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1、精选优质文档-倾情为你奉上旁压试验和静力触探成果分析0 前言 工程勘察作为工程施工的重要组成部分，需要为工程施工和使用期间提供全面的工程指标，确保工程设计方案安全、经济、合理，为施工的顺利进行提供保障。岩土工程勘察应提供各项岩土性质指标，岩土的强度参数、变形参数、地基承载力的建议值等。原位测试是获许这些相关信息的重要手段之一。1 旁压试验旁压试验可用于确定土的临塑压力和极限压力，以评定地基土的承载力；自钻式旁压试验可确定土的原位水平应力或静止侧压力系数；估算土的旁压模量、旁压剪切模量、侧向基床反力系数，估算软粘性土不排水抗剪强度以及估算地基土强度、单桩承载力和基础沉降量等。旁压试验得到的土体压
2、力与变形的对应关系，用曲线有几种表示方法。即压力-孔壁土被压缩的体积变化量，P-V曲线；压力-孔径径向变化值，P-r曲线；压力-表示孔壁土体积压缩的测管水位下降值，P-s曲线。这些曲线所表示的含义是一样的，它们之间有固定的转换关系。从物理概念讲P-V曲线和P-r曲线更明确。同时考虑到利用旁压孔穴体积增加一倍确定极限荷载和计算旁压模量Em的方便，本次详勘阶段采用P-V曲线比较合适，试验成果图如图1所示。通过P-V曲线图，我们可以求取出旁压试验特征值。主要包括P0地层原始水平压力、Pf临塑荷载、P1极限荷载，并通过公式求出旁压模量Em。本次试验报告结果已直接给出P0、Pf、Em的值。Em=21+V
3、cmPV (1.1)式中：Em-旁压模量； -土的泊松比； Vcm-PV曲线直线段体积变化增量； PV-旁压曲线直线段的斜率。 通过这几个特征值，可以进一步计算出岩土工程性质的一些相关参数。图1 旁压试验成果示意图1.1 旁压试验成果计算（1）确定粘性土的不排水抗剪强度Cu=P1-P05.5 (1.2)（2）确定砂土内摩擦角=lnP1-P0180+24 (1.3)（3）确定旁压剪切模量Gm=Vc+V0+V2PV (1.4)式中：Vc-旁压器固有体积； V0-PV曲线的直线段延长与V轴相交，其交点定义为V0； V-旁压曲线直线段体积增量； P-旁压试验直线段压力增量。（4）确定地基承载力1采用旁
4、压临塑压力fka=Pf-P0 (1.5)式中：fka-地基承载力标准值； P0-旁压试验的初始压力； Pf-旁压试验的临塑压力；-临塑压力修正系数，取0.71.0。2旁压试验求出的地基承载力极限值fu可按式（1.6）计算，并按式（1.7）计算确定地基承载力标准值。fu=P1-P0 (1.6)fka=fuK (1.7)式中：P1-旁压试验极限压力； K-安全系数，对于一般第四纪粘性土、粉土，不应小于2；对于一般第四纪粉砂、细砂，不应小于4。（5）确定砂性土的变形模量E0=KGm (1.8)式中：K-变形模量转换系数，粉砂45，细砂57，中砂79，粗砂911。（6）确定土的压缩模量根据高层建筑岩土
5、工程勘察规程(JGJ72-2004)规定，可用下式计算：Es=Em (1.9)式中：Es-压缩模量； -一般粘性土取0.71，粉土取1.21.5，细砂取22.5，中砂取34； Em-旁压模量。（7）确定地基土水平基床系数Kh=1-aPr (1.10)r=r1-r0 (1.11)式中：r1-临塑压力时钻孔空腔的半径； r0-初始压力时钻孔空腔的半径； a-孔隙压力系数，砂土取0，粉土取0.10.2，粉质粘土取0.150.25，粘土取0.250.50。（8）估算单桩极限承载力和沉降1桩端极限压力qLqL=KP1-P0+q0 (1.12)式中：K-承载力系数。2桩侧极限摩阻力L对于软岩地基L-P1的
6、相对关系，单位为kPa，可用下列公式估算：L=0.033P1+30 (1.13)3桩的轴向容许承载力P=i=1nLiuihi2+qLA3 (1.14)式中：Li、ui、hi-第i层土的极限摩阻力、桩的周边长和土层厚度； A-桩的底面积； qL-桩端极限压力。4单桩的沉降（a）钻孔桩s=0.006B（B为基础宽度或直径）（b）打入桩s=0.009B如桩较长，沉降可按上式估算的再加上桩身的弹性压缩量=QLAE式中：Q=qLA qL-桩端极限压力； A-桩端面积，对开口桩取1/2； L-桩长； E-弹性模量。（9）原位水平压力a.观察法假定旁压器压入地面时，对周围土体不产生明显扰动，且土体呈线弹性。
7、放大压力应变曲线1%腔应变之前的部分，在膜开始膨胀的点上放置水平标尺，其对应的压力值为P0。由于仪器存在旁压器变形、位移传感器安装偏差等未知因素，多采用选取位移较为明显的点为初始压力点的处理方法；且旁压器钻入时，土体不可避免地会发生一些位移，曲线偏离压力轴的初始点P0相当于压缩与再压缩阶段的分界点，故采用观察法得到的P0值一般比原位水平应力h0大。b.迭代法迭代法假设土体呈简单弹性变形，计算如下式：Pf=P0+f (1.15)如果曲线的弹性阶段呈明显直线段，转折点对应的压力值即为屈服压力Pf；否则按倒数曲线法，取两切线交点对应的压力值为Pf。f是土体发生塑性变形时对应的剪应力，在Pf点处去斜率
8、dPdc，则：f=0.5c1+c2+cdPdc (1.16)式中：腔应变c=rc-r0r0，当考虑小应变时，1+c1+c2=1。分析时，先假定一个P0值，即在曲线上确定一个临时应变起始点，代入之前确定的Pf和f值，将P0+f与Pf经行比较，若不相等，则重新确定P0值，再比较，直至式（1.15）成立。由于经过反复迭代试算，此方法得到P0满足理论推导，等效于原位水平应力h0。但在实际操作中，曲线形态对试验结果影响较大，应尽量减慢旁压器的钻入速度，采用应力控制膨胀，并注意检查水流循环情况；且确定Pf值时人为因素影响较大。c.拟合法假设土体为理想弹塑性体，且符合Tresca屈服准则。首先将整个试验分为
9、弹性膨胀、塑性膨胀、弹性收缩、塑性收缩4个阶段，拟合出由土体力学指标决定的不排水旁压曲线。其中，不排水抗剪强度Cu决定了膨胀与收缩曲线之间的距离，剪切模量G和不排水抗剪强度Cu控制其曲率，初始压力P0确定整个试验的平均应力。根据线弹性分析法：Pc=P1+Culnce (1.17)式中：P1-土的极限水平应力； ce-腔壁开始发生剪应变时的膨胀量； Pc-腔壁上的压力，扰动半径r时，Pc=P0。绘制P-lnVV关系图，将图线拟合成一条直线，其斜率即为Cu。确定G的方法是：在压力径向位移图中，用直线连接回滞圈顶点，其斜率即表示剪切模量：G=1+cPc2c (1.18)此时调整拟合曲线在坐标中的位置
10、，使其与试验曲线重合，拟合曲线起点所对应的压力值即为初始压力P0。拟合法的模型是用严格挑选的数据拟合而来，其推导过程严密，充分利用已知条件，大大提高了分析过程精确度。但此方法不考虑土体扰动因素，相当于提高了钻孔周围土体的应力状态，且建立模型的过程较为复杂，有待进一步简化。(10) 静止侧压力系数 a.经验公式计算根据三轴试验结果绘制塑性指数与应力的关系曲线，总结出正常固结粘土的静止侧压力系数K0与塑性指数之间的关系：K0=0.19+0.233logIp (1.19)式中：K0-静止侧压力系数； Ip-塑性指数。b用P0值求算静止侧压力系数是原始应力状态下水平向主应力与竖向主应力之比。针对旁压试
11、验定义为：K0=P0-uh-u (1.20)式中：-土的容重； h- 地表到旁压器中心的距离； u-孔隙水压力。2 静力触探根据静力触探资料，利用地区经验，可进行力学分层，估算土的塑性状态或密实度、强度、压缩性、地基承载力、单桩承载力、沉桩阻力，进行液化判别等。根据孔压消散曲线可估算土的固结系数和渗透系数。2.1 静力触探结果分析2.1.1 土的物理指标（1）地基土的密度1砂土的相对密度大量的研究表明：对各类砂土，相对密度、原始有效应力及贯入阻力之间没有一个确定的关系，因为其他因素如土的压缩性也影响贯入阻力。伦纳等对中细石英砂通过室内三轴标定罐的实验，建议：Dr=12.91lnqc0.7110
12、0% (2.1)式中：qc-静探端阻。适用于正常固结的干砂，也可用于饱和砂。肖尔曼建议Dr-qc关系即：Dr=12.73lnqc0.51100% (2.2)对于超固结的砂土，可用肖尔曼所建议的方法，将原位超固结的砂土qc值转换为正常固结的端阻qcnc：qcnc=qcoc1+0.75OCR-1 (2.3)式中：qcnc-正常固结砂土端阻； qcoc-超固结砂土端阻； OCR-超固结比，OCR=kcockcnc； 其中kcoc-超固结砂的静止侧压力系数， kcnc-正常固结砂的静止侧压力系数。肖尔曼建议取0.42；伦纳建议取0.45。（2）土的天然重度国内外实验研究表明，比贯入阻力Ps与砂土的d、
13、Dr有良好的关系；而正常固结的饱和粘土，其强度与天然含水量Wn有唯一关系。根据理论公式=d+nSrw (2.4)式中：n-土的孔隙率，n=1-d10Gs； Gs-土粒比重； Sr-土的饱和度； w-水重度。对饱和土，Sr1，上式可改为=w+1-w10Gsd (2.5)由于造岩矿物的Gs差别不大，对粘性土而言，Gs均在2.7左右；w可恒取10KN/m3。故对饱和土而言，其重度可用下面的近似式表达：0.63d+10 (2.6)既然在一定条件下，d与Ps有良好的对应关系，则Ps与的统计关系也就存在。铁路工程地质原位测试规程（TB10018-2003）第10.5.8规定Ps-经验公式为：Ps400kP
14、a时，=8.23Ps0.12400kPaPs4500kPa时，=9.56Ps0.0954500kPaP时，=21.3 (2.7)（3）粘性土的稠度粘性土的稠度表征其软硬程度，因而与贯入阻力存在相关性。这方面的经验成果如表1所示。表1 用比贯阻力P判定稠度状态表公式来源经验公式适用条件原北京综勘院IL=0.374+287PsPs2000kPa粘性土武汉冶勘公司IL=1.58-0.934logPs100粘土、亚粘土铁四院1IL=(0.462+0.0011Ps)Ps3000kPa粘土Ps=503IL-1.06Ps1500kPa粘性土（4）土的强度参数1.粘性土的不排水抗剪强度Cu探头在饱和粘性土中贯
15、入时，土体处于不排水条件（=0），其不排水抗剪强度Cu可用下式估算：Cu=qc-0Nk (2.8)式中：qc-锥头阻力；0-原位总上覆应力； Nk-锥头系数（由经验取得）。研究资料表明，由于地区性土质性状的差异以及研究者取得Cu试验手段的不同导致了Nk变化幅度较大。国外一些研究成果见表2。国内研究成果见表3。表2 静力触探估算粘性土的不排水抗剪强度关系式土类来源建议者Nk=qc-hoCu=11+1+lnIr饱和粘性土（各向同性，无应变软化）理论（稳定流）Baligb(1975)Nk=qc-octCu=1.331+lnIr+2.57线弹性应变硬化孔穴扩张理论Vesic(1975)Nk=qc-oC
16、u=4.55.8应变软化孔穴扩张理论Ladanyi(1967)Nk=175非裂隙性超固结粘土Cu由三轴实验获得Kjekstad(1978)Nk=521;Nk随Ip增大而减小软中等粘土Baligb(1980)Nk=1119，平均15正常固结海相粘土Cu由十字板实验获得Lunne和Kleven(1981)Nk=162Cu由三轴实验获得Jamiolkowski等(1982)表3 不排水抗剪强度Cu与qc、Ps的关系关系式土类来源建议者Cu=0.0543Ps理论华东电力设计院Cu=0.071qc+1.28qc700kPa滨海相软粘土Cu由十字板实验获得（未修正）同济大学Cu=0.0696Ps-2.7P
17、s=3001200kPa饱和软粘土Cu由十字板实验获得（未修正）武汉联合研究组四川建研所Cu=0.0543qc+4.8上海、广州软粘土qc=100800kPa经验四川建研所Cu=0.0308Ps+4天津新港软粘土Ps=1001500kPa交通部一航院Cu=0.05Ps天津新港软粘土铁三院Cu=0.04Ps+2St=27，Ip=1240的软粘土铁路工程地质原位测试规程注：由于十字板实验的剪切速率较地基负荷后产生的剪切变形速率快得多，建议设计时对由十字板实验得到的Cu乘以0.9折减系数。（2）砂土的内摩擦角大量资料表明，砂土的Ps值与内摩擦角有良好的相关性，不同类别的砂土其关系不尽相同。铁道部科学
18、研究院及长沙铁道学院的研究表明：用单一指标Ps（或qc）推算值存在诸多不定性，还应考虑测试点的原位应力状态及土的压缩性。铁路工程地质原位测试规程（TB10018-2003）第10.5.12提出了可按表4估算砂土的内摩擦角。表4 按比贯入阻力Ps估算内摩擦角Ps(MPa)12346111530()2931323334363739（3）土的变形参数1.粘性土的压缩模量Es一般均表示为Es=aqc (2.9)式中：a-经验系数。米切尔和格登汇总了桑格瑞特等的a值列于表5。表5 各种土类的a值土类qc(100kPa)a低塑性粘性土(CL)20382512.5低塑性粘性土(CL)201336高塑性粉土和
19、粘性土(MH CH)2026有机质粉土(OL)1228 2.粘性土的变形模量E0粘性土的变形模量E0和Es属排水固结性质的模量，与不排水的qc或Ps没有直接的机理联系，它们的关系只能是经验的。国内有关估算粘性土的变形模量E0的经验关系见表6表6 估算粘性土的E0的经验公式单位经验关系适用范围适用土类武汉联合实验组E0=9.79Ps-2.63E0=11.8Ps-4.690.3Ps33Ps6淤泥、淤泥质土、一般粘性土老粘性土原北京综勘院E0=6.06Ps-0.90E0=6.90Ps-6.79E0=3.55Ps-6.65Ps1.6Ps4淤泥、淤泥质土、一般粘性土一般冲积土粉土铁一院E0=3Ps+2.
20、87E0=2.3Ps+1.99E0=13.09Ps+0.64E0=5.95Ps+1.4E0=5Ps0.5Ps60.5Ps100.5Ps51Ps5.51Ps10）粘性土及新近沉积土（Ip10）新黄土（东南带）新黄土（西北带）新黄土（北部边缘带）铁四院E0=6.03Ps1.45+0.80.085Ps2.5软土、一般粘性土国外对这方面的报道很少，仅前苏联CH-448-72规范中，对有机质含量10%的粘土和粉质黏土，提出下式估算：E0=7qc (2.10)3.饱和粘性土的不排水杨氏模量Eu（用于估算地基的顺势变形）铁路工程地质原位测试规程（TB10018-2003）第10.5.19规定，对Ps1.MP
21、a的饱和粘性土，不排水杨氏模量Eu可按下式计算：Eu=11.4Ps (2.11)式中Eu为剪应力水平大50%时的割线模量。4.砂土的压缩模量Es、初始切线模量Ei和变形模量E0a.压缩模量Es常用的估算砂土的压缩模量Es的公式为：Es=aqc (2.12)式中a为1.44.0，低a值用于正常固结砂土。铁路工程地质原位测试规程（TB10018-2003）第10.5.18提出了估算砂土Es的经验值，见表7。表7 按比贯入阻力Ps估算砂土压缩模量EsPs(MPa)0.50.711.31.82.534Es(MPa)2.65.03.55.44.16.05.17.56.09.07.510.29.011.5
22、11.513.0Ps(MPa)56789111315Es(MPa)13151516.516.518.518.520.020.022.524.027.028.031.035.0b.初始切线模量Ei对正常固结的砂土伦纳等提出：qc10，Ei=4qc10qc50，Ei=120 (2.13)对超固结砂土（OCR2），则qc50，Ei=250 (2.14)以上两式中qc、Ei的单位均为MPa。C.变形模量E0可参照表8估算。表8 估算E0的经验公式提出单位关系式说明铁一院E0=3.57Ps0.6836粉、细砂辽宁煤矿设研院E0=2.5Ps中、细砂2.1.2 桩基承载力理论计算和实践经验表明，静力触探所测
23、的参数不能直接作为桩的承载力，必须加以修正，修正的方法主要分以下两类：第一类首先根据静力触探测试结果通过回归分析和土的某一个强度指标如不排水抗剪强度 Cu（或 Su）、有效垂直应力v 等建立线性或其它类型关系，再进一步按土力学原理确定桩的承载力，国外静力触探刚开始应用时多采用这种途径。第二类采用半经验、半理论的修正系数方法，根据试桩资料和静探指标综合分析，通过不同的修正方法将触探的锥尖阻力或锥尖阻力和锥侧阻力根据土的分类、土的埋藏深度等与桩的端阻、侧阻分别建立修正函数关系，因为静力触探和桩的应力场的不同，静力触探指标和桩端侧阻的修正函数国内外一般选取的是土的强度的递减函数。国外近期的大部分成果
24、和国内所有成果基本上采用本方法实现静力触探参数和桩的承载力转换。2.1.3 国内外研究成果对于工程应用来说,需要确定土的工程性质主要可归结为四个方面：土的初始状态；变形特性；强度特性(抗剪强度)；渗流与固结。表9是国际CPT成果应用及其可靠性一览表。表10是我国CPT成果应用情况表。通过上述对比不难发现,我国CPT技术的应用与国外有较大差距:国际CPT测试成果在确定土工程性质的四个方面均有应用,且成果一致性和可靠性稳定。指标方面，我国主要用qc、fs、ps，而国外则已普遍采用Bq、Rf，即CPTU技术已经广泛使用。国际CPT的应用建立在较完善的理论基础之上，已达到较理性的程度。表9 国外CPT
25、应用及可靠性注：表中fs为侧阻力；qc为锥尖阻力；u为由CPTU测得的孔隙水压力(u2);Rf=fsqc100% ，为摩阻比；Fr=fsqt-v0，为修正摩阻比，式中qt=qc+u1-a，a为修正系数Qt=qt-v0v0，式中v0为原位竖向应力， v0为原位有效竖向应力；Bq=u-u0qt-v0，为孔压比，式中u0为静水应力；PPD为孔隙压力差，PPD=u1-u2u0 ， u1、u2分别为探头锥尖和锥肩所测出孔隙水压力；M=6sin3-sin；Ns为实验常数，一般取510； Nc为理论锥尖因子； 0为土体原位总应力0=v0；qe为净锥尖阻力， qe=q1-u2；Nke为锥尖因子，正常固结粘土取
26、1015,超固结土取1519；Nu为实验常数，可查文献8表5.25求得；m为修正系数，根据土性和qc值取值； pa为参考应力(100 kPa)；w为水的容重；RR为超固结范围内的再压缩比，一般0.005RR0.02； ch为水平固结系数；d为探头半径(17.8 mm)；Ir为刚度系数(Gsu)； Du为探头透水石位置修正系数，当透水石在锥尖时取Du=1.63，在锥肩时取Du=1.15，在大于5倍半径以上时取0.62；m为孔隙水压力消散与时间开平方线性关系的梯度； C0、C1、C2为土的常数，查图表求得；qc1为无量纲锥尖阻力，qu=qcpavpa； Qc为压缩因子，0.91Qc10 m， CR
27、=1.0，对于采用卷筒吊绳落锤的常规标准贯入试验，N60=CRN1.2；可靠性分级：=很可靠；=可靠；=较可靠；=一般可靠；=可靠性低。表10 我国的CPT应用情况注：表中ps为单桥静力触探比贯入阻力；qc为双桥探头锥尖阻力；fs为侧摩阻力；Rf为摩阻比；a、b为系数，与土类有关，当16 fs 80 kPa时，a= 12.14，b= 32.77，当1 fs 9 kPa时，a= 5.47，b= 3.810；Rk预制桩、单桩竖向承载力标准值(kN)；k为安全系数，一般取2；b为桩端阻力修正系数，可查表； psb为桩端附近单桥探头静力触探比贯入阻力平均值；Ap为桩身横截面面积(m2)；up为桩身周长
28、(m)； fi为用单桥探头静力触探比贯入阻力ps值估算的桩周各层土的极限摩阻力标准值；li为第i层土中桩身高度；为桩尖阻力修正系数，对粘性土取2/3，对饱和砂土取1/3； qc为桩端上、下探头阻力(kPa)；i为第i层土桩身侧摩阻力修正系数，当为粘性土时，i=10.043fsi-0.55，砂性土时，i=5.045fsi-0.45 ；fsi为第i层土探头的侧摩阻力(kPa)；ps0为砂临界贯入阻力；Hw为地下水位深度；H0为上覆层厚度。3 结论1.通过旁压试验计算得出的地基承载力，与初勘报告中给出的承载力值相比，旁压试验得出的值大于报告中给出的值。2.通过旁压试验计算得出的压缩模量值与报告中给出
29、的值较为相近，但个别数值差距较大，估计是由于土的类型不同而导致参数选取上有误差。3.单桩承载力的计算存在的影响因素较多，不仅与试验数据相关，还与桩自身的一些数据有关，计算出的值应该仅适用于初步估计，不适用于具体计算。4.其余一些土体参数的计算方法，大多数取决于地区经验，各地区差异较大，没有一个统一的计算公式，仅供参考。参考文献1工程地质手册编写委员会.工程地质手册(第3版)M.北京:中国建筑工业出版社,1992.2刘松玉,吴燕开.论我国静力触探技术（CPT）现状与发展J.岩土工程学报,2004,26(4):553-5563孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用M.北京:地质出版社,1997.
30、4辛蕊,赵瑞武,杨爱武等.自钻式旁压仪测定黏土原位水平应和K0值,中国港湾建设,2011.5罗晶.利用旁压试验参数确定地基土承载力和模量.水文地质工程.2001.6石祥峰,张家铭等.旁压试验在岩土工程中的应用.岩石力学与工程学报.2004.7顾国荣,陈晖.旁压试验成果应用.上海地质.1996.8孟高头,张得波,等.推广孔压静力触探的意义J.岩土工程学报,2000,22(3):314-318.9张诚厚.一种用孔压圆锥贯入试验测定软土的新分类图J.水利水运科学研究,1990,(4):427-438.10张夏临,王喜华.旁压试验技术在工程中的应用.西部探矿工程.2004.11吴道祥.静力触探的发展及其在岩土工程中的应用.合肥工业大学学报.2008.12魏杰.静力触探确定桩承载力的理论方法.岩土工程学报.1994.专心-专注-专业