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触探试验
触探试验
触探试验是一种常用的原位测试技术。
由于其设备简单、易于操作、使用效率较高,因而应用较为广泛。
在长期的工程实践中,积累了大量的试验数据和丰富的应用经验,测试成果较为可靠。
试验方法包括动力触探(DPT)、标准贯入(SPT)和静力触探(CPT)三类。
其基本方法是,用动力冲击或静力将一个特制的探头,按一定的速率贯入土层中,以剪切破坏的方式挤开土层。
根据探头所承受的贯入阻力,划分土层、确定土层的承载力和变形性等指标。
1动力触探试验(Dynamicpenetrationtest)
1概述
动力触探试验是利用一定的锤击动能,将一定规格的圆锥探头贯入土体中,根据探头贯入土层的难易程度(贯入击数或贯入阻力的变化),测求土层工程地质性质的一种现场原位测试技术。
适用于一般粘性土、素填土、砂土、碎石土及各类强风化、全风化硬质岩石和软质岩石。
(1)动力触探试验的类型:
根据锤击能量,动力触探试验分为轻型、重型及超重型三种(表1-1)。
表1-1轻型、重型及超重型动力触探技术规格参数
类型
落锤重
(kg)
落距
(cm)
形状
锥底面积
(cm2)
贯入记录
量的符号
主要适用岩土
轻型
10
50
实心圆锥
12.6
贯入30cm
锤击数
N10
浅部的填土、砂土、粉土、粘性土
重型
63.5
76±2
实心圆锥
43
贯入10cm
锤击数
N63.5
砂土、中密以下碎石土、极软岩
超重型
120
100
实心圆锥
43
贯入10cm
锤击数
N120
密实和很密的碎石土、软岩
标准贯入
63.5
76±2
空心圆筒
9.6
贯入30cm锤击数
N
砂土、粉土、一般粘性土
(2)动力触探试验的工程目的:
动力触探试验指标主要用于以下工程目的:
(a)测定地基土的强度及变形指标;
(b)评价场地均匀性;
(c)确定地基持力层及承载力;
(d)检测地基加固与改良质量。
(3)动力触探试验的技术原理:
动力触探的锤击能量,除消耗于锤与探杆的碰撞、探杆的弹性变形及探杆与孔壁的摩擦外,主要用于克服土层对探头的阻力。
前者为无效能量,后者为有效能量。
若略去无效能量,则:
eQgH=RdAs
Rd=eQgHN/Ah
式中:
Rd—探头的单位动阻力(N/m2);
A—探头的横截面机(m2);
s—每击的贯入度(m),s=h/N;
h—贯入深度(m);
N—贯入深度为h时的锤击数;
e—锤击效率(与落锤方式、导杆摩擦及锤击偏心等有关);
g—重力加速度(g=9.81m/s2);
Q—锤质量(kg);
H—落距(m)。
当e、Q、H、A、h一定时,由探头的单位动阻力或锤击数反映出的动贯入阻力与土层的密度及力学指标有关。
通过大量的试验及测试数据建立起来的经验关系,可应用于工程实践。
动力触探试验的影响因素较为复杂。
其中,某些因素可以采用标准化措施来控制,如试验方法、机械设备、落锤方式;而有些因素则只能通过经验校正予以处理,如杆长及地下水等。
2轻型动力触探(N10)试验
适用于深度小于4m的一般粘性土、粘性素填土和砂土层。
(1)试验设备:
轻型动力触探设备主要由圆锥探头、触探杆、穿心落锤三部分组成(图1-1),落锤升降由人工操纵。
图1-1轻型动力触探试验设备示意图
穿心杆2.穿心锤3.锤垫4.触探杆5.探头
(2)试验步骤:
(a)探头贯入土层之前,先在触探杆上标出从锥尖起向上每30cm的位置。
(b)一人将触探杆垂直扶正,另一人将10Kg穿心锤从锤垫顶面以上50cm处自由落体放下,锤击速度以每分钟15-30击为宜。
(c)记录每贯入土层30cm的锤击数N10′(击/30cm)。
(d)为避免因土对触探杆的侧壁摩檫而消耗部分锤击能量,应采用分段触探的办法,即贯入一段距离后,将锥尖向上拔,使探孔壁扩径,再将锥尖打入原位置,继续试验。
或每贯入10cm,转动探杆一圈。
(e)当N10′>100或贯入15cm锤击数超过50时,可停止试验。
(3)资料整理:
(a)轻型动力触探由于贯入深度浅,可不作杆长修正,即N10′=N10。
(b)绘制轻型动力触探击数N10与深度h的关系曲线(图1-2)。
图1-2轻型动力触探击数N10与深度h的关系曲线
(4)试验成果的应用:
确定地基承载力特征值fa,见表1-2、1-3及1-4。
表1-2一般粘性土承载力特征值fa与N10的关系
N10(击/30cm)
15
20
25
30
fa(Kpa)
105
145
190
230
注:
本表引自《建筑地基基础规范》(GBJ7-89)
表1-3素填土承载力特征值fa与N10的关系
N10(击/30cm)
10
20
30
40
fa(Kpa)
85
115
135
160
注:
本表引自《铁路动力触探技术规范》(TBJ18-87)
表1-4含少量杂质的素填土承载力特征值fa与N10的关系
N10(击/30cm)
15~20
18~25
23~30
27~35
32~40
35~50
fa(Kpa)
40~70
60~90
80~120
100~150
130~180
150~200
空隙比e
25~15
20~10
15~00
05~0.90
0.95~0.80
<0.80
本表引自西安市资料.
(5)试验记录格式
(6)工程实例:
唐山钱家营
建筑地段地表至7m深度内为稍密至中密状态中、细砂。
1976年7月28日唐山大地震,7m以上的饱和砂岩土严重液化。
现采用降水强夯处理地基。
强夯前后的轻便动探值对比曲线见图1-3,可看出强夯加固的效果是很显著的,特别对于中砂层。
图1-3唐山钱家营工地降水强夯前后轻便触探击数对比
3重型动力触探(N63.5)试验
主要用于碎石土、砂土及一般粘性土。
(1)试验设备:
重型动力触探试验的设备主要由触探头、触探杆及穿心锤三部分组成(可参见图2-3)。
落锤升降由钻机操纵
(2)试验步骤:
(a)探头贯入土层之前,先测出锥尖到锤垫底面之间长度,即触探杆长度。
(b)待锤尖打入到预测位置时,从触探杆上标出,从地面向上每10cm的位置。
(c)穿心锤自由落距76cm,记录每贯入土层10cm的锤击数N63。
.5′。
锤击速率宜为15-30击/min。
(d)每加上一根触杆时,需记录所加杆的长度,重新统计触探杆长度。
(e)若土质较松软、探头贯入速度较快时,亦可记录锤击5次的贯入深度。
(f)对触探杆侧壁摩擦影响较大的土层,可考虑采用分段触探的办法。
(参见轻型动探相关内容)。
(g)如N63.。
5′>50,连续三次,可停止试验。
(3)资料整理:
(a)触探杆长度的校正:
当触探杆长度大于2m时,需按下式校正:
N63。
.5=a·N63。
.5′
式中:
N63。
.5—修正后的重型动探击数
a--为触探杆长度校正系数,查表1-5。
(b)触探杆侧壁摩擦影响的校正:
对于砂土和松散-中密的圆砾、卵石层触探深度在15m内,一般可不考虑侧壁摩擦的影响。
(c)地下水影响的校正:
对于地下水位以下的中、粗、砾砂和圆砾、卵石,锤击数(N63.5)可按下式修正:
N63.5=1N’63.5+0
(d)绘制重型动探击数N63.5与深度h的关系曲线。
表1-5动探杆长度校正系数α
5
10
15
20
25
30
35
40
≥50
≤2
0
0
0
0
0
0
0
0
4
0.96
0.95
0.93
0.92
0.90
0.98
0.87
0.86
0.84
6
0.93
0.90
0.88
0.85
0.83
0.81
0.79
0.78
0.75
8
0.90
0.86
0.83
0.80
0.77
0.75
0.73
0.71
0.67
10
0.88
0.83
0.79
0.75
0.72
0.69
0.67
0.64
0.61
12
0.85
0.79
0.75
0.70
0.67
0.64
0.61
0.59
0.55
14
0.82
0.76
0.71
0.66
0.62
0.58
0.56
0.53
0.50
16
0.79
0.73
0.67
0.62
0.57
0.54
0.51
0.48
0.45
18
0.77
0.70
0.63
0.57
0.53
0.49
0.46
0.43
0.40
20
0.75
0.67
0.59
0.53
0.48
0.44
0.41
0.49
0.36
注:
l为杆长。
(4)试验成果的应用:
(a)确定地基土承载力特征值fa(原规范为标准值fk)(表1-6,1-7):
表1-6碎石土、砂土地基承载力特征值fa与N63.5关系
N63.5
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
25
30
35
40
碎石土fa(Kpa)
140
170
200
240
280
320
360
400
470
540
600
660
720
850
930
970
1000
中、粗、砾砂fa(Kpa)
120
150
180
220
260
300
340
380
注:
本表引自《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)
表1-7粘性土、粉土N63。
.5与承载力特征值fa的关系
N63。
.5
1
5
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
fa(Kpa)
60
90
120
150
180
210
240
265
290
320
350
375
400
状态
流塑
软塑
可塑
硬塑—坚硬
注:
本表引自广东省建筑设计研究院
(b)确定地基土的变形模量E0(表1-8):
表1-8圆砾、卵石土的变形模量E0与N63。
.5击数平均值的关系
N63。
.5
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
35
40
E0(Mpa)
10
12
14
16
18.5
21
23.5
26
30
34
37.5
41
44.5
48
51
54
56.5
59
62
64
注:
本表引自铁道部第二勘测设计院(1988年)
(c)确定地基土(碎石土)的密实度(表1-9)及地基土(砂土)的密实度(表1-10):
表1-9碎石土密实度与N63。
.5平均值的关系
N63。
.5
≤5
5<N63。
.5≤10
10<N63。
.5≤20
>20
密实度
松散
稍密
中密
密实
注:
本表引自《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002),本表适用于平均粒径小于等于50mm,且最大粒径不超过100mm的卵石、碎石、圆砾、角砾。
表1-10砂土密实度与N63。
.5平均值的关系
砂土
N63。
.5
砂土密实度
孔隙比
砾砂
<5
松散
>0.65
5—8
稍密
0.65—0.50
8—10
中密
0.50—0.45
>10
密实
<0.45
粗砂
<5
松散
>0.80
5—6.5
稍密
0.80—0.70
6.5—9.5
中密
0.70—0.60
>9.5
密实
<0.60
中砂
<5
松散
>0.90
5—6
稍密
0.90—0.80
6—9
中密
0.80—0.70
>9
密实
<0.70
注:
N63.5系指因杆长影响校正而未经地下水影响校正的锤击数。
本表引自《工程地质手册》第三版表3-2-13。
(5)记录格式:
动力触探记录表
工程名称地点动探类型
钻孔编号钻孔标高地下水位
深度
(m)
杆长
(m)
实测
击数
(击)
修正
系数
修正击数
N
深度
(m)
杆长
(m)
实测
击数
(击)
修正
系数
修正击数
N
0
.0
.1
.1
.2
.2
.3
.3
.4
.4
.5
.5
.6
.6
.7
.7
.8
.8
.9
.9
时间校核记录
(6)工程实例:
四川某工地高填方地基处理检测
在填石强夯试验区,夯前及夯后15天、30天进行重型动探检测,动探击数N63.5与深度h的关系曲线见图1-4。
处理后的地表以下10m深度内N63。
.5皆大于5击,满足设计要求,而0—3.5m内更是远远高于设计要求。
图1-4四川某工地高填方地基处理(填石强夯试验区)重型动力触探曲线图
4超重型动力触探(N120)试验
适用于密实的碎石土或埋深较大的、较厚的碎石土。
(1)试验要点:
贯入时应使空心锤自由下落100cm,地面上的触探杆不应过高;
贯入过程尽量连续,锤击速率宜为15-25击/min;
贯入深度不宜超过20m。
(2)影响因素校正:
(a)触探杆长度的校正:
当触探杆长度大于1m时,锤击数(N120)可按下式修正:
N120=aN
式中a--触探杆长度修正系数,查表取值。
(b)触探杆侧壁摩擦影响的校正:
N120=FnN
式中Fn--触探杆侧壁摩擦影响修正系数,查表取值。
2标准贯入试验(Standartpenetrationtest)
2.1概述
标准贯入实际上是一种特殊的动力触探试验,适用于砂土、粉土、一般粘性土及强风化岩等。
该试验用质量为63.5kg的穿心锤,以76cm的自由落距,将一定规格的标准贯入器预先打入土中0.15cm,然后再打入0.30cm,记录0.30cm的锤击数,称为标准贯入击数(N)。
标准贯入试验的工程目的是:
(1)划分土层类别、采集扰动试样;
(2)判断砂土的密实度或粘性土及粉土的稠度;
(3)估测土的强度及变形指标、确定地基土的承载力;
(4)评价砂土及粉土的振动液化;
(5)估算单桩承载力及沉桩可能性;
(6)检验地基加固处理质量。
2.2试验设备
标准贯入试验由触探头(又称贯入器、对开式管筒)、锤垫及导向杆、落锤(质量为63.5kg的穿心锤)三部分组成(图1-5)。
落锤距离由自动脱钩装置控制。
图1-5标准贯入试验设备
穿心锤;2.锤垫;3.探杆;4.贯入器;5.出水孔;6.贯入器内壁;7.贯入器靴
2.3试验步骤
(1)先用钻具钻至欲测土以上15cm。
且钻具拔出后孔底与孔壁应保证无软粘土等挤出堵塞钻孔。
(2)标贯探头入土之前,先测出探头靴口到锤垫底面之间的长度,及探杆长度。
(3)将探头压入欲测土表面,然后进行锤击,锤击速率为15-30击/min,锤击落距76±2cm,先记录贯入15cm的预打击数,然后记下再贯入30cm的标贯实测击数N′。
(4)若30cm内锤击数超过50,则停止试验。
(5)若需进行下一深度的贯入试验时,一般应隔1m后在进行。
(6)整个标贯过程中,孔壁不能有垮坍或孔壁上软粘土等挤出,造成探杆侧壁摩擦加大。
(7)拔出探入器,分开对开式管筒,取出筒内土样描述和试验。
2.4资料整理
(1)探杆长度校正:
当探杆长度大于3m时,需按下式修正
N=αN·N′
式中:
N—修正后的标贯击数(击/30cm)
αN—杆长修正系数,按表1-11确定
(2)土的自重压力的影响:
(a)图表法:
锤击数、上覆土压力—砂土的相对密度。
(b)美国Peck得出砂土自重压力对标准贯入试验的影响为:
N=CNN’
式中CN--自重压力影响修正系数,查表取值。
(c)地下水影响的校正:
砂层的贯入击数N’大于15时,有效击数按下式校正:
N=15+1/2(N’-15)
表1-11标贯试验杆长修正系数αN
探杆长度(m)
≤3
6
9
12
15
18
21
αN
00
0.92
0.86
0.81
0.77
0.73
0.70
注:
《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002),《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)对杆长修正作以下说明:
我国一直用经过修正后的N值确定地基承载力,用不修正的N值判别液化和判别砂土密实度。
因此应按具体岩土工程问题,确定是否修正,且需在报告中说明。
2.5试验成果的应用
(1)确定地基承载力特征值fa(表1-12、表1-13):
表1-12砂土承载力特征值fa(Kpa)与N的关系
N(击/30cm)
10
15
30
50
中、粗砂
180
250
340
500
粉、细砂
140
180
250
340
表1-13粘性土承载力特征值fa(Kpa)与N的关系
N(击/30cm)
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
fa(Kpa)
105
145
190
235
280
325
370
430
515
600
680
注:
表2-11、表2-12引自《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)
(2)确定地基土压缩模量Es及变形模量E0(表1-14):
表1-14E0(Mpa)或Es(Mpa)与N的关系
研究者
关系式
适用范围
湖北省水利电力勘察设计院
E0=0658N+7.4306
粘性土、粉土
冶金部武汉勘察公司
Es=04N+4.89
中南、华东地区粘土
西南综合勘察院
Es=0.276N+10.22
唐山粉、细砂(地下水位以下)
Schultze(德国)
Es=0.49N+7.1
细砂(地下水位以下)
(3)确定砂土的抗剪指标(表1-15):
表2-15砂土内聚力c、内摩擦角φ与N(手)的关系
N
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
25
29
31
c(Kpa)
17
36
49
59
66
72
78
83
87
91
98
103
107
φ(度)
17.7
19.8
22
22.2
23.0
23.8
24.3
24.8
25.3
25.7
26.4
27.0
27.3
注:
此表引自冶金部武汉勘察公司。
N(手)是用手拉绳方式测得,与机械化自动落锤所得N(机)的关系式为:
N(手)=0.74+12N(机)
(4)判定砂土的密实度(表1-16):
表1-16标贯击数N与砂土的密实度的关系
标贯锤击数N(击/30cm)
密实度
N≤10
松散
10<N≤15
稍密
15<N≤30
中密
N≥30
密实
注:
本表引自《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002),表中N值未加修正。
(5)判定粘性土的稠密度状态(表1-17):
表1-17粘性土的液性指数IL与N的关系
N
<2
2-4
4-7
7-18
18-35
>35
IL
>1
1-0.75
0.75-0.50
0.50-0.25
0.25-0
<0
稠密
状态
流动
软塑
软可塑
硬可塑
硬塑
坚硬
注:
此表引自冶金部武汉勘察公司。
(6)预估单桩竖向承载力(表1-18):
表1-18桩尖阻力Pp、桩侧阻力Pf与N的关系
土名
Pp(Kpa)
Pf(Kpa)
各种密度的砂土
324.4N
2.03N
粉土、粉砂及泥炭土
172N
4.28N
可塑状态粘土
74.9N
5.35N
注:
本表引自《工程地质手册第三版》Schmerfman提出。
(7)判别饱和砂土、粉土的液化:
《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)明确规定对饱和砂土、粉土液化判定应采用标贯试验,在地面以下15m深度范围内,当饱和砂土、粉土实测标贯击数N′(未经杆长修正)小于下式Ncr时,应判为可液化土。
Ncr=No×[0.9+0.1×(ds-dw)]
式中:
Ncr—饱和土液化临界标贯锤击数;
No—饱和土液化判别基准标贯锤击数,按表1-19选用;
ds—标贯试验深度(m);
dw—地下水位深度(m);
ρc—饱和土的粘粒含量百分率(%),当ρc<3时,取ρc=3。
表1-19液化判别基准标贯锤击数No的值
烈度
7度
8度
9度
近震
6
10
16
远震
8
12
—
2.6工程实例:
唐山钱家营
建筑地段地表至7m左右深度内为稍密至中密状态的中细砂层。
1976年7月28日唐山发生7.8级地震后,饱和砂土严重液化,建筑物倒塌。
现采用强夯法处理地基。
工程处理前进行两组试验,一组在未降低地下水位的条件下直接强夯;另一组采用井点降水后再进行强夯处理。
检测方案之一采用标贯试验,检测结果见图1-6。
强夯前无论降水与否,在7m深度范围内,标贯击数曲线差别不大;而强夯之后,两组标贯击数均有较大提高,其中降水后的强夯击数增加更为明显。
图1-6唐山钱家营工地强夯前、后标准贯入击数的对比曲线图
3静力触探试验(Conepenetrationtest)
3.1概述
静力触探是将电测应力传感器(应变片等)探头,用静力匀速贯入土中,根据电测传感器的信号,测定探头所承受的贯入阻力,进而推测土层的工程地质性质。
常用的探头有:
测试比贯入阻力(Ps)的单桥探头;测试锥尖阻力(qc)及侧壁摩阻力(fs)的双桥探头;能同时测试孔隙水压力的两用探头(Ps-u);三用(Ps-u-fs)探头。
国外还研发出各种多功能探头,如电阻率探头、测振探头、侧应力探头、旁压探头、波速探头、地温探头等。
静力触探试验的工程目的主要是:
(1)土层划分及土类判别;
(2)测定砂土的相对密实度Dr、内
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