动力触探指利用锤击动能，将一定规格的圆锥探 头打入土中，根据打人土中的阻抗大小判别土层的变化，
对土层进行力学分层，并确定土层的物理力学性质，对地
基土作出工程地质评价。通常以打入土中一定距离所需的 锤击数来表示土的阻力。
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圆锥动力触探的优点:
（在其上逐级加荷载，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。）
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7.1.1 试验目的和适用条件
试验目的：确定地基土承载力特征值及土的变形模量。
适用条件：各种地基土，各种复合地基，各种基础工程 (主要是桩基础—单桩，群桩)
(3) 将电缆线穿入探杆，接通电路，调整好仪器。 (4) 边贯入，边测记，贯入速率控制在1~2cm/s。
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（4）试验资料处理及成果应用
根据试验结果绘制比贯入阻力-深度关系曲线、 锥尖阻力-深度关系曲线、侧壁摩阻力-深度关系曲 线和摩阻比-深度关系曲线。 由静力触探成果可划分土层界线、评定地基土 的强度参数、评定土的变形参数、评定地基土的承 载力、预估单桩承载力及判定饱和砂土和粉土的液 化。
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7.4 标准贯入试验(SPT)
标准贯入试验是动力触探类型 之一，其利用规定重量的穿心锤，
从恒定高度上自由落下，将一定规
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2
7.2 静力触探试验(DPT)
静力触探试验指通过一定的机械装置，将
某种规格的金属探头用静力压人土层中，同时 用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的 贯人阻力，以此来判断、分析、确定地基土的 物理力学性质。
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（1）试验目的与适用条件
目的：主要用于划分土层、估算地基土的物理力 学指标参数、评定地基土的承载力、估算单桩承载 力及判定砂土地基的液化等级等。
域称塑性变形区。随着荷载
的增加，地基中塑性变形区 的范围逐渐向整体剪切破坏 扩展。这一阶段是地基由稳 定状态向不稳定状态发展的
过渡性阶段。
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（III）破坏阶段:当荷载增加到某一极限值时，地基变形 突然增大。说明地基中的塑性变形区，已经发展到形成与
地面贯通的连续滑动面。地基土向基础的一侧或两侧挤出，
超过50 时,可停止试验；对重型动力触探，当连续三次
N63.5>50时，可停止试验或改用超重型动力触探。
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（4）试验资料处理及成果应用
根据试验结果绘制锤击数和锤击随深度变化的
关系曲线。 其成果主要应用： (a) 确定砂土和碎石土的密实度；
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(b) 确定地基土的承载力和变形模量；
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(c) 检验评估地基土加固与改良的效果； (d) 确定单桩承载力标准值。
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7.1.4
试验资料处理及成果应用
根据实测结果绘制荷载与 沉降(p~s)关系曲线，通过分 析试验曲线即可确定地基承载 力、地基土的变形模量、估算 地基土的不排水抗剪强度、估 算地地基土基床反力系数。
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1．地基承载力: 地基单位面积上承受荷载的能力。
地基承载力问题属于地基的强度和稳定问题。
2．地基极限承载力Pu: 地基即将丧失稳定性时的
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（2）试验装置动力触探设备
主要由探头和落锤两部分组成，可分为轻型、重
型及超重型三类。
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（3）试验技术要求
(a) 采用自动落锤装置； (b) 触探杆最大偏斜度不应超过2%，防止锤击偏心、
探杆倾斜和侧向晃动，锤击贯入应连续进行；锤击速率每
分钟宜为15～30击； (c) 每贯入1m，宜将探杆转动一圈半；当贯入深度超 过10m，每贯入20cm 宜转动探杆一次； (d) 对轻型动力触探当N10>100 或贯入15cm 锤击数
原位测试的缺点：各种原位测试有其适用条 件；有些理论往往建立在统计经验的关系上等。
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目前常用原位测试方法主要有： 静力载荷试验(CPT)； 静力触探试验(DPT)； 标准贯入试验(SPT)； 十字板剪切试验(VST)； 地基土动力特性试验(波速测试) 等 。
选择哪种现场原位测试试验方法应根据建筑类型、 岩土条件、设计要求、地区经验和测试方法的适用性 等因素综合选用。
第 7 章 工程地质原位测试
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内容提要
主要介绍常用原位测试方法及试验数据的分析: 静力载荷试验(CPT)、静力触探试验(DPT)、 圆锥动 力触探(DPT) 、标准贯入试验(SPT) 、十字板剪切试 验(VST) 、扁铲侧胀试验 、旁压试验、波速测试、现 场大型直剪试验 、块体基础振动试验。
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7.0
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fk f f0
1. 地基变形的三个阶段 发生整体剪切破坏的地基，分为三个阶段：
（I）线性变形阶段：oa段 接近于直线关系。此阶段地 基中各点的剪应力，小于地 基土的抗剪强度，地基处于 稳定状态。地基仅有小量的 压缩变形，主要是土颗粒互 相挤紧、土体压缩的结果。
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（II）弹塑性变形阶段: abc 段，p-S关系线是下弯的曲 线。，在地基的局部区域内， 发生了剪切破坏。这样的区
将试坑挖到基础的持力层位置，用1~2cm中粗砂找平， 放上承压板； 施加荷载试验时，总加荷量约为设计荷载的2倍；
荷载按预估极限荷载的1/8~1/10分级施加，每级荷载
稳定的标准为连续2小时内，每小时的沉降增量不大于
0.1mm。
试验应做到破坏，破坏的标志是：承压板周围土有明 显的侧向挤出，或同一级荷载下，24小时内沉降不稳，呈 加速发展的趋势。达到破坏时应停止加荷。
地面隆起，地基整体失稳，基础也随之突然下陷。
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2. 成果应用
(1) 确定地基土的承载力
由载荷试验P—S曲线确定地基土承载力，可按P—S 曲线的线型可分别采用拐点法、相对沉降法和极限荷载 法等。 ① 拐点法(强度控制法）
取第一拐点P0(比例界限点)
所对应的荷载为地基土的承载力 基本值。
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当P—S曲线上拐点不太明显时，用下述方法加以确定： 1)在某一级荷载下，其沉降增量超过前一级荷载下沉降 增量的两倍，即 的点所对应的压力即为比
承载能力。
3．容许承载力R: 是指地基稳定有足够的安全度，
并且变形控制在建筑物的容许范围内时的承载力。
它同时兼顾地基强度、稳定性和变形要求这两个条 件时的承载力。它是一个变量，是和建筑物允许变 形值密切联系在一起。
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4．承载力基本值（fo）：按有关规范规定的一定的 基础宽度和埋深条件下的地基承载能力，可按规范查 表确定。（是根据室内物理、力学指标平均值，查表 确定的承载力值，包括载荷试验得到的值）。 5．承载力标准值（fk）：是指按有关规范规定的标 准方法试验并经统计处理后的地基承载能力。包括： 标贯试验、静力触探、旁压及其它原位测试得到的值。 6．承载力设计值（f）或特征值：地基承载力标准值 经过深宽修正后的地基承载力。
E0 k E0
'
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(3)、估算地基土的不排水抗剪强度Cu
用快速法载荷试验得到的极限荷载Pu估算饱和 粘性土的不排水抗剪强度Cu(Φ0=0)可用下式计算：
Nc承压系数。
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(4)、确定地基土基床反力系数Ks 基床反力系数：弹性半空间地基上某点所受的法 向压力与相应位移的比值。类似 于虎克定理里的K ，地基刚度。 可根据常规载荷试验P—S曲线由下式计算得到 载荷试验基床系数Kv(kN／m3)： 直线段的斜率。
p Kv s
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由载荷试验基床反力系数计算基准基床系数
Kv1(kN／m3)
粘性土：K v1 3.28 BK v 4B 砂 土：K v1 Kv 2 ( B 0.305 )
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由基准基床系数Kv1(kN／m3)确定地基土基床 反力系数Ks。
0.305 粘性土：K s K v1 Bf 砂 土：K v1 ( B f 0.305 2B f ) Kv
例界限压力或临塑压力P0；
2)利用lgp—lgs和p—△s/△p等辅助曲线来确定拐点。
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② 相对沉降法
在P—S曲线上取S／b一定比值所 对应的荷载为地基土的容许承载力： 若承压板面积为0.25-0.50m2 1)对一般粘性土、粉土等中、高 压缩性土宜采用S／b=0.02对应的压 力为容许承载力； 2）对砂土等低压缩性土宜采用 S／b=0.01～0.015对应的压力为地基 土的容许承载力。
E0 (1 )
2 2
B p0
4 s0
Ap0 E0 (1 ) bs0
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② 有一定埋深时（有超载时） 当载荷试验有一定埋深时，相当于地表有超载存
在。此时，地基承载力将明显提高。在这种情况下， 可先按上式计算变形模量Eo，再乘以小于1的修正系数 k，即为有超载时的变形模量Eo。k可查图表得。
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7.1.2 试验设备(试验装置)
（1）加荷系统 a.承压板 b.加荷设备(油压千斤顶)
（2）反力系统 a.堆载：堆载平台及其刚度 设计,重量(率定)1.2倍,偏心问 题 b.地锚与锚桩 c.联合反力方式
（3）观测系统 a.百分表 b.基准梁 (位置，刚度，数量)
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7.1.3 试验要求或方法