工程勘察原位测试

工程勘察原位测试_土木工程地质

8.4　工程勘察原位测试

工程勘察原位测试，一般指的是在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层的一种勘察技术。土的原位测试技术在工程勘察中占有很重要的位置。这是因为它与钻探取试样，然后在室内进行试验的传统方法比较起来，具有下列明显的优点。

①可在拟建工程场地进行测试，不用取试样。众所周知，钻探取试样，特别是取原状土试样，不可避免地会使土试样产生不同程度的扰动。因此，室内试验所测“原状土”的物理力学性质指标往往不能代表土层的原始状态指标，大大降低了所测指标的工程应用价值。再加上淤泥、砂层等的原状试样更难取等致命弱点，就更显原位测试的重要。

②原位测试涉及的土体积比室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构（如裂隙、夹层等）对土的性质的影响。

③很多土的原位测试技术方法可连续进行，因而可以得到完整的土层剖面及其物理力学性质指标，因而它是一门自成体系的实验科学。

④土的原位测试，一般具有快速、经济的优点。

原位测试包括载荷试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准贯入试验、十字板剪切试验、旁压试验、现场剪切试验、波速测试、岩体原位应力测试及块体基础振动测试等多种测试，本节介绍几种常用的原位测试方法。

8.4.1　载荷试验

载荷试验也叫平板载荷试验，它是利用一定面积的承压板，并在承压板上分级加荷以后，测得不同荷载下的位移和沉降量，再根据荷载与沉降量的关系曲线，确定地基承载力等参数的试验方法。

载荷试验的装置由承压板、加荷装置及沉降观测装置等部分组成（见图8－1）。其中承压板一般为方形或圆形板；加荷装置包括压力源、载荷台架或反力架，加荷方式可采用重物加荷和油压千斤顶反压加荷两种方式；沉降观测装置有百分表、沉降传感器和水准仪等。承压板面积应为2500cm²或5000cm²，目前工程上常用的是70.7cm×70.7cm和50cm×50cm。

图8－1　地基载荷试验装置

1）试验要点

①考虑到评价承载力时要采用半无限弹性理论，因此要求基坑宽度应大于承压板宽度的3倍。

②试验前，预留10～20cm的保护层，待试验时再挖掉。

③为了保持水平并保证受力均匀，在试验板下垫1cm厚的中、粗砂。

④若试坑有地下水时，应降水后再安装承压板等设备，并等水位恢复后再开始试验。

⑤对不同土，加荷等级有所不同，一般加8～10级。

⑥稳定标准。每一级荷载加载后，按间隔5min、5min、10min、10min、15min、15min，以后每隔30min测读一次沉降，当连续2h内，每小时的沉降量小于0.1 mm时，则认为已趋稳定标准，可加下一级荷载。

⑦极限压力状态的现象。a.承压板周围的土出现明显的侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；b.本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降段；c.某级荷载下24h内沉降速率不能达到稳定标准；d.s／b≥0.06（s为总沉降量；b为承压板宽度或直径）。

⑧回弹观测。分级卸载，观测回弹值；分级卸载量级为加荷增量的2倍，15min观测一次，1h再卸下一次荷载；完全卸载后，应继续观测3h。

2）试验资料整理

在试验中，由于一些因素的干扰，使试验变形值与真实变形值之间存在一定误差。诸如因安装设备等未测到变形，使观测值偏小；或是试验时土面未平整，或开挖基坑回弹变形等又使观测值偏大；还有不易估计到的偶然性因素，使试验变形值偏小或偏大。在p－s曲线图上误差表现为试验曲线不通过原点（O点），所以，在应用资料前，须对原始资料进行整理。

试验资料整理一般包括：检查整理原始资料；校正沉降数据、绘制校正后的p－s曲线；编制试验综合成果表及说明等。

①试验结束后进行全面检查整理。将检查后的时间、变形、压力等有效数据写于规定的载荷试验记录表内；

②根据原始资料绘制p－s和s－t曲线草图；

③修正沉降观测值：先求出校正值s₀和p－s曲线斜率C0；

④设原始沉降观测值为s_i′，校正后的沉降值为s_i，则有：

比例界限压力（临塑压力）以前的各点：s_i＝C₀p_i

比例界限压力以后的各点：s_i＝s_i′－s₀

⑤最后，利用整理校正好的资料绘制p－s曲线。

3）成果应用

（1）确定地基土承载力

根据试验得到的p－s曲线，可以按强度控制法、相对沉降控制法或极限荷载法来确定地基的承载力。

①强度控制法。

以p－s关系曲线对应的比例界限压力（临塑压力）作为地基上极限承载力的基本值。

当p－s关系曲线上有明显的直线段时，一般使用该直线段的终点所对应的压力为比例界限压力（临塑压力）p₀，如图8－2所示。

当p－s关系曲线上没有明显的直线段时，lgp－lgs曲线或p－Δs／Δp曲线上的转折点所对应的压力即为比例界限压力（临塑压力）p₀，如图8－3、图8－4所示。

②相对沉降控制法。

由沉降量（s）与承压板宽度或直径（b）的比值确定。若承压板为0.25～0.50m²，对于低压缩性土及砂土，可以s／b＝0.01～0.015对应的荷载值作为地基承载力基本值；对于中、高压缩性土，可以s／b＝0.02所对应的荷载值作为地基承载力基本值。

③极限荷载法。

应用极限荷载法的特点是p－s关系曲线达到比例极限后很快发展到极限破坏。

当极限承载力（p_u）与p₀接近时，可以用极限承载力（p_u）除以安全系数（一般为2～3）作为土体承载力的基本值；当极限承载力（p_u）与p₀不接近时，可以用（p_u－p₀）除以安全系数（一般为2～3）再加比例极限压力作为土体承载力的基本值。

（2）计算地基土变形模量

土的变形模量为

图8－2　p－s曲线拐点法

图8－3　lgp－lgs曲线

图8－4　p－Δs／Δp曲线

μ——土的泊松比（碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42）；

b——承压板的宽度或直径，m；

p——p－s曲线直线段的压力，kPa；

s——与p相对应的沉降量，mm。

（3）判断黄土的湿陷性

在黄土地区可以应用载荷试验判断黄土的湿陷性。按前述载荷试验方法和步骤加荷至预定荷载（常按设计荷载考虑），待沉降稳定后向试坑注水，保持水头20～30cm。为了便于渗水和防止坑底冲刷，注水前应在坑底承压板四周铺5～10cm厚的粗砂或砾石。浸水后沉降稳定（标准同前），浸水增加的沉降值即为黄土湿陷引起的湿陷量。此值可以和规定值进行对比，判断是否属于湿陷性黄土地基。

8.4.2　静力触探试验

静力触探的基本原理是用准静力将一个内部装有传感器的触探头以均速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力也不同，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计关系，实现换算获得土层剖面、提供地基承载力、选择桩间持力层和预估单桩承载力等工程勘察目的。

1）静力触探的设备

静力触探设备主要由触探主机和反力装置两大部分组成。静力触探仪由探头、量测记录仪表、贯入装置三个主要部分构成。

常用的静力触探探头分为单桥探头和双桥探头，其主要规格见表8－2。根据实际工程所需测定的地基土层参数选用单桥探头或双桥探头，探头圆锥截面积以10cm²为宜，也可使用15cm²。

表8－2　静力触探探头规格

2）静力触探试验成果的应用

静力触探试验的主要成果有贯入阻力－深度（p_s－h）关系曲线，锥尖阻力－深度（q_c－h）关系曲线，侧壁摩阻力－深度（f_s－h）关系曲线和摩阻比－深度（R_f－h）关系曲线。摩阻比的定义为

根据目前的研究与经验，静力触探试验成果的应用主要有下列几个方面。

（1）划分土层界线

在建筑物的基础设计中，结合地质成因，对地基土按土的类型及其物理力学性质进行分层是很重要的，特别是在桩基设计中，桩尖持力层的标高及其起伏程度和厚度变化，是确定桩长的重要设计依据。

根据静力触探曲线（见图8－5）对地基土进行力学分层，或参照钻孔分层结合静力触探p_s或q_c及f_s值的大小和曲线形态特征进行地基土的力学分层，并确定分层界线。

用静力触探曲线划分土层界线的方法如下。

①上下层贯入阻力相差不大时，取超前深度和滞后深度的中心，或中点偏向小阻力土层5～10cm处作为分层界线。

②上下层贯入阻力相差一倍以上时，当由软层进入硬层或由硬层进入软层时，取软层最后一个（或第一个）贯入阻力小值偏向硬层10cm处作为分层界线。

图8－5　静力触探曲线

（a）静力触探p_s－h曲线；（b）静力触探q_c－h和f_s－h曲线；（c）静力触探R_f－h曲线

③上下层贯入阻力无甚变化时，可结合f_s或R_f的变化确定分层界线。

（2）评定地基承载力

关于用静力触探的比贯入阻力确定地基承载力基本值f₀的方法，我国已有大量的研究工作，取得了一批可靠、合理的成果，建立了很多地区性的地基承载力的经验公式。但是，由于土的区域性分布特点，不可能形成一个统一的公式来确定各地区的地基承载力。实际工作中可根据所在地区不同查阅相关经验公式。

（3）评定地基土的强度参数

由于静力触探试验的贯入速率较快，因此对量测黏性土的不排水抗剪强度是一种可行的方法。经过大量的试验和研究，探头锥尖阻力基本上与黏性土的不排水抗剪强度成某种确定的函数关系，而且将大量的测试数据经数理统计分析，其相关性都很理想。其典型的实用关系式如表8－3所示。

表8－3　用静力触探估算黏性土的不排水抗剪强度（kPa）

砂土的重要力学参数是内摩擦角φ，我国铁道部《静力触探技术规则》提出按表8－4估算砂土的内摩擦角。

表8－4　用静力触探比贯入阻力p_s估算砂土内摩擦角φ

除上述三个方面的应用外，静力触探试验成果还可应用于评定土的变性指标和估算单桩承载力等。

8.4.3　圆锥动力触探试验

用一定重量的落锤，以一定落距自由落下，将一定形状、尺寸的圆锥探头贯入土层中，记录贯入一定厚度土层所需锤击数的一种原位测试方法，称为圆锥动力触探。

1）常用圆锥动力触探设备类型

表8－5列出的是国内常用的圆锥动力触探设备类型。

表8－5　国内常用的圆锥动力触探设备类型

2）圆锥动力触探试验简介

（1）轻型动力触探

主要由锥形探头、触探杆和落锤三部分组成。一般用于一、二层建筑物地基勘察和施工验槽。连续贯入，贯入深度可达4m左右。可以确定地基承载力基本值。

适用范围：浅部的素填土、砂土、黏性土、粉土。

根据已有资料确定一般黏性土、粉土素填土和新近堆积黄土的承载力基本值f₀分别见表8－6、表8－7和表8－8。

表8－6　一般黏性土承载力基本值

表8－7　粉土素填土承载力基本值

表8－8　新近堆积黄土承载力基本值

（2）重型动力触探

可以自地表向下连续贯入或分段贯入。锤击速率以每分钟15～30击为佳，一般以5击为一阵击。贯入深度在16～20m以内，主要用于砂类、卵砾类土的勘察，以及划分土层、确定滑动面位置和确定承载力。当触探杆长度≥2m时，需进行触探杆长度修正（见表8－9）。

表8－9　触探杆长度修正系数a

地下水位以下的中、粗、砾砂、圆砾和卵石，需要对原始锤击数（N63.5）进行修正：

N_63.5＝1.1N′_63.5＋1.0　　　　　　（8－4）

适用范围：中密以下的砂土、碎石土、极软岩。

根据校正后的N63.5，按有关资料提出的表8－10和表8－11，确定承载力基本值f₀。

表8－10　中、粗、砾砂的承载力基本值

表8－11　碎石土承载力基本值

（3）超重型动力触探

需配有自动落锤装置。采用连续贯入，并控制每分钟15～25击。贯入深度小于20m。可以确定承载力基本值。

适用范围：密实碎石土、软岩、极软岩。

N120的修正要考虑触探杆长度和侧壁摩擦：

表8－12　触探杆长度修正系数a

表8－13　侧壁摩擦修正系数F_n

中建西南综合勘察设计院经大量对比试验（如载荷和重型触探试验等）和数理统计给出用N120确定卵石、碎石地基的基本承载力（见表8－14）。

表8－14　卵石、碎石地基的承载力基本值

8.4.4　标准贯入试验

图8－6　标准贯入试验设备（单位：mm）

1—穿心锤；2—锤垫；3—钻杆；4—贯入器头；5—出水孔；6—由两半圆形管并合而成的贯入器身；7—贯入器靴

（1）试验设备

由带排水、排气孔对开式贯入器、导向杆、锤垫、穿心落锤和探杆组成。导向杆长1.6～2.0m，与探杆均为直径42mm的钻杆。穿心锤重63.5kg，多采用自动落锤装置。标准贯入试验的仪器设备如图8－6所示。

（2）成果应用

①在成果应用前，需对资料进行整理。据有关规范建议需进行钻杆长度修正（见表8－15）〔《建筑抗震设计规范》（GB　50011—2010）和《土工试验规程》（SL　237—1999）均不做钻杆长度修正〕。

②对有效粒径d₁₀在0.1～0.5mm范围内的饱和粉细砂，当密度大于某一临界密度时，由于透水性小，标贯产生的孔隙水压力可使N_63.5偏大，相当于此临界密度的实测值N_63.5＝15。当N_63.5＞15时应按下式修正：

③利用N63.5－H划分土层。

④确定地基土承载力。

表8－16和表8－17列出了《建筑地基基础设计规范》（GB　50007—2011）关于用标贯击数确定黏性土、砂土承载力基本值的数据。

表8－15　钻杆长度修正系数

表8－16　黏性土承载力基本值

表8－17　中、粗、粉细砂承载力基本值