靜力觸探技術(shù)的發(fā)展分析概述

張青青　劉旭　陳宇　齊琛森

【摘 要】靜力觸探的發(fā)明和應(yīng)用對于工程地質(zhì)勘探和測試技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義，靜力觸探目前已成為巖土工程行業(yè)原位測試中最基本的試驗(yàn)手段之一。本文在介紹了靜力觸探測試的發(fā)展歷程與基本原理的基礎(chǔ)上，分析了靜力觸探現(xiàn)有存在的優(yōu)缺點(diǎn)，概括了目前實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛的幾種靜力觸探測試新技術(shù)，總結(jié)了各種新技術(shù)的特點(diǎn)及其工程應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】靜力觸探；原位測試；雙橋探頭；發(fā)展

1. 前言

巖土工程原位測試[1～2]能夠測得天然結(jié)構(gòu)條件下巖土體的工程性質(zhì)，在工程建設(shè)中起到十分重要的作用，而靜力觸探（Cone Penetration Test，簡稱CPT）是應(yīng)用最廣和最成熟的手段之一。目前，國內(nèi)和國外的工程界非常重視對靜力觸探的應(yīng)用和機(jī)理方面的研究。一方面希望通過這種手段獲得更多的參數(shù)，致力于多功能探頭的研究，同時(shí)也不斷擴(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，對靜力觸探進(jìn)行分析研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。

2. 靜力觸探測試的發(fā)展歷程與基本原理

2.1 靜力觸探測試的發(fā)展歷程。

早在1917年，瑞典鐵路工程中就正式采用了螺旋錐頭式靜力觸探，1930年荷蘭開始采用尖錐試驗(yàn)，國際上稱為荷蘭靜力觸探，這個(gè)方法較瑞典更為簡捷，在國際上廣為流傳。1974年在瑞典召開了第一次歐洲觸探會(huì)議，實(shí)際上其規(guī)模遠(yuǎn)超出歐洲，屬國際學(xué)術(shù)交流會(huì)議。1982年在荷蘭阿姆斯特丹召開了第二次歐洲觸探會(huì)議，1984年在法國巴黎召開了第一次世界性的土工原位測試會(huì)議[3]。

法國1949年研制出第一臺(tái)靜力觸探儀。在1965年以后才大量應(yīng)用靜力觸探，許多著名建筑和重大工程都采用觸探法勘察地基。挪威1952年研制成電測式靜力觸探儀，1973年研制成用于海底勘探的靜力觸探儀，且認(rèn)為海底勘探的最好方法是靜力觸探。美國、前蘇聯(lián)在月球的勘察中研究和使用了宇宙宇航員操作的自動(dòng)記錄靜力觸探儀。新型靜力觸探儀的不斷出現(xiàn)，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)在國際上受到廣泛的重視。

在我國解放初期的土力學(xué)課程中就有靜力觸探的內(nèi)容。1954年中國科學(xué)院土木建筑研究所利用研制的雙層管式靜力觸探設(shè)備，在黃土中進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4]；1965年原建工部綜合勘察院自行設(shè)計(jì)制造了電阻應(yīng)變式靜力觸探儀[5]，創(chuàng)制了我國第一個(gè)電測探頭，并通過近百組對比試驗(yàn)建立了貫入阻力與天然地基承載力的統(tǒng)計(jì)公式，為靜力觸探在我國的推廣使用打下了基礎(chǔ)。1967年中南勘察院和武漢城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院研制成功了機(jī)械傳動(dòng)靜力觸探儀[5～6]；1969年鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院研究成功了雙缸靜力觸探儀，促進(jìn)了我國靜力觸探的發(fā)展。目前，靜力觸探這次測試技術(shù)是我國原位測試技術(shù)中應(yīng)用最廣泛與和最成熟的測試手段之一。

2.2 靜力觸探測試的基本原理。

用靜力將一個(gè)內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受阻力自然也不會(huì)一樣，探頭附近一定范圍內(nèi)的土體受到壓縮和剪切破壞，如圖1所示。同時(shí)，土對探頭產(chǎn)生貫入阻力，其中包括端阻qc和側(cè)壁摩阻力fs，如圖2所示。在這一過程中，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過電信號輸入到記錄儀表中記錄下來。再通過貫入阻力與土的工程性質(zhì)之間的關(guān)系，從而取得土層剖面、估算地基承載力、選擇樁端持力層和預(yù)估單樁承載力等測試目的[7]。

3. 靜力觸探技術(shù)的發(fā)展

在傳統(tǒng)靜力觸探（CPT）的基礎(chǔ)上，在探頭上加各種不同用途的傳感器，便形成新的靜力觸探技術(shù)。應(yīng)用比較多的測試主要包括：孔隙水壓力靜力觸探測試（CPTU）、旁壓靜力觸探測試（CPT-PMT）、波速靜力觸探測試（SCP-TU）、電阻率靜力觸探測試（R-CPTU）、振動(dòng)靜力觸探測試（Vibro CPT）與放射性同位素靜力觸探測試（RI-CPT）等技術(shù)[9]。下面將分別介紹這幾種靜力觸探新技術(shù)與傳統(tǒng)靜力觸探的測試參數(shù)、特點(diǎn)及其主要應(yīng)用情況。

3.1 傳統(tǒng)靜力觸探測試。

傳統(tǒng)靜力觸探包括單橋靜力觸探與雙橋靜力觸探兩種。單橋靜力觸探所測參數(shù)為比貫入阻力ps，其特點(diǎn)為快速便捷；主要工程應(yīng)用為分層、評定地基承載力、確定壓縮模量和變形模量。雙橋靜力觸探所測參數(shù)為錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs，其特點(diǎn)為分層方便、經(jīng)濟(jì)、可測試土力學(xué)參數(shù)等；其主要工程應(yīng)用為修正錐尖阻力并使其真正反映土的性質(zhì)、評定滲流、固結(jié)特性、評定地基土的容許承載力、確定壓縮模量和變形模量等。

圖1 探頭貫入作用示意圖

圖2 探頭阻力分布圖

3.2 孔隙水壓力靜力觸探測試。

孔隙水壓力靜力觸探測試的所測參數(shù)為錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦阻力fs、孔隙水壓力u。其特點(diǎn)為靈敏度與分辨率高；主要工程應(yīng)用為判別土類和分層、修正孔隙水壓力對錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs的影響、分析有效應(yīng)力、估算土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)、評定土的應(yīng)力歷史、評定砂土和粉土的液化勢和估算土的靜止側(cè)壓力系數(shù)等。

3.3 旁壓靜力觸探測試。

旁壓靜力觸探測試的所測參數(shù)為錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦阻力fs、孔隙水壓力u、固結(jié)系數(shù)和旁壓曲線。其特點(diǎn)為靈精度高且可在不同深度進(jìn)行試驗(yàn)；主要工程應(yīng)用為繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和評價(jià)孔周土體的承載力及變形性質(zhì)等。

3.4 波速靜力觸探測試。

波速靜力觸探測試可同時(shí)獲取靜探和波速資料。其特點(diǎn)為靈精度高且費(fèi)用低；主要工程應(yīng)用為確定地基土的波速和動(dòng)力參數(shù)、評定地基土類別、確定場地類別及土的工程性質(zhì)指標(biāo)等。

3.5 電阻率靜力觸探測試。

電阻率靜力觸探測試可測得多孔介質(zhì)及孔隙水的總電阻率。其特點(diǎn)為快速、經(jīng)濟(jì)、一孔多用等；主要工程應(yīng)用為研究地下介質(zhì)電阻率隨深度變化規(guī)律，解決地下水流速、流向及受污染的分布范圍等地質(zhì)問題并可定量解釋層狀介質(zhì)等。

3.6 振動(dòng)靜力觸探測試。endprint

振動(dòng)靜力觸探測試所測參數(shù)為剪切波。其特點(diǎn)是具備多種功能；主要工程應(yīng)用為模擬地震時(shí)的剪切波、評定砂土的液化勢、分析對比振動(dòng)與不振動(dòng)時(shí)探頭的貫入阻力等。

3.7 放射性同位素靜力觸探測試。

放射性同位素靜力觸探測試所測參數(shù)包括隱伏構(gòu)造、巖體界線與介質(zhì)物理參數(shù)。其特點(diǎn)是不受電磁場的干擾；主要工程應(yīng)用為分清地層、研究和預(yù)測一些緩慢變化的動(dòng)力地質(zhì)過程及探測是否有放射性污染等。

4. 結(jié)束語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，靜力觸探技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用靜力觸探的過程中，應(yīng)根據(jù)各種不同靜力觸探測試技術(shù)的特點(diǎn)及其工程應(yīng)用范圍，采取相應(yīng)的測試技術(shù)。同時(shí)，加強(qiáng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，廣泛吸收國內(nèi)外先進(jìn)的方法與理論，結(jié)合巖土工程實(shí)際情況進(jìn)一步的開發(fā)利用新型測試儀器，使原位測試手段更加先進(jìn)、可靠、便捷和準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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[3] 唐賢強(qiáng)，葉啟民.靜力觸探[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

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[6] 王鐘琦. 再談我國的靜力觸探及動(dòng)靜觸探的發(fā)展前景[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（3）：383～385.

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[9] 吳道祥，單燦燦，鐘軒明，等.靜力觸探的發(fā)展及其在巖土工程中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，2，31（2）：211～215.

[文章編號]1619-2737（2014）10-11-283

[作者簡介] 張青青（1984-），女，籍貫：湖北荊門人，碩士研究生，主要從事巖土工程理論研究與工程應(yīng)用。endprint