淺議土體原位測試新技術

周金鵬

淺議土體原位測試新技術

周金鵬

簡要介紹了土體原位測試方法的特點及分類,著重闡述了靜力觸探試驗和旁壓測試兩種方法的原理,發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。

土體原位測試,靜力觸探試驗,旁壓測試

試驗工作在巖土工程勘察中占有很重要的地位,就土工試驗而論,可以分為室內試驗和原位試驗(或原位測試)。巖土的室內試驗歷史較長,經驗也比較豐富。其主要優點是,試驗時的邊界條件和排水條件很容易控制,清楚明了,試驗中的應力路徑可事先選定。對小應變來說,土樣中的應變場是均一的,所測土的物理力學性質指標已得到公認。其缺點是,試驗需要取樣,樣品小,受擾動,代表性差,所測力學指標嚴重“失真”。原位測試一般是指在巖土工程勘察現場,在不擾動或者基本不擾動巖土層的情況下對巖土層進行測試,以獲得所測巖土層的物理力學性質指標及劃分巖土層的一種勘察技術。

原位測試的方法很多,可以歸納為剖面測試法和專門測試法。剖面測試法主要包括靜力觸探、動力觸探、土的壓入式板狀膨脹測試及電阻率法等。剖面測試法具有可連續進行測試且快速、經濟的優點。另外,專門測試法主要包括荷載試驗、旁壓試驗、標準貫入試驗、抽水和注水試驗、十字板剪切試驗、巖體應力測試等。專門測試法可得到巖土層中關鍵部位土的各種工程性質指標,精度高,測試成果可直接供設計部門使用。其精度一般可超過鉆探和室內試驗成果的精度。本文重點討論兩種新的原位測試技術。

1 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗(static Cone Penetration Text,簡稱CPT)是利用準靜力,以一恒定的貫入速率將圓錐探頭通過一系列探桿壓入土中,根據測得的探頭貫入阻力大小來間接判定土的物理力學性質。這種方法對不易鉆孔取樣的飽和砂土、砂質粉土、高靈敏性軟土,以及土層豎向變化復雜、不易密集取樣的土層可在現場快速的測得土層對觸探頭的貫入阻力qc、探頭側壁與土體的摩擦阻力 fs等參數。與傳統的鉆探方法相比,具有速度快、勞動強度低、清潔、經濟等優點。在原孔位中,利用不同傳感器能取得連續的層的各種物理參數,并可由計算機進行數據處理和綜合分析評價。靜力觸探技術不能對土進行直接的觀察、鑒別,不適用于含碎石、礫石的土層和密實的砂層。

靜力觸探發展的歷史不是很久,1932年荷蘭工程師P.Barentsen進行了世界上第一個靜力觸探試驗,1935年荷蘭Delft土力學實驗室第一任主任 T.K.Huizinga設計并使用了 10 t的荷蘭錐貫入裝置,并開始用于樁承載力試驗研究。1948年,Vermeiden和Plantema改進了荷蘭錐,即在探頭上方增加了錐形保護部分,以阻止土從套管與鋼桿之間進入。1952年,Begemann設計出可測側阻力的摩擦套,并申請了專利。上述這些機械式的靜力觸探儀由于其簡單和方便,現在仍在一些國家中使用。1948年,荷蘭市政工程師 Bakker研制出世界上第一個電測式探頭(Rotterdam cone),并申請了專利。從 1949年起,荷蘭 Delft土力學實驗室開始應用電測探頭,并做了大量試驗研究,1957年他們研制出第一臺能測側阻力的電測式探頭,1965年荷蘭 Fugro與TNO聯合推出一種電測式探頭,其規格也是后來 ISSMFE標準和許多國家標準的基礎。從 20世紀 70年代后期開始,出現了孔壓靜力觸探(CPTU)、環境靜力觸探及其他多功能探頭等,靜力觸探技術得到了廣泛應用和進一步的發展。

我國在 20世紀 30年代也出現機械式的荷蘭靜力觸探儀。1954年,陳宗基教授自荷蘭引進該項技術,并在黃土地區進行了試驗研究。1964年,王鐘琦等獨立成功的研制出我國第一臺電測式觸探儀。但在 80年代以后對探頭傳感器技術改進很少?，F主要使用的仍然是“單橋”探頭和“雙橋”探頭。并且探頭規格與國際通用的不盡相同,這給測試成果比較和國際學術交流造成了較大的困難。

以靜力觸探(CPTU)為基礎,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?，F在這些技術有孔隙水壓力靜力觸探測試(CPTU)、波速靜力觸探測試(SCPTU)、旁壓靜力觸探測試(CPT-PMT)、放射性同位素靜力觸探測試(RI-CPTU)和電阻率靜力觸探測試(R-CPTU)。

孔隙水壓力靜力觸探技術是把測孔隙水壓力的傳感元件與標準的靜力觸探組合在一起,在測定錐尖阻力qc和側壁摩擦阻力fs的同時,量測土的孔隙水壓力 u;當停止貫入時,還可量測超孔隙水壓力Δu的消散,直至超孔隙水壓力全部消散完,達到穩定的靜止孔隙水壓力 u0。

靜探探頭貫入土中所產生的超孔隙水壓力是土類、土的強度和變形、排水性能的函數。國內有多家生產廠家生產該類儀器,這一技術已被列入原位測試規范。它與單、雙橋靜探方法相比,測試功能強大,優點突出,既可以用來劃分土層,判別土類,又能通過超孔壓消散過程來估算土層固結系數和滲透系數;與室內實驗相比,快速簡捷,易于操作,能較大的縮短試驗周期,測試數據離散性小,精度高,能反映土的天然特性。而且由于孔壓量測系統的透水濾器厚約 3mm,孔壓傳感器反應靈敏,能夠識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土層分布情況。具體來說孔壓靜探的主要優越性：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錐尖阻力qc和側壁摩擦阻力fc的影響;可進行有效應力的分析;可估算土的滲透系數和固結系數;可測定土層不同深度處的靜止水壓力;可評定土的應力歷史(超固結比OCR);對評定砂土和粉土的液化勢有潛在的優勢;能估算土的靜止側壓力系數。

在做孔隙水壓力靜力觸探時,探頭的飽和是相當重要的,直接影響到所測參數的準確性?？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,在水壓傳導過程中,它相當于一個緩沖層,當探頭周圍的超孔隙水壓力急劇變化時(例如由砂層進入粘土層等),它便會減緩這種變化。若根據孔隙水壓力隨深度的變化分層,分層界線不明顯且比實際深一些。當做超孔隙水壓力消散實驗時,測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越明顯。孟高頭等學者研究得出探頭飽和在孔壓觸探測度中,探頭飽和甚為關鍵,并且飽和探頭最好用真空抽吸法,在飽和時應注意裝置的密封性。另外,為保持探頭的飽和狀態,應針對不同的場地條件采取適當的處理措施。同時可通過孔壓響應試驗和觸探測試結果對探頭飽和狀態進行檢驗。

2 旁壓測試

旁壓測試(PMT)是工程地質勘察中一種常用的原位測試技術,實質上是利用鉆孔做原位橫向荷載試驗。其原理是：通過旁壓器在豎直的孔內加壓,使旁壓膜膨脹,并由旁壓膜(或護套)將壓力傳給周圍土體(或軟巖),使土體(或軟巖)產生變形直至破壞;通過量測裝置測出施加壓力和土變形之間的關系,繪制應力—應變關系曲線;對孔周所測土體(或軟巖)的承載力、變形性質等進行評價。與靜力載荷測試相比,旁壓測試可在不同深度上進行,所求的地基承載力值與平板載荷測試結果相近,精度較高。

預鉆式旁壓測試要求預先鉆孔,對土層有擾動;自鉆式旁壓測試雖不用預鉆孔,但設備復雜笨重,在濕陷性黃土地區應用困難,測試費用較高。20世紀 80年代初,劍橋公司和加拿大英屬哥倫比亞大學聯合研制的旁壓靜力觸探儀較好的解決了上述問題。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套)相同的靜力觸探探頭。試驗時,將探頭壓入土中,旁壓器也隨之壓入土中,即可測得靜力觸探數據,并可在預定深度停下來做旁壓試驗,所測得的旁壓曲線類似自鉆式旁壓曲線。目前靜力觸探試驗和旁壓試驗已成為常用的原位測試技術,旁壓靜力觸探儀同時可做兩項試驗,提供的數據包括：錐頭阻力、側壁摩擦力、孔隙水壓力、固結系數和旁壓曲線等。因此,這種儀器有時也稱全變形靜力觸探旁壓儀。

3 結語

原位測試的方法很多,可以歸納為剖面測試法和專門測試法。剖面測試法具有可連續進行測試且快速、經濟的優點。專門測試法可得到巖土層中關鍵部位土的各種工程性質指標,精度高,測試成果可直接供設計部門使用。其精度一般可超過鉆探和室內試驗成果的精度。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.論我國靜力觸探技術(CPT)現狀與發展[J].巖土工程學報,2004(7)：53-54.

[2]石林珂,孫文懷.巖土工程原位測試[M].鄭州：鄭州大學出版社,2003.

[3]靳國禮,劉 洋.瑞利波測試技術及其應用[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,江蘇省交通科學研究院股份有限公司,江蘇南京 210017