淺議土體原位測(cè)試新技術(shù)

周金鵬

淺議土體原位測(cè)試新技術(shù)

周金鵬

簡(jiǎn)要介紹了土體原位測(cè)試方法的特點(diǎn)及分類,著重闡述了靜力觸探試驗(yàn)和旁壓測(cè)試兩種方法的原理,發(fā)展歷程及適用范圍等,指出這兩種方法相互配合使用,能夠提高精度、加快速度。

土體原位測(cè)試,靜力觸探試驗(yàn),旁壓測(cè)試

試驗(yàn)工作在巖土工程勘察中占有很重要的地位,就土工試驗(yàn)而論,可以分為室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)(或原位測(cè)試)。巖土的室內(nèi)試驗(yàn)歷史較長(zhǎng),經(jīng)驗(yàn)也比較豐富。其主要優(yōu)點(diǎn)是,試驗(yàn)時(shí)的邊界條件和排水條件很容易控制,清楚明了,試驗(yàn)中的應(yīng)力路徑可事先選定。對(duì)小應(yīng)變來(lái)說(shuō),土樣中的應(yīng)變場(chǎng)是均一的,所測(cè)土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)已得到公認(rèn)。其缺點(diǎn)是,試驗(yàn)需要取樣,樣品小,受擾動(dòng),代表性差,所測(cè)力學(xué)指標(biāo)嚴(yán)重“失真”。原位測(cè)試一般是指在巖土工程勘察現(xiàn)場(chǎng),在不擾動(dòng)或者基本不擾動(dòng)巖土層的情況下對(duì)巖土層進(jìn)行測(cè)試,以獲得所測(cè)巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及劃分巖土層的一種勘察技術(shù)。

原位測(cè)試的方法很多,可以歸納為剖面測(cè)試法和專門(mén)測(cè)試法。剖面測(cè)試法主要包括靜力觸探、動(dòng)力觸探、土的壓入式板狀膨脹測(cè)試及電阻率法等。剖面測(cè)試法具有可連續(xù)進(jìn)行測(cè)試且快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。另外,專門(mén)測(cè)試法主要包括荷載試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、抽水和注水試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、巖體應(yīng)力測(cè)試等。專門(mén)測(cè)試法可得到巖土層中關(guān)鍵部位土的各種工程性質(zhì)指標(biāo),精度高,測(cè)試成果可直接供設(shè)計(jì)部門(mén)使用。其精度一般可超過(guò)鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)成果的精度。本文重點(diǎn)討論兩種新的原位測(cè)試技術(shù)。

1 靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探試驗(yàn)(static Cone Penetration Text,簡(jiǎn)稱CPT)是利用準(zhǔn)靜力,以一恒定的貫入速率將圓錐探頭通過(guò)一系列探桿壓入土中,根據(jù)測(cè)得的探頭貫入阻力大小來(lái)間接判定土的物理力學(xué)性質(zhì)。這種方法對(duì)不易鉆孔取樣的飽和砂土、砂質(zhì)粉土、高靈敏性軟土,以及土層豎向變化復(fù)雜、不易密集取樣的土層可在現(xiàn)場(chǎng)快速的測(cè)得土層對(duì)觸探頭的貫入阻力qc、探頭側(cè)壁與土體的摩擦阻力 fs等參數(shù)。與傳統(tǒng)的鉆探方法相比,具有速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、清潔、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。在原孔位中,利用不同傳感器能取得連續(xù)的層的各種物理參數(shù),并可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和綜合分析評(píng)價(jià)。靜力觸探技術(shù)不能對(duì)土進(jìn)行直接的觀察、鑒別,不適用于含碎石、礫石的土層和密實(shí)的砂層。

靜力觸探發(fā)展的歷史不是很久,1932年荷蘭工程師P.Barentsen進(jìn)行了世界上第一個(gè)靜力觸探試驗(yàn),1935年荷蘭Delft土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室第一任主任 T.K.Huizinga設(shè)計(jì)并使用了 10 t的荷蘭錐貫入裝置,并開(kāi)始用于樁承載力試驗(yàn)研究。1948年,Vermeiden和Plantema改進(jìn)了荷蘭錐,即在探頭上方增加了錐形保護(hù)部分,以阻止土從套管與鋼桿之間進(jìn)入。1952年,Begemann設(shè)計(jì)出可測(cè)側(cè)阻力的摩擦套,并申請(qǐng)了專利。上述這些機(jī)械式的靜力觸探儀由于其簡(jiǎn)單和方便,現(xiàn)在仍在一些國(guó)家中使用。1948年,荷蘭市政工程師 Bakker研制出世界上第一個(gè)電測(cè)式探頭(Rotterdam cone),并申請(qǐng)了專利。從 1949年起,荷蘭 Delft土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始應(yīng)用電測(cè)探頭,并做了大量試驗(yàn)研究,1957年他們研制出第一臺(tái)能測(cè)側(cè)阻力的電測(cè)式探頭,1965年荷蘭 Fugro與TNO聯(lián)合推出一種電測(cè)式探頭,其規(guī)格也是后來(lái) ISSMFE標(biāo)準(zhǔn)和許多國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。從 20世紀(jì) 70年代后期開(kāi)始,出現(xiàn)了孔壓靜力觸探(CPTU)、環(huán)境靜力觸探及其他多功能探頭等,靜力觸探技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步的發(fā)展。

我國(guó)在 20世紀(jì) 30年代也出現(xiàn)機(jī)械式的荷蘭靜力觸探儀。1954年,陳宗基教授自荷蘭引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù),并在黃土地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。1964年,王鐘琦等獨(dú)立成功的研制出我國(guó)第一臺(tái)電測(cè)式觸探儀。但在 80年代以后對(duì)探頭傳感器技術(shù)改進(jìn)很少?，F(xiàn)主要使用的仍然是“單橋”探頭和“雙橋”探頭。并且探頭規(guī)格與國(guó)際通用的不盡相同,這給測(cè)試成果比較和國(guó)際學(xué)術(shù)交流造成了較大的困難。

以靜力觸探(CPTU)為基礎(chǔ),在探頭上加各種不同用途的傳感器,從而形成新的靜力觸探技術(shù)。現(xiàn)在這些技術(shù)有孔隙水壓力靜力觸探測(cè)試(CPTU)、波速靜力觸探測(cè)試(SCPTU)、旁壓靜力觸探測(cè)試(CPT-PMT)、放射性同位素靜力觸探測(cè)試(RI-CPTU)和電阻率靜力觸探測(cè)試(R-CPTU)。

孔隙水壓力靜力觸探技術(shù)是把測(cè)孔隙水壓力的傳感元件與標(biāo)準(zhǔn)的靜力觸探組合在一起,在測(cè)定錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs的同時(shí),量測(cè)土的孔隙水壓力 u;當(dāng)停止貫入時(shí),還可量測(cè)超孔隙水壓力Δu的消散,直至超孔隙水壓力全部消散完,達(dá)到穩(wěn)定的靜止孔隙水壓力 u0。

靜探探頭貫入土中所產(chǎn)生的超孔隙水壓力是土類、土的強(qiáng)度和變形、排水性能的函數(shù)。國(guó)內(nèi)有多家生產(chǎn)廠家生產(chǎn)該類儀器,這一技術(shù)已被列入原位測(cè)試規(guī)范。它與單、雙橋靜探方法相比,測(cè)試功能強(qiáng)大,優(yōu)點(diǎn)突出,既可以用來(lái)劃分土層,判別土類,又能通過(guò)超孔壓消散過(guò)程來(lái)估算土層固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù);與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比,快速簡(jiǎn)捷,易于操作,能較大的縮短試驗(yàn)周期,測(cè)試數(shù)據(jù)離散性小,精度高,能反映土的天然特性。而且由于孔壓量測(cè)系統(tǒng)的透水濾器厚約 3mm,孔壓傳感器反應(yīng)靈敏,能夠識(shí)別不易取樣的薄砂夾層(或軟弱層),從而能使人們更清楚地了解整個(gè)土層分布情況。具體來(lái)說(shuō)孔壓靜探的主要優(yōu)越性：靈敏度很高,能分辨 1 cm～2 cm薄土層的土性變化,極大提高判別土類和劃分土層的能力;可修正孔隙水壓力對(duì)錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fc的影響;可進(jìn)行有效應(yīng)力的分析;可估算土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù);可測(cè)定土層不同深度處的靜止水壓力;可評(píng)定土的應(yīng)力歷史(超固結(jié)比OCR);對(duì)評(píng)定砂土和粉土的液化勢(shì)有潛在的優(yōu)勢(shì);能估算土的靜止側(cè)壓力系數(shù)。

在做孔隙水壓力靜力觸探時(shí),探頭的飽和是相當(dāng)重要的,直接影響到所測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性?？讐河|探探頭若不飽和,即孔壓通道中含氣,由于氣體容易壓縮,在水壓傳導(dǎo)過(guò)程中,它相當(dāng)于一個(gè)緩沖層,當(dāng)探頭周圍的超孔隙水壓力急劇變化時(shí)(例如由砂層進(jìn)入粘土層等),它便會(huì)減緩這種變化。若根據(jù)孔隙水壓力隨深度的變化分層,分層界線不明顯且比實(shí)際深一些。當(dāng)做超孔隙水壓力消散實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)得超孔隙水壓力峰值偏小,消散又偏緩慢。探頭不飽和程度越高,這種消峰滯后的效應(yīng)越明顯。孟高頭等學(xué)者研究得出探頭飽和在孔壓觸探測(cè)度中,探頭飽和甚為關(guān)鍵,并且飽和探頭最好用真空抽吸法,在飽和時(shí)應(yīng)注意裝置的密封性。另外,為保持探頭的飽和狀態(tài),應(yīng)針對(duì)不同的場(chǎng)地條件采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧Ｍ瑫r(shí)可通過(guò)孔壓響應(yīng)試驗(yàn)和觸探測(cè)試結(jié)果對(duì)探頭飽和狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 旁壓測(cè)試

旁壓測(cè)試(PMT)是工程地質(zhì)勘察中一種常用的原位測(cè)試技術(shù),實(shí)質(zhì)上是利用鉆孔做原位橫向荷載試驗(yàn)。其原理是：通過(guò)旁壓器在豎直的孔內(nèi)加壓,使旁壓膜膨脹,并由旁壓膜(或護(hù)套)將壓力傳給周圍土體(或軟巖),使土體(或軟巖)產(chǎn)生變形直至破壞;通過(guò)量測(cè)裝置測(cè)出施加壓力和土變形之間的關(guān)系,繪制應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線;對(duì)孔周所測(cè)土體(或軟巖)的承載力、變形性質(zhì)等進(jìn)行評(píng)價(jià)。與靜力載荷測(cè)試相比,旁壓測(cè)試可在不同深度上進(jìn)行,所求的地基承載力值與平板載荷測(cè)試結(jié)果相近,精度較高。

預(yù)鉆式旁壓測(cè)試要求預(yù)先鉆孔,對(duì)土層有擾動(dòng);自鉆式旁壓測(cè)試雖不用預(yù)鉆孔,但設(shè)備復(fù)雜笨重,在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用困難,測(cè)試費(fèi)用較高。20世紀(jì) 80年代初,劍橋公司和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)聯(lián)合研制的旁壓靜力觸探儀較好的解決了上述問(wèn)題。它在旁壓器前方安裝有與旁壓器外徑(旁壓器裝有條形鋼片護(hù)套)相同的靜力觸探探頭。試驗(yàn)時(shí),將探頭壓入土中,旁壓器也隨之壓入土中,即可測(cè)得靜力觸探數(shù)據(jù),并可在預(yù)定深度停下來(lái)做旁壓試驗(yàn),所測(cè)得的旁壓曲線類似自鉆式旁壓曲線。目前靜力觸探試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)已成為常用的原位測(cè)試技術(shù),旁壓靜力觸探儀同時(shí)可做兩項(xiàng)試驗(yàn),提供的數(shù)據(jù)包括：錐頭阻力、側(cè)壁摩擦力、孔隙水壓力、固結(jié)系數(shù)和旁壓曲線等。因此,這種儀器有時(shí)也稱全變形靜力觸探旁壓儀。

3 結(jié)語(yǔ)

原位測(cè)試的方法很多,可以歸納為剖面測(cè)試法和專門(mén)測(cè)試法。剖面測(cè)試法具有可連續(xù)進(jìn)行測(cè)試且快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。專門(mén)測(cè)試法可得到巖土層中關(guān)鍵部位土的各種工程性質(zhì)指標(biāo),精度高,測(cè)試成果可直接供設(shè)計(jì)部門(mén)使用。其精度一般可超過(guò)鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)成果的精度。這兩種方法可以配合使用,提高精度、加快速度。

[1]劉松玉,吳燕開(kāi).論我國(guó)靜力觸探技術(shù)(CPT)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004(7)：53-54.

[2]石林珂,孫文懷.巖土工程原位測(cè)試[M].鄭州：鄭州大學(xué)出版社,2003.

[3]靳國(guó)禮,劉 洋.瑞利波測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用[J].山西建筑,2010,36(2)：155-156.

Prelim inary discussion on the new technology of soilmass in-situ test

ZHOU Jin-peng

This article briefly introduces the features and classification of soilmass in-situ testmethods,main ly illustrates the p rinciples,development history,and application scope of static contact testand lateral p ressuring test,and points out that themutual cooperation usage of these twomethods can improve the accuracy and accelerate the speed.

soilmass in-situ test,static contact test,lateral pressuring test

TU413

A

1009-6825(2011)09-0078-02

2010-12-17

周金鵬(1978-),男,碩士,工程師,江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司,江蘇南京 210017