第4章 土体原位测试

第四章 土体原位测试

4.1 概 述

4.1.1土体原位测试的优缺点

优点： (1) 可在拟建工程场地进行测试，毋需取样，避免了因钻探取样所带来的一系列困难和问题，如原状样扰动问题等。(2) 原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，因而更能反映土的宏观结构(如裂隙等) 对土的性质的影响。

缺点：(1) 土体原位测试技术的发展历史较短，对测试机理及应用的研究都有待于进一步深入。

(2) 由于现场土体边界条件不易控制及其复杂性，使所测成果和数据与土的工程性质指标等对比时，目前仍主要是建立在大量统计的经验关系之上。

4.1.2 土体原位测试技术的种类

土体原位测试可以归纳为下列两类： (1)土层剖面测试法。它主要包括静力触探、动力触探、扁铲松胀仪试验及波速法等。 (2)专门测试法。它主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。

4.2 静力载荷试验

平板静力载荷试验(英文缩写PLT) ，简称载荷试验。

其方法是在保持地基土的天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性。测试所反映的是承压板以下大约1.5-2倍承压板宽的深度内土层的应力—应变—时间关系的综合性状。

载荷试验的主要优点是对地基土不产生扰动，利用其成果确定的地基承载力最可靠、最有代表性，可直接用于工程设计。

其成果用于预估建筑物的沉降量效果也很好。

载荷试验按试验深度分为浅层和深层；按承压板形状有平板与螺旋板之分；按用途可分为一般载荷试验和桩载荷试验；按载荷性质又可分为静力和动力载荷试验。

4.2.1 静力载荷试验的仪器设备及试验要点

一、仪器设备

载荷试验的设备由承压板、加荷装置及沉降观测装置等部件组合而成。

1) 承压板

有现场砌置和预制两种，一般为预制厚钢板(或硬木板) 。

2) 加荷装置

加荷装置包括压力源、载荷台架或反力构架。加荷方式可分为两种，即重物加荷和油压千斤顶反力加荷。

3) 沉降观测装置

沉降观测仪表有百分表、沉降传感器或水准仪等。

二、试验要点

(1)载荷试验一般在方形试坑中进行。

试坑底的宽度应不小于承压板宽度(或直径) 的3倍，以消除侧向土自重引起的超载影响，使其达到或接近地基的半空间平面问题边界条件的要求。试坑应布置在有代表性地点，承压板底面应放置在基础底面标高处。

(2)为了保持测试时地基土的天然湿度与原状结构，应做到以下几点：

①测试之前，应在坑底预留20~30cm厚的原土层，待测试将开始时再挖去，并立即放入载荷板。 ②对软粘土或饱和的松散砂，在承压板周围应预留20~30cm厚的原土作为保护层。

③在试坑底板标高低于地下水位时，应先将水位降至坑底标高以下，并在坑底铺设2cm 厚的砂垫层，再放下承压板等，待水位恢复后进行试验。

(3) 安装设备，参考图4-1或图4-2，其安装次序与要求：

①安装承压板前应整平试坑底面，铺设1~2cm厚的中砂垫层，并用水平尺找平，以保证承压板与试验面平整均匀接触。②安装千斤顶、载荷台架或反力构架。其中心应与承压板中心一致。③安装沉降观测装置。其支架固定点应设在不受土体变形影响的位置上，沉降观测点应对称放置。

(4) 加荷(压) 。安装完毕，即可分级加荷。测试的第一级荷载，应将设备的重量计入，且宜接近所卸除土的自重(相应的沉降量不计) 。以后每级荷载增量，一般取预估测试土层极限压力的1/8-1/10。当不宜预估其极限压力时，对较松软的土，每级荷载增量可采用10-25kPa ；对较坚硬的土，采用50kPa ；对硬土及软质岩石，采用100kPa 。

(5) 观测每级荷载下的沉降。其要求是：

①沉降观测时间间隔。加荷开始后，第一个30min 内，每10min 观测沉降一次；第二个30min 内，每15min 观测一次；以后每30min 进行一次。②沉降相对稳定标准。连续四次观测的沉降量，每小时累计不大于0.1mm 时，方可施加下一级荷载。

(6) 尽可能使最终荷载达到地基土的极限承载力，以评价承载力的安全度。当测试出现下列情况之一时，即认为地基土已达极限状态，可终止试验：①承压板周围的土体出现裂缝或隆起；②在荷载不变情况下，沉降速率加速发展或接近一常数。压力-沉降量曲线出现 明显拐点；③总沉降量等于或大于承压板宽度(或直径) 的0.08；④在某一荷载下，24h 内沉降速率不能达到稳定标准。

(7)如达不到极限荷载，则最大压力应达到预期设计压力的两倍或超过第一拐点至少三级荷载。

(8)当需要卸荷观测回弹时，每级卸荷量可为加荷量的2倍，历时1h ，每隔15min 观测一次。荷载完全卸除后，继续观测3h 。

三、静力载荷试验成果整理及其应用

(1) 静力载荷测试成果——压力-沉降量关系曲线

(2) 试验成果的应用

①确定地基土承载力基本值 f0 ②计算地基土变形模量 E0 ③利用p-S 曲线还可确定湿陷性黄土的湿陷起始压力

4.3静力触探试验

4.3.1静力触探试验的特点和仪器设备

一、静力触探试验的特点

静力触探试验(英文缩写CPT) ，是把具有一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压入土中，以测定探头阻力等参数的一种原位测试方法。

它分为机械式和电测式两种。机械式采用压力表测量贯入阻力，电测式则采用传感器和电子测试仪表测量贯入阻力。我国采用的是电测式。

电测静力触探是应用最广的一种原位测试技术，这与它明显的优点有关：①兼有勘探与测试双重作用；②测试数据精度高，再现性好，且测试快速、连续、效率高、功能多；③采用电子技术，便于实现测试过程自动化。

二、静力触探试验仪器设备

静力触探试验仪器设备主要由以下几部分组成：

①触探主机和反力装置 ②测量与记录显示装置 ③探头

目前国内外使用的探头可分为三种形式:

(1)单用(桥) 探头：是我国特有的一种探头型式，只能测量一个参数，即比贯入阻力ps ，分辨率(精度) 较低。 (2)双用(桥) 探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可以同时测量锥头阻力qs 和侧壁摩阻力fs 两个参数的探头，分辨率较高。 (3)多用(孔压) 探头：它一般是将双用探头再安装一种可测触探时所产生的超孔隙水压力装置——透水滤器和孔隙水压力传感器，分辨率最高，在地下水位较浅地区应优先采用。④探杆

4.3.2 静力触探试验要点和试验成果整理

一、 静力触探试验要点

(1)率定探头，求出地层阻力和仪表读数之间的关系，以得到探头率定系数，一般在室内进行。新探头或使用一个月后的探头都应及时进行率定。

(2)现场测试前应先平整场地，放平压入主机，以便使探头与地面垂直；下好地锚，以便固定压入主机。

(3)将电缆线穿入探

杆，接通电路，调整好仪

器。(4)边贯入，边测记，

贯入速率控制在1-2cm/s。

此外，孔压触探还可进行

超孔隙水压力消散试验，

即在某一土层停止触探，

记录触探时所产生的超孔

隙水压力随时间变化(减

小) 情况，以求得土层固结

系数等。

二、 静力触探测试成果整

理

(1)对原始数据进行

检查与校正，如深度和零

飘校正。

(2)按下列公式分别

计算比贯入阻力ps 、锥尖

阻力qc ，侧壁摩擦力fs ，

摩阻比FR 及孔隙水压力

U 。

(3)分别绘制qc 、 ps 、 fs 、 FR 、 U 随着深度(纵坐标) 的变化曲线

三、静力触探试验成果应用

静力触探成果应用很广，主要可归纳为以下几方面:

(1)划分土层；

(2)求取各土层工程性质指标；

(3)确定桩基参数。

4.4 动力触探试验

4.4.1 动力触探试验的特点和种类

动力触探试验(英文缩写DPT) 是利用一定的锤击动能，将一定规格的探头打入土中，根据每打入土中一定深度的锤击数(或以能量表示) 来判定土的性质，并对土进行粗略的力学分层的一种原位测试方法。

优点是：设备简单且坚固耐用；操作及测试方法容易；适应性广，砂土、粉土、砾石土、软岩、强风化岩石及粘性土均可；快速、经济，能连续测试土层；有些动力触探测试(如标准贯入) ，可同时取样观察描述。动力触探应用历史悠久，积累的经验丰富，如已分别建立了动力触探锤击数与土层力学性质之间的多种相关关系和图表，使用方便；在评价地基液化势方面的经验也得到了广泛应用。

动力触探试验可以归为两大类，即圆锥动力触探试验和标准贯入试验。前者根据所用穿心锤的重量将其分为轻型、重型及超重型动力触探试验。

4.4.2 圆锥动力触探试验

一、 圆锥动力触探试验的仪器设备

(1) 导向杆 (2) 提引器 (3)穿心锤 (4)锤座 (5)探杆 (6)探头

二、 圆锥动力触探测试要点

1) 轻型动力触探

(1) 先用轻便钻具钻至

试验土层标高以上0.30m 处，

然后对所需试验土层连续进

行触探。

(2) 试验时，穿心锤落距

为(0.50±0.02)m ，使其自由下

落。记录每打入土层中0.30m

时所需的锤击数(最初0.30m

可以不记) 。

(3) 如遇密实坚硬土层，

当贯入0.30m 所需锤击数超过

100击或贯入0.15m 超过50

击时，即可停止试验。如需对

下卧土层进行试验时，可用钻

具穿透坚实土层再贯入。

(4) 本试验一般用于贯

入深度小于4m 的土层。必要

时，也可在贯入4m 后，用钻

具将孔掏清，再继续贯入2m 。

2) 重型动力触探

(1) 试验前将触探架安

装平稳，

使触探保持铅直地进

行。铅直度的最大偏差不得超 过2%。触探杆应保持平直，连结牢固。 (2) 贯入时，应使穿心锤自由落下，落锤高度为(0.76±0.02)m 。地面上的触探杆的高度不宜过高，以免倾斜与摆动太大。 (3) 锤击速率宜为每分钟15～30击。打入过程应尽可能连续，所有超过5min 的间断都应在记录中予以说明。 (4) 及时记录每贯入0 10m 所需的锤击数。最初贯入的1m 内可不记读数。 (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 探杆的侧壁摩阻影响。 (6) 每贯入0.10m 所需锤击数连续三次超过50击时，即停止试验。如需对土层继续进行试验时，可改用超重型动力触探。

3) 超重型动力触探

(1)贯入时穿心锤自由下落，落距为(1.00±0.02)m 。贯入深度一般不宜超过20m ；超过此深度限值时，需考虑触探杆侧壁摩阻的影响。 (2)其他步骤可参照重型动力触探进行。

三、 圆锥动力触探测试成果整理

1检查核对现场记录 2实测击数校正及统计分析 3绘制动力触探锤击数与贯入深度关系曲线 《岩土工程勘察规范》规定，动力触探测试成果分析应包括下列内容：

(1)单孔动力触探应绘制动探击数与深度曲线或动贯入阻力与深度曲线，进行力学分层。 (2)计算单孔分层动探指标平均值时，应剔除超前或滞后影响范围内及个别指标异常值。 (3)当土质均匀、动探数据离散性不大时，可取各孔分层平均动探值，用厚度加权平均法计算场地分层平均动探值。 (4)当动探数据离散性大时，宜采用多孔资料或与其他原位测试资料综合分析。 (5)根据动探数据指标和地区经验，确定砂土的孔隙比、相对密度，粉土、粘性土状态，土的17强度、变形参数，地基土承载力和单桩承载力等设计参数；评定场地均匀性；检验地基加固与改良效果。

4.4.3 标准贯入试验

一、标准贯入试验的特点和设备

标准贯入试验简称标贯(英文缩写SPT) ，是动力触探测试方法最常用的一种，其设备规格和测试程序在世界上已趋于统一。它和圆锥动力触探测试的区别，主要是探头不同。标贯探头是空心圆柱形的，常称标准贯入器.

在测试方法上也不同，标贯是间断贯入，每次测试只能按要求贯入0.45m ，只计贯入0.30m 的锤击数N ，称标贯击数N ，N 没有下标，以与圆锥贯入锤击数相区别。

圆锥动力触探是连续贯入，连续分段计锤击数的。

标贯的穿心锤质量为63.5kg ，自由落距76m 。其动力设备要有钻机配合。

二、标准贯入试验要点： (1) 先用钻具钻至试验土层标高以上0.15m 处，清除残土。当在地下水位以下的土层 进行试验时，应使孔内水位保持高于地下水位，以免出现涌砂和塌孔；必要时，应下套管或 用泥浆护壁。 (2) 将贯入器放入孔内，注意保持贯入器、钻杆、导向杆联结 后的铅直度。孔口宜加导向器，以保证穿心锤中心施力。 (3) 将贯入器以每分钟击打15~30次的频率，先打入土中0.15m ，不计锤击数；然后开始记录每打入0.10m 及累计0.30m 的锤击数N ，并记录贯入深度与试验情况。若遇密实土层，锤击数超过50击时，不应强行打入，并记录50击的贯入深度。 (4) 提出贯入器，取贯入器中的土样进行鉴别、描述记录，并 测量其长度。将需 要保存的土样仔细包装、编号，以备试验用。 (5)重复1～4步骤，进行下一深度的标贯测试，直至所需深度。一般每隔1m 进行 一次标贯试验。

需注意的是：①标贯和圆锥动力触探测试方法的不同点，主要是不能连续贯入，每贯入0.45m 必须提钻一次，然后换上钻头进行回转钻进至下一试验深度，重新开始试验。②此项试验不宜在含碎石层中进行，只宜用在粘性土、粉土和砂土中，以免损坏标贯器的管靴刃口。

三、标贯测试成果整理

(1)求锤击数N (2)绘制标贯击数-深度(N-H)关系曲线

4.4.4 动力触探试验成果的应用 ：(1)划分土类或土层剖面 (2)确定地基土承载力 (3)求桩基承载力和确定桩基持力层 (4)确定砂土密实度及液化势 (5)确定粘性土稠度及c 、φ值

4.5 旁压试验

4.5.1 旁压试验原理和特点

旁压试验(英文缩写PMT) 也是岩土工程勘察中的一种常用的原位测试技术，实质上是一种利用钻孔作的原位横向载荷试验。

原理是通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜(或护套) 将压力传给周围土体(或软岩) ，使土体(或软岩) 产生变形直至破坏，并通过量测装置测出施加的压力和土变形之间的关系，然后绘制应力—应变(或钻孔体积增量、或径向位移) 关系曲线。

可分为自钻式旁压仪 和预钻式旁压试验

旁压试验的优点是在不同深度上进行测试，特别是可用于地下水位以下的土层，所求地基承载力值和平板载荷试验所求的相近，精度高。

4.5.2 旁压试验的仪器设备和测试要点

⑴ 仪器设备： ①旁压器 ② 压力和体积控制箱 ③管路系统 ④ 成孔工具等配件

⑵仪器校正(率定) ： ① 弹性膜约束力的率定 ②仪器综合变形的率定

⑶测试要点： ①试验前，应平整试验场地, 必要时，可先钻1-2个孔，以了解土层的分布情况。②将水箱注满蒸馏水或干净的冷开水， 在整个试验过程中最好将水箱安全阀一直打开，然后接通管路。③向旁压器和变形测量系统注水。④成孔。⑤) 调零和放入旁压器。⑥进行测试。⑦终止试验。⑧试验记录。

4.5.3 旁压试验成果整理及其应

用

⑴试验成果整理

旁压试验的主要成果是旁

压p-S 或p-V 曲线，可从曲线上

求出一些和土的性质有关的参

数。

1) 数据校正

(1)压力校正 (2)测管

水位下降值

2) 绘制p-S 曲线

根据预钻式旁压p-S 曲线的

特征，可以求取三个特征值：

(1)静止侧压力p0 (2)临

塑压力pf (3)极限压力pl

4.6 十字板剪切试验

4.6.1 十字板剪切试验的原理

和特点

十字板剪切试验(英文缩

写FVST) 是用插入软粘土中的

十字板头，以一定的速率旋转，在土层中形成圆柱形破坏面，测出土的抵抗力矩，然后换算成土的抗剪强度。

优点：(1)不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的软粘土，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪，所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。(2)野外测试设备轻便，容易操作。(3)测试速度较快，效率高，成果整理简单。

此法对较硬的粘性土和含有砾石、杂物的土不宜采用。

4.6.2 十字板剪切试验的仪器设备和测试要点

一、仪器设备

野外十字板剪切试验的仪器为十字板剪切仪，目前国内有三种：开口钢环式、轻便式和电测式。方法分为钻孔式和压入式两种。

电测式十字板剪切仪由以下几部分组成：

(1) 压入主机 (2) 十字板头 (3)扭力传感器 (4)量测扭力仪表 (5)施加扭力装置 (6)其他：钻杆、水平尺和管钳等

二、 测试要点

十字板头扭力传感器的率定和正式测试两部分

1扭力传感器率定

2 现场测试

(1)安装及调平电现测式十字板剪切仪机架，用地锚固定，并安装好施加扭力的装置。

(2)将十字板头接在传感器上拧紧，然后将其所附电缆及插头与穿入钻杆内的电缆及插座连接，并进行防水处理。接通测量仪器。(3) 将十字板头垂直压入土中至预定深度，并用卡盘卡住钻杆，使十字板头固定在同一深度上进行扭剪。在扭剪前，应读取初始读数或将仪器调零。(4)测试开始，匀速转动手摇柄，摇柄每转一圈，十字板头旋转一度。每10s 使摇柄转动一圈 ，每转动一圈测记应变读数一次。当读数出现峰值或稳定值后，再继续测记1min 。GB50021-94规范规定，十字板头插入预定深度后需静置2~5min后才能开始扭剪，并应在2min 内测得峰值强度。(5)松开钻杆夹具，用手或管钳快速将探杆顺时针方向旋转6圈，使十字板头周围的土充分扰动后，立即拧紧钻杆夹具，重复步骤(4)，测记重塑土剪切破坏时的应变仪或测力仪的读数。注意事项为要设法防止电缆与十字板接头处被拧断，故此项宜每层土只做一二次。(6)完成一次试验后，松开钻杆夹具。根据需要，继续将十字板头压至下一个试验深度，重复(3)至(5)步骤。

4.6.3 十字板剪切试验成果整理及其应用

一、 测试资料整理

电测十字板剪切试验中的数据可分为二类：第一类是原位剪切所测的原状土剪切破坏时的读数Rv 和重塑土剪切破坏时的读数Re 等；第二类是传感器率定系数及十字板头直径与高度。据上述试验数据，按下式计算土的抗剪强度及灵敏度

二、试验成果的应用

1）估算地基允许承载力2）预估极限端阻力和极限侧摩阻力3）其他

将十字板抗剪强度用于软土地基及其他软土填挖方斜坡工程的稳定性分析与核算，是尤为普遍的。用十字板剪切仪可以测定软土中地基及边坡遭受破坏后的滑动面附近土的抗剪强度，反算滑动面上土的强度参数，可为地基与边坡稳定性分析确定合理的安全系数提供依据。

在软土地基堆载预压处理过程中，可用十字板剪切试验测定地基强度的变化，用于控制施工速率及检验地基加固程度。

4.7 现场波速试验

4.7.1 现场波速试验的目的和原理

求取土的动弹性参数

现场波速试验的基本原理，是利用弹性波在介质中传播速度与介质的动弹性模量、动剪切模量、动泊松比及密度等的理论关系，从测定波的传播速度入手，求取土的动弹性参数。在地基土振动问题中弹性波有体波和面波。

在岩土工程勘察中主要利用的是直达波的横波速度，方法有单孔法和跨孔法。

4.7.2 现场波速试验仪器设备和测试要点

波速试验的仪器设备主要由激振器、检波器和放大记录系统三大部分组成。

4.7.3 现场波速试验资料整理及其应用

测试资料整理

1) 波形识别 2) 波速计算

测试成果的应用

(1) 计算确定地基土小应变的动弹性参数剪切模量、弹性模量、泊松比和动刚度。一旦测出P 波和S 波的速度及土的密度，根据弹性理论公式，土的上述动弹性参数就可以确定了。(2) 在地震工程中的应用。根据《建筑抗震设计规范》GBJ11-89的规定，由剪切波速度(VS)划分场地土类别，并进一步划分建筑场地类别。(3) 判别砂土或粉土的地震液化。国内外都有判别地震液化的临界剪切波速经验判别式。

岩土工程勘察 土体原位测试

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