静力触探动力触探和冲击振动触探

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触探(包含标准贯入)工程地质勘察中在野外钻探现场，直接测试土层物理力学性质的方法。利用外力使专门的测试探头插人土层，根据贯人、回转和起拔时的阻力测定土质的物理力学性质。分有静力触探、动力触探和冲击振动触探等。静力触探是用压入装置将探头压入被试验的土层，用电阻应变仪测量出土的贯入阻力。静力触探装置比较复杂，全部仪器设备装在一个汽车上，包括有加压装置：液压加载系统、支承架、触探杆；反力系统：地锚、拉杆；测量系统：探头、电缆、电阻应变仪等。静力触探的电阻读数可以与野外载荷试验测得的容许承载力、变形模量建立相关关系，从而计算得出测试土层的容许承载力和变形模量并进行土层分类。动力触探是利用一定重量落距的落锤能量，将标准尺寸的圆锥形探头打入土层中，根据打入土中的难易程度(贯入度)判定土的性质：①定性划分不同性质的土层，触探分层，检查填土质量，探查滑动带、土洞等；②根据相关经验的相关关系通过对比计算，定量确定矿土密度、容许承载力、变形模量等。动力触探是动力检测试验的一种，即圆锥动力触探试验，一般将圆锥动力触探试验简称为动力触探或动探。分为轻型、重型和超重型3种试验，三种重锤的重量分别为10kg、63.5kg和120kg。动力触探试验的探头为锥尖状，试验时记录重锤锤击后探头进入特定土层深度时的锤击数N作为探测指标，具体详见《圆锥动动力探测器力触探试验规范》。 第一节概述动力触探分为：圆锥动力触探标准贯入试验圆锥动力触探试验（DynamicPenetrationTest简称DPT）是利用一定的锤击能量，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打入土中的难易程度（贯入阻力或贯入一定深度的锤击数）来判别土的性质的一种现场测试方法。标准贯入试验（StandardPenetrationTest简称SPT）是一种在现场用63.5kg的穿心锤，以76cm的落距自由下落，将一定规格的带有小型取土筒的标准贯入器打入土中，记录打入30cm的锤击数（N），并以此评价土的工程性质的原位试验。根据圆锥动力触探试验指标，可用于下列目的：u进行地基土的力学分层；u定性地评价地基土的均匀性和物理性质（状态、密实度）u查明土洞、滑动面、软硬土层界面的位置。◆利用圆锥动力触探试验成果，并通过建立地区经验，可以用于：n评定地基土的强度和变形参数；n评定天然地基的承载力；n估算单桩承载力。 标准贯入试验的应用（目的）u评价地基土的物理状态（如地层剖面及软弱夹层）；u评价地基土的力学性能参数（如变形模量、物理力学性质指标）；u计算天然地基的承载力；u计算单桩的极限承载力及选择桩尖持力层；u评价场地砂土和粉土的液化可能性及等级。动力触探测试的优点：Ø设备简单，坚固耐用；Ø操作及测试方法容易；Ø适用性广；Ø快速，经济，能连续测试土层；Ø有些动力触探，可同时取样，观察描述；Ø经验丰富，使用广泛。动力触探的类型 类型轻型重型标贯试验超重型落锤锤的质量/kg1063.563.5120落距/cm507676100探头直径/mm4074对开管外径51mm，内径35mm74锥角6060刃角18-2260探杆直径/mm25424250~60指标贯入30cm的锤击数N10贯入10cm的锤击数N63.5贯入30cm的锤击数N63.5贯入10cm的锤击数N120标准贯入试验适用土层：砂性土、粘性土，不适用于碎石类土及岩层。 第二节试验的设备与基本原理一、试验的设备a.探杆（包括导向杆）b.提引器:分内挂式和外挂式两种c.穿心锤d.锤座（包括钢砧与锤垫）e.探头 轻型动力触探仪（单位：mm）重型、超重型动力触探探头（单位：mm）1－穿心锤；2—钢砧与锤垫；3－触探杆；4－圆锥探头；5－导向杆 标准贯入试验设备主要有：u贯入器u触探杆u穿心锤 标贯与一般动探的主要区别在于探头不同1．贯入器 标准规格的贯入器是由对开管和管靴两部分组成的探头。对开管是由两个半圆管合成的圆筒型取土器；管靴是一底端带刃口的圆筒体。二者通过螺纹连接，管靴起到固定对开管的作用。贯入器的外径、内径、壁厚、刃角与长度都有标准化尺寸，见表5-1。2．穿心锤重63.5kg的铸钢件，中间有一直径45mm的穿心孔，此孔为放导向杆用。国际、国内的穿心锤除重量相同外，锥形上不完全统一。落锤能量受落距控制，落锤方式有自动脱钩和非自动脱钩两种。目前国内普遍使用自动脱钩装置3．触探杆国际上多用直径为40~50mm的无缝钢管，我国则常用直径为42mm的工程地质钻杆。在与穿心锤连接处设置一锤垫。标准贯入试验设备原先并不标准。各部件的规格各国有所差异。国际土力学与基础工程协会(ICSMFE)于1957年成立专门委员会开展研究工作，以解决SPT的标准化问题。并于1988年向第一届国际触探试验会议提出标准贯入试验国际标准建议稿，于1989年获得通过，开始执行。我国目前采用的SPT设备与国际标准一致，《岩土工程勘察规范》（GB50021—2002）要求SPT的设备应符合表5-1的规定。表5-1标准贯入试验设备尺寸 二、测试原理DPT的基本原理可以用能量平衡法来分析。在一次锤击作用下的功能转换按能量守恒原理，其关系为：Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee=Mv2/2Em----穿心锤下落能量；Ek----锤与触探器碰幢时损失的能量；Ec----触探器弹性变形所消耗的能量；Ef----贯入时用于克服杆侧壁摩阻力所耗能量；Ep----由于土的塑性变形而消耗的能量；Ee----由于土的弹性变形而消耗的能量；M----落锤的质量（kg）；V----落锤下落碰撞探杆前的速度（m/s）。由于受落锤方式、导杆摩擦、锤击偏心、材质、形状与大小、杆件传输能量的效率等因素的影响，损失一部分能量，则有效能量为：EP=e1e2e3EM≈0.60EM p规定一定的贯入深度；p采用一定规格的落锤和规定的落距。锤击数N的大小直接反映了动贯入阻力Rd的大小，即直接反映了被贯入土层的密实程度和力学性质。第三节试验方法和技术要求一、轻型动力触探（1）先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0.3m处，然后对土层进行连续触探，记录每打入0.30m所需的锤击数；（2）试验时，将10kg的穿心锤提升0.50±0.02m，锤击频率控制在15～30击/min；（3）如需取样，则需把触探杆拔出，换钻头进行取样。（4）用于触探深度小于4m的土层。二、重型、超重型动力触探（1）试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直地进行。垂直度的最大偏差不得超过2%；（2）贯入时应使63.5kg穿心锤自由落下。地面上的触探杆的高度不宜过高，不超过1.5m，以免倾斜与摆动太大；（3）锤击速率宜为每分钟15~30击；（4）及时记录每贯入0.10m所需的锤击数，每贯入1m转动探杆一圈半，深度超过10m，每贯入20cm转动探杆一次，以减少探杆的摩擦；（5）对于一般砂、圆砾和卵石，触探深度不宜超过12~15m；超过该深 度时，需考虑触探杆的侧壁摩阻的影响；（6）每贯入0.1m所需锤击数连续三次超过50击时，应停止试验。触探试验深度1~16m。三、标准贯入试验方法与技术要求1．标准贯入试验必须与钻探配合，以钻机设备为基础。钻进方法：为保证钻孔质量，要求采用回转钻进，并保持孔内水位略高于地下水水位，当钻进至试验标高以上15cm时，停止钻进。还应注意：n仔细清除孔底残土到试验标高，换用标准贯入器，并量得深度尺寸；n在地下水位以下钻进时，或遇承压含水砂层时，孔内水位应始终高于地下水位，以减少对土的振动扰动；n当下套管时，要防止套管下过头，否则在管内做试验会使N值偏大。2．为保证锤击时钻杆不发生侧向晃动，钻杆应定期检查，使钻杆弯曲度小于0.1%，接头应牢固。3．采用自动脱钩的自由锤击法进行标贯试验，并减少导向杆与锤之间的摩擦阻力。避免锤击时偏心和晃动，保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂直度，以保持锤击能量恒定。4．将贯入器垂直打入试验土层中，锤击速率应小于30击/min。先打入15cm，不计锤击数，继续贯入，记录每打入10cm的锤击数，累计30cm的锤击数即为标准贯入锤击数N。若遇比较密实的砂土，贯入不足30cm的捶击数已超过50击时，应终止试验，并记录实际贯入深度△S（cm）和累计击数n。按下式换算成贯入30cm的锤击数N： N=30n/△S5．提出贯入器，将其中土样取出进行鉴别描述、记录，然后换以钻具继续钻进，至下一需要进行试验的深度，再重复上述操作。一般每隔1.0~2.0m进行一次试验。6．在不能保持孔壁稳定的钻孔中进行试验时．应下套管以保护孔壁，但试验深度必须在套管75cm以下；或采用泥浆护壁。7．最后绘出击数N和贯入深度标高（H）的关系曲线。见图5-3。 标准贯入试验SPT记录每打入30cm的锤击数：N63.5=？第四节影响因素和试验指标的修正一、设备因素u穿心锤的形状和质量； 二、人为因素p锤的高度、锤击的速度和操作方法；p读数量测方法和精度；p触探孔的垂直程度、探杆的偏斜度,杆侧摩擦；p钻孔的护壁、清孔。标准贯入试验一、标贯试验的修正试验的影响因素是很复杂的，其中有些因素可通过标准化的办法使其统一以减少对试验成果的影响，如设备、落锤方法、试验方法等影响因素属于这一类。但另一些因素如杆长、地下水位、上覆压力等，则是无法人为控制的，因此要进行修正。1．杆长修正与圆锥动力触探相似，关于试验成果进行杆长修正问题，国内外的意见并不一致。 （1）根据牛顿弹性碰撞理论修正《建筑地基基础规范》(GBJ7—89)规定，标准贯入试验的贯入深度不宜超过21m。同时规定，当试验深度大于3m时，实测锤击数N’需按下式进行钻杆长度修正：N=αN’式中，α为修正系数，按表5-2取值。杆长（m）£36912151821253040a1.000.920.860.810.770.730.700.680.650.60（2）日本东海大学宇都-马等实测了水平搁置的20m钻杆系统在受锤击时杆顶端与底端的锤击动应力的衰减情况和位移，建议的修正关系如下：当杆长l≤20m时，N＝N’；当l＞20m时，N＝(1.06一0.003L)N’（3）按弹性杆件波动理论修正当杆长l≥14m时，N＝N’(α=1.0)；当l<14m时，由于输入钻杆的锤击能量随着杆长变短而变小，使锤击值偏大，α偏小，故不作杆长修正。（4）不作杆长修正《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）及《岩土工程勘察规范》（GB50021-2002）规定不进行杆长修正。虽然目前有些规范还要进行修正，但国内外研究的总趋势是不再进行杆长修正。2.上覆压力的影响 即考虑试验深度处土的围压对试验成果的影响，认为随着土层中上覆压力的增大，标准贯入试验锤击数相应增大。国内对此未予重视（国内不进行校正），国外则作了较多研究，认为应采用下式进行修正：N1=cNNN——实测锤击数；Nl——修正为上覆压力σ’v0＝100kPa的锤击数；cN——上覆压力修正系数(见表5-3)。3．地下水位影响的修正Terzaghi和Peck(1953)提出对于d10=0.1~0.005mm的饱和粉细砂，当实测标贯击数N’>15时，应按下式进行修正：N=15+0.5(N’-15)交通部港口工程地质勘察技术规范规定，当用N值确定Dr及φ值时对地下水位以下的中、粗砂层的N值宜按下式校正：N=5+N’第五节试验资料整理与成果应用圆锥动力触探一、实测触探击数每层实测击数的算术平均值。x-脚标代表锤重，分别为10，63.5，120等。式中，—Nx的平均值； Nx—实测锤击数；n—参加统计的测点数。对于轻型动力触探为每贯入30cm的锤击数；重型、超重型为每贯入10cm的锤击数。二、绘制Nx-h曲线三、划分土层界线划分力学分层的原则：n探头从软层进入硬层或硬层进入软层时有“超前”反应；n反应范围约为探头直径的2~3倍；n软层进入硬层时，分层界线可选在软层最后一个小值点以下2~3倍探头直径处；n硬层进入软层时，分层界线可选在软层第一个小值点以上2~3倍探头直径处。四、划分土类或土层剖面 锤击数越少，土的颗粒越细；锤击数越多，土的颗粒越粗。五、确定地基土承载力1、轻型动力触探确定地基土承载力广东省标准《铁路工程地质原位测试规程》 西安市浙江省2、重型动力触探确定地基土承载力《铁路工程地质原位测试规程》成都地区六、确定单桩承载力标准值 ——单桩承载力标准值（kN）；L——桩长（m）；h——桩进入持力层的深度（m）；sp——桩最后10击的平均每击贯入深度（m）；s——在桩尖以上10cm深度内修正后的重型动力触探平均每击贯入度（m）；——经验系数。七、评价地基土的密实度孔隙比砂土的密实度碎石土密实度分类（《岩土工程勘察规范》） 八、确定地基土的变形模量九、确定抗剪强度 标准贯入试验一、标准贯入试验的成果整理1．标准贯入试验成果整理时，试验资料应当齐全包括：钻孔孔径、钻进方式、护孔方式、落锤方式、地下水位及孔内水位(或泥浆高程)、初始贯入度、预打击数、试验标贯击数及深度记录、贯入器所取扰动土样的鉴别描述。如做过锤击能量标定试验的，应有F(t)～t曲线。2．绘制标贯击数N与深度的关系曲线，或在地质剖面图上，进行SPT的试验点深度标出N值。作为勘察资料提供时，对N值不必进行杆长修正、上覆压力修正及地下水位修正。如进行锤击能量标定试验的、可按锤击能量标定试验资料计算N60。3．结合钻探及其他原位试验，依据N值在深度上的变化，对地基土进行分层，对各土层的N值进行统计。统计时，要剔除个别异常值。成果工程应用 评定砂土的相对密度Dr和密实状态1．直接按N值判定砂土的紧密程度，见表5-4。2．原建设部综合勘察研究院绘制的N-Dr-σ’v0的关系曲线，如图5-5所示。根据试验锤击数和试验点深度，利用该图可查得砂土的相对密实度Dr。 评定粘性土的稠度状态1．Terzaghi及Peck提出的标贯击数与稠度状态之间的关系，见表5-5，该表广泛流行至今。表5-5粘性土N与稠度状态关系（Terzaghi及peck）2．在国内，按原冶金部武汉勘察公司149组资料统计的经验关系，如表5-6所示。表5-6粘性土N与液性指数IL的经验关系评定地基土的承载力1．评定土的强度指标用标贯试验成果，可以评定砂土的内摩擦角和粘性土的不排水抗剪强度。评定砂土内摩擦角的关系式有：（1）Gibbs和Holtz（1957）统计的砂土经验关系式式中，σv0为上覆压力（kPa）。由此经验关系式得出的图为（图5-6）： 图5-6N-φ-σv0关系（Gibbs和Holtz（1957））（2）Wolff（1989）统计的经验关系式为：式中，N1为用上覆压力修正过的锤击数，采用Peck等的修正关系：（3）Peck的经验关系为：φ=0.3N+27（4）Meyerhof的经验关系为：当4≤N≤10时，当N>10时，用这两式进行判别时，粉砂应减5°，粗、砾砂应加5°。 评定粘性土的强度指标也有多种方法：（1）Terzaghi及Peck提出粘性土不排水抗剪强度Cu为：（2）南京水利科学研究院在1950年~1960年期间，在我国东南沿海诸省的101项工程中积累了大量的试验资料，统计出标贯击数与无侧限抗压强度qu之间的关系：对粘性地基，有792个标贯试验，Ip>17，粘粒含量0~87%，得：qu=14N+3（kPa）对壤土地基，有596个标贯试验，其Ip=7~17，粘粒含量0~54%，得：qu=13.5N（kPa）（3）Behpoor结合60项工程，对伊朗的亚粘土及粉质粘土（N<25击），得：qu=15N（kPa）（4）美国海军码头及船坞局发现标贯击数与无侧限抗压强度qu的关系线与塑性指数Ip有密切关系，如图5-7所示。南京水科院与Behpoor的关系式是与上图相当一致，靠近低Ip粘土的边界线。 2．评定地基土的承载力在国内，着重开展标贯试验与载荷试验对比研究，提出经验关系式。（1）《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89），对粘性土承载力标准值，列于表5-7，砂性土承载力标准值列于表5-8。（2）国内很多单位基于当地实践提出了地区性经验公式，使用时注意地区性、土类的差异。见表5-9。（3）Terzaghi建议的地基承载力（kPa，安全系数取3）的经验关系式为：对于条形基础：fk=12N对于独立方基础：fk=15N 表5-9国内N值与fk（kPa）的经验关系评定土的变形参数用标贯试验估算土的变形参数时有两种途径：一种是与平板载荷试验对比，得出变形模量E0；另一种是与室内压缩试验对比，得出压缩模量Es值。国内一些勘察和研究单位建立的评定土的变形参数的经验关系式汇总于表5-10。表5-10N值与E0或Es的经验关系 预估单桩承载力及选择桩尖持力层（一）求单桩容许承载力1．Schertmann（1967）的方法见表5-11，该方法需要同时测定静力触探的锥尖阻力qc。表5-11用N估算桩端阻力pb和桩侧摩阻力pf2．国家岩土工程勘察和地基基础设计规范没有关于利用标贯试验结果确定单桩的承载力规定，但当积累了大量的工程经验后，可以用标贯击数来估计单桩承载力。如北京勘察设计研究院提出估算单桩承载力的经验公式如下： （二）选择桩尖持力层利用标贯试验选择桩尖持力层，从而确定桩的长度是一个比较简便和有效的方法，特别是地层变化较大的情况更具突出的优点。根据国内外的实践，对于打入式预制桩，常选N=30~50击作为持力层。对广州地区的残积层N=30就可以满足桩长15~20m对持力层的要求。应用时，应结合地区经验考虑。砂土液化判别目前，国内外用于砂土液化评价的现场试验手段主要有标准贯入试验和静力触探试验两种。我国《建筑抗震设计规范》（GB50011一2001）规定：u当初步判别认为需进一步作液化判别时，应采用标准贯入试验判别地面下15m范围内土的液化可能性；u当采用桩基或埋深大于5m的深基础时．还需要判别15~20m范围内土的液化可能性。u当饱和砂土和饱和粉土的标准贯入锤击数实测值(未经杆长修正)N 小于液化判别标准贯入锤击数Ncr时，应判为液化土。u地面下15m深度范围内液化判别标准贯入锤击数Ncr按下式计算：u而地面下15~20m深度范围内液化判别标准贯入锤击数Ncr按下式计算：uN0——液化判别标准贯入锤击数基准值，按表5-14取用；uds——饱和土标准贯入试验点深度(m)；udw——地下水位深度，宜按建筑使用期内年平均最高水位或近期内年最高水位采用；uρc——粘粉百分含量，当小于3或为砂土时，应采用3。表5-14标准贯入锤击数基准值N0