基于靜力觸探技術(shù)的土層及土類(lèi)劃分方法

1、研究生課程論文(2009-2010學(xué)年第二學(xué)期)土工試驗(yàn)原理和技術(shù)課程論文研究生：朱森提交日期：2010年年九月一日研究生簽名：學(xué)號(hào)2學(xué)院土木和交通大學(xué)學(xué)科課程編號(hào)s課程名稱(chēng)土工試驗(yàn)原理和技術(shù)學(xué)位類(lèi)別碩士林科教師劉淑華教師意見(jiàn)：成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)：子類(lèi)教師簽名：年月日基于靜力觸探技術(shù)的土壤和土壤分類(lèi)方法朱參(中國(guó)華南理工大學(xué)土木和交通大學(xué)，廣州，廣東)摘要：靜態(tài)觸摸是工程中廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。介紹了靜態(tài)探針的國(guó)內(nèi)、外部發(fā)展情況、基本原理及性能應(yīng)用，比較了單橋靜態(tài)探針、雙橋靜態(tài)探針、孔壓力靜態(tài)探針等三種測(cè)試方法。重點(diǎn)探討了靜態(tài)探針曲線用于劃分土層流的三種方法，即劃分肉類(lèi)流的三種方法：視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)法、分類(lèi)圖

2、法、變量統(tǒng)計(jì)分析方法。通過(guò)比較分析，結(jié)果：雙橋靜態(tài)探針既可以測(cè)量錐尖電阻，又可以測(cè)量側(cè)壁摩擦阻力，因此比單腿靜態(tài)探針精度高。氣動(dòng)靜態(tài)滲透方法綜合運(yùn)用，劃分曲線和土層，進(jìn)一步提高了區(qū)分精度。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展基于變量統(tǒng)計(jì)理論的靜態(tài)滲透方法是今后的發(fā)展趨勢(shì)關(guān)鍵詞：靜態(tài)滲透技術(shù)；測(cè)試方法土層流劃分中間分類(lèi)編號(hào)：TU432文檔標(biāo)識(shí)號(hào)：a文檔編號(hào)：作者介紹：朱森(1986 )、南、河南南陽(yáng)人、華南理工大學(xué)巖土工程碩士研究生，主要從事風(fēng)險(xiǎn)分析方法在巖土工程中的應(yīng)用及地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究。E-mail:beihai_1986163.comclass ifications of soil layer a

3、nd soil properties on the basis of CPT technique周森氏(college of civil engineering transportation，south China university of technology，Guangzhou，中國(guó))abstract : cone penetration test is a widely-used in-situ measurement in practical project . the development，Basic principle and applicationThe curves，and

4、 can be comprehensive ly used by pore pressure CPT，which improves the accuracy morethe CPT technique based on statistical theory is an evolution trend in the future。Key words: CPT techniquein-situ measurement；Classification1國(guó)內(nèi)和國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r的靜態(tài)滲透Cone Penetration Test(CPT)是20世紀(jì)40年代隨著實(shí)用土力學(xué)和理論土力學(xué)的建立，歐洲部分軟土分布在比

5、較廣闊的國(guó)家發(fā)展的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法1。1932年荷蘭工程師P.Barentsen進(jìn)行了世界上第一次靜態(tài)滲透實(shí)驗(yàn)后，荷蘭Delft土力學(xué)研究所設(shè)計(jì)了10t荷蘭錐穿透裝置，并將其用于文件承載力實(shí)驗(yàn)研究。1948年，Vermiciden和Plantema對(duì)荷蘭圓錐進(jìn)行了改進(jìn)，防止泥土在套管和鋼條之間進(jìn)入。1949年荷蘭Delft土力學(xué)研究所應(yīng)用電測(cè)量探頭展開(kāi)了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作。1953年，Begemann設(shè)計(jì)了可測(cè)量橫向阻力的摩擦罩，進(jìn)一步補(bǔ)充了靜態(tài)滲透技術(shù)。1965年，荷蘭Fugro和TNO聯(lián)合推出了電測(cè)量式探頭，為制定ISSMFE標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，氣動(dòng)靜態(tài)滲透(CPTU)、

6、環(huán)境靜態(tài)滲透及其他多功能探頭等陸續(xù)出現(xiàn)，靜態(tài)滲透技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展2。挪威土方研究所(NGI)首次開(kāi)發(fā)了電測(cè)量式氣動(dòng)探針。1980年以來(lái)，同時(shí)測(cè)定氣壓和阻力的研究成果很多，應(yīng)用于工程實(shí)踐。我國(guó)在20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了機(jī)械的荷蘭靜態(tài)探測(cè)器。1954年，陳宗基教授利用這項(xiàng)技術(shù)在黃土地站進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。1964年，王宗基等獨(dú)立成功開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)電側(cè)式探測(cè)儀。但在20世紀(jì)80年代后期，探針傳感器技術(shù)的改進(jìn)比較少，目前應(yīng)用更多的是“單腿”探針和“雙橋”探針，探針規(guī)格不同于國(guó)際通用。在一定程度上給國(guó)內(nèi)外測(cè)試成果的比較和學(xué)術(shù)交流帶來(lái)了困難和不便。2靜態(tài)滲透技術(shù)及其結(jié)果的應(yīng)用2.1靜態(tài)滲透技術(shù)的基

7、本原理和應(yīng)用條件靜態(tài)滲透是準(zhǔn)靜態(tài)的(與動(dòng)力檢測(cè)相比，沖擊很小或幾乎沒(méi)有)，將內(nèi)部裝有傳感器的觸摸探針以一定的速度壓入泥土。地層中各種土壤的延展性和延展性不同，探針接受的阻力自然也不同。傳感器通過(guò)電信號(hào)在記錄系統(tǒng)中記錄這種大小的滲透阻力，通過(guò)滲透阻力和土壤的工程地質(zhì)特性之間的定性關(guān)系和統(tǒng)計(jì)相關(guān)性記錄。靜態(tài)滲透主要應(yīng)用于粘性土、粉填方、砂填方。對(duì)于各種整修水利工程、工業(yè)及民用建筑工程、公路橋梁工程，靜態(tài)滲透適用于地面以下50米以?xún)?nèi)的各種土層。特別是地層情況大變化的復(fù)雜場(chǎng)所和不容易得到原狀土的飽和砂土和高靈敏度軟黏土地層的調(diào)查更適合使用靜態(tài)滲透進(jìn)行調(diào)查。2.2靜態(tài)滲透技術(shù)成果應(yīng)用目前，國(guó)內(nèi)工程界使用

8、的靜態(tài)探針探針有三種：?jiǎn)螛蛱结?、雙橋探針、氣動(dòng)探針。單腿靜態(tài)接觸方法功能簡(jiǎn)單，在我國(guó)占主導(dǎo)地位，但存在分辨率低、與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不一致的問(wèn)題4。雙橋靜態(tài)探針已經(jīng)應(yīng)用，但發(fā)展較慢，氣動(dòng)探針應(yīng)用較少。靜力觸探在工程中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在劃分土層判別土流、確定土的工程性質(zhì)指標(biāo)、確定巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)三個(gè)方面。在調(diào)查精度和功能方面，氣動(dòng)靜壓優(yōu)于雙橋靜壓，雙橋靜壓優(yōu)于單橋靜壓，三種技術(shù)比較如下。1)單橋探針?lè)椒▎瓮忍筋^靜力觸探具有很長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式很多，并包含在相關(guān)規(guī)范中，目前在工程勘察界得到了廣泛應(yīng)用。單橋靜態(tài)滲透比滲透阻力只能進(jìn)行測(cè)試，因此，根據(jù)(深度)曲線形式的變化和值的大小，可以對(duì)土體進(jìn)行命名和分

9、層。在工程實(shí)踐中，由于同一層土壤的年代、原因、荷載不同，其價(jià)值可能有很大差異。此外，徐璐其他土層的值也可以相同。因此，將土層名稱(chēng)分層為一個(gè)指標(biāo)的分辨率比較低。在工程實(shí)踐中，經(jīng)常通過(guò)鉆孔取樣進(jìn)行比較分析。2)雙腿探針?lè)椒p橋靜態(tài)接觸可以檢測(cè)兩個(gè)參數(shù)，錐形端阻力和橫向摩擦阻力。計(jì)算摩擦比，可以分割土流。根據(jù)這些測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得到兩條曲線，即關(guān)系曲線。兩相對(duì)比精度高。側(cè)摩阻力也是劃分土壤的極好參數(shù)。3)孔壓靜態(tài)滲透方法(CPTU)孔壓靜態(tài)探針比雙橋探針檢測(cè)孔間隙水壓U的三個(gè)指標(biāo)，因此對(duì)土層的分辨率比雙橋靜態(tài)觸探高得多。CPTU的測(cè)試結(jié)果表明，它廣泛應(yīng)用于巖土領(lǐng)域，主要包括四個(gè)方面。泄漏評(píng)價(jià)，強(qiáng)化特性

10、；為了滿足徐璐其他需要，區(qū)分排水、部分排水、鄭智薰排水滲透方式。提高土壤分層和土壤分類(lèi)的可靠性。氣動(dòng)探頭在劃分土層土流方面優(yōu)于單橋、雙標(biāo)定探頭，在求土地性指標(biāo)方面也優(yōu)于其他兩種方法。氣動(dòng)靜壓探頭可以得到土層的固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)，但其他兩種方法不能。從調(diào)查費(fèi)來(lái)看，氣動(dòng)探頭最高，從價(jià)格效果來(lái)看，氣動(dòng)探頭最低。因此，大量普及孔壓探針的使用，提高靜態(tài)探針的測(cè)試精度，與國(guó)際接軌。3靜力觸探曲線在土壤土壤分類(lèi)中的應(yīng)用確定地基承載力，評(píng)價(jià)地基土地液化特性，確定開(kāi)挖層厚度，特別是統(tǒng)計(jì)分析一個(gè)土層的施工特性指標(biāo)，必須正確劃分土層，確定土的名稱(chēng)。當(dāng)氣動(dòng)探針以機(jī)械力以一定速度按在土上時(shí)，探針受到來(lái)自土體的電阻，這種

11、電阻通過(guò)探針的傳感器作為電信號(hào)輸入記錄器，并記錄下來(lái)。然后通過(guò)將滲透率正系數(shù)轉(zhuǎn)換為壓力，可以根據(jù)深度得到各種曲線。土層的強(qiáng)度不同，同一層的土強(qiáng)度相似，因此如果反映在曲線上，就會(huì)出現(xiàn)分層分布規(guī)律。靜態(tài)滲透測(cè)試具有高精度、功能完整、勘探和測(cè)試兩個(gè)作用。如果不從測(cè)試中取樣，結(jié)果的可靠性和再現(xiàn)性都很好，使用電氣測(cè)量技術(shù)，便于測(cè)試和結(jié)果處理的微型化和自動(dòng)化。此外，不受采樣擾動(dòng)等因素的影響，可持續(xù)獲得地層強(qiáng)度和其他方面的信息，得到廣泛使用。靜態(tài)滲透的重要用途之一是劃分土層，準(zhǔn)確確定土層界面信息，這對(duì)土層工程特性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算具有重要意義。從單腿靜態(tài)探針到當(dāng)前氣動(dòng)靜態(tài)探針，土層和土流的劃分方法也不斷改進(jìn)和改

12、善，主要分為以下三種方法：3.1視覺(jué)體驗(yàn)法那是檢查探測(cè)原始數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)識(shí)別土流，劃分土層。視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)法主要是指使用單腿靜力觸探曲線的方法。單腿靜態(tài)探測(cè)器只能得到一個(gè)單數(shù)形式，所以?xún)H憑這個(gè)參數(shù)還不足以準(zhǔn)確判斷土壤的種類(lèi)。僅適用于城市、公共礦區(qū)等有當(dāng)?shù)氐撞扛攀龅牡胤健Ｔ谝?guī)范或規(guī)定內(nèi)，與滲透阻力和土壤可塑性指數(shù)相關(guān)的關(guān)系建立的區(qū)域。天津地區(qū)可以利用交通部一航局提供的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定地基土的名稱(chēng)(見(jiàn)表1)。此外，工程師實(shí)際上根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)滲透曲線形態(tài)的理解，以及比滲透阻力和層標(biāo)準(zhǔn)更定性的對(duì)比層次，見(jiàn)表2，35。表1交通一航局關(guān)系1.05.510.014.020.027.030.035.040.028.4

13、17.012.010.08.37.0表2根據(jù)滲透電阻的變化，機(jī)械分層的病床標(biāo)準(zhǔn)或(Mpa)最大滲透阻力與最小滲透阻力之比1.01.0至1.51.0至3.01.5-2.0 3.02.0至2.5表3不同土壤的曲線特征泥土層泥和粉質(zhì)粘性土粘土和粉末粘土粉末泥土沙子雜筆基巖風(fēng)化層曲子線特別的征兵值小尺寸，曲線緩慢地，沒(méi)有突變現(xiàn)象值更大，曲線緩慢地，慢吞吞的是波形起伏，成為土層中間有個(gè)結(jié)核存在時(shí)，保存在個(gè)人中突變現(xiàn)象曲線起伏大，那波浪奉化市譜曲圓的(地下水位下面起伏小尺寸)，更改頻率不大曲線起伏大，類(lèi)似于盆土的變化，更改頻率大，峰值和譜曲杰西尖的形狀曲線變化不規(guī)則，經(jīng)常出現(xiàn)突變現(xiàn)象曲線

14、起伏大，峰值，炮口杰西圓，變化頻率大線類(lèi)型據(jù)此，用單個(gè)靜態(tài)滲透曲線參數(shù)值劃分土層，表明土層劃分不統(tǒng)一，土質(zhì)分類(lèi)不統(tǒng)一。我國(guó)在土質(zhì)分類(lèi)的原則上基本一致，但具體指標(biāo)的界限和土壤的名稱(chēng)仍然不一致。例如，粘性土的分界線在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中以 10為基準(zhǔn)，有些規(guī)范以 7為基準(zhǔn)。另外，對(duì)軟土的定義和認(rèn)識(shí)也有差異。因此，由于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不平衡，單腿靜態(tài)接觸分割土層的進(jìn)行受到了限制。3.2分類(lèi)圖方法滲透參數(shù)與土流的關(guān)系受多種因素的相互作用影響。滲透參數(shù)交替重疊，但在復(fù)雜的關(guān)系中，可以找到主要趨勢(shì)和規(guī)律。對(duì)雙橋靜態(tài)探針和氣動(dòng)靜態(tài)探針測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行了大量研究，得到了劃分以下幾個(gè)土層的分類(lèi)5。3.2.1雙腿靜態(tài)滲透曲線利用雙

15、橋探針，靜態(tài)觸探可以同時(shí)測(cè)量錐形端阻力和側(cè)壁摩擦阻力兩個(gè)參數(shù)，因此，利用雙橋參數(shù)分割土層和土壤類(lèi)比單橋觸摸曲線，可以提高準(zhǔn)確度和準(zhǔn)確性。在探針過(guò)程中遇到相同的東西，土性不同的話，可以再次使用來(lái)區(qū)分土流。因?yàn)椴煌耐寥涝谙嗤臅r(shí)候是不同的。(莎士比亞，哈姆雷特)相反，相同的時(shí)候，就不同了。正如許多具有相同比例尺的雙橋探針圖所示，沙的曲線在曲線內(nèi)部，粘性土的曲線在曲線外部，因此比例的大小與土壤的原因、種類(lèi)和物理力學(xué)特性有著密切的關(guān)系。滲透參數(shù)和土類(lèi)的關(guān)系受到多種因素的相互制約，滲透參數(shù)交替重疊，但在復(fù)雜的關(guān)系中，可以找到主要趨勢(shì)和規(guī)律。此時(shí)，不僅可以劃分粘性土和沙柳土這兩個(gè)主要類(lèi)別，還可以區(qū)分兩個(gè)主要類(lèi)別之間的轉(zhuǎn)換帶，即粉土等，這是非常重要的判斷值。目前，雙橋靜力觸探參數(shù)劃分土層和土流的方法標(biāo)準(zhǔn)為北京鐵路局標(biāo)準(zhǔn)、鐵路部標(biāo)準(zhǔn)、斯莫特曼標(biāo)準(zhǔn)。a)北京鐵路局標(biāo)準(zhǔn)北京鐵路局在北京、天津、唐山、石家莊等地區(qū)，將70個(gè)靜態(tài)滲透孔和相應(yīng)的鉆孔資料共分為270個(gè)組，繪制了3個(gè)散布圖，如圖1所示