2．确定地基土的承载力
用动力触探和标准贯入的成果确定地基土的承载力已被多种规范所采纳，如《地基规范》）；《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ7-74）和《湿陷性黄土地区建筑规范》（TJ25-78）等，各规范均提出了相应的方法和配套使用的表格。此方面内容请见相应规范或参考书。
中国建筑西南勘察院采用120kg重锤和直径60mm探杆的超重型动探，并与载荷试验的比例界限值pl进行统计，对比资料52组，得如下公式：
f k=80N120 （3?N120?10） （3-18）
式中：fk——地基土承载力标准值（kPa）
N120——校正后的超重型动探击数（击/l0cm）。 中国地质大学（武汉）对粘性土也有类似经验公式：
fk=32.3N63.5+89 （2?N63.5?16） （3-19）
式中：fk——地基土承载力标准值；
N63.5——重型动探击数（击/10cm）。
上列两公式均为经验公式，带有地区性，使用时应注意其限制和积累经验。 3．求单桩容许承载力
动力触探试验对桩基的设计和施工也具有指导意义。实践证明，动力触探不易打入时，桩也不易打入。这对确定桩基持力层及沉桩的可行性具有重要意义。用标准贯入击数预估打入桩的极限承载力是比较常用的方法，国内外都在采用。具体方法请见参考书。由于动力触探无法实测地基土的极限侧壁摩阻力，因而用于桩基勘察时，主要是采用以桩端承载力为主的短桩。
4．按动力触探和标准贯入击数确定粗粒土的密实度
动力触探主要用于粗粒土，用动力触探和标准贯入测定粗粒土的状态有其独特的优势。标准贯入可用于砂土，动力触探可用于砂土和碎石土。
成都地区根据动力触探击数确定碎石土密实度的规定如表3-4。
表3-4 成都地区碎石土的密实度划分标准
密实度 触探类型 N120 N63.5 松 散 N120?4 N63.5?7 稍 密 4? N120?7 7? N63.5?15 中 密 7? N120?10 15? N63.5?30 密 实 N120?10 N63.5?30 别的一些方法请见参考资料。
利用动力触探和标准贯入的测试成果还可以判断砂土液化可能性（标准贯入法还是目前较为一致认可的效果较好的方法，Peck（1979）曾经指出，在评价砂土液化势方面，认为复杂得多的周期性室内试验比标准贯入试验有任何更为优越之处是不公正的。）、确定粘性土的粘聚力c及内摩擦角?、确定地基土的变形模量、检验碎石桩的施工质量等等。
总之，动探和标贯的优点很多，应用广泛。对难以取原状土样的无粘性土和用静探难以贯入的卵砾石层，动探是十分有效的勘测和检验手段。但是，影响其测试成果精度的因素很多，所测成果的离散性大。因此，它是一种较粗糙的原位测试方法。在实际应用时，应与其他测试方法配合；在整理和应用测试资料时，运用数理统计方法，效果会好一些。
38
3.5 小 结
由于动力触探试验具有简易快速及适应性广等突出优点，特别是用静力触探不能勘测的碎石类土，动力触探大有用武之地。
但动力触探还存在一些问题。
动力触探的锤击能量，除了用于克服土对触探头的贯入阻力外，还消耗于锤与锤垫的碰撞、探杆的弹性变形、探杆与孔壁土的摩擦及人拉绳或钢丝绳对锤自由下落的阻力等。用于克服土对触探头阻力的锤击能量为有效锤击能量，只占整个锤击能量的一部分。有效锤击能量的大小是影响动力触探成果N值的最主要因素，已引起土工勘测与设计部门的普遍重视。由于影响有效锤击能量的因素较多，且影响程度时大时小，所以动力触探的锤击数含有较多误差，离散性大，再现性差。如果能够把有效锤击能量直接和锤击数建立起相关关系，则动力触探的试验精度将会大幅度提高。目前，最好的办法是在触探头或锤垫上安装测试能量的传感器，直接测定有效锤击能量，即所谓电测动力触探。
动力触探设备多样，探头大小及穿心锤重量等的差别很大，所测成果不能通用。因此，在实际勘察工作中造成很多不便。现国内、外土工勘测专家认为，用探头的单位动贯入阻力将各种动力触探成果（标准贯入除外）做归一化处理，即可使各种动力触探测试成果互相通用。目前，世界上只有少数国家对一种或几种动力触探设备和测试方法做了统一。我国也只有推荐标准。就是以标准贯入试验为例，也有很多不标准的地方。如：美国多采用人力拉锤的办法，我国多采用机械动力提升穿心锤，有的单位采用自动落锤装置控制落距，有的单位并没有这样做，结果使锤击数差别较大。
在实际勘测工作中，应根据不同目的和地层情况选用不同贯入能力的动力触探设备，否则测试成果精度不佳。如在软土地区使用重型动力触探设备，往往是锤击数小，精度很差；采用轻型动力触探，则效果好，具有较好的敏感性，能较好地反映软土强度的变化。在砾石层中，用重型或超重型动力触探效果较好。贯入能力不同，适宜的贯入深度也不同。一般认为，容许的最大贯入深度，轻型动力触探为6~10m，重型为14~25m，超重型为40m。
关于探杆长度的影响，世界各国的看法很不一致。许多国家认为没有影响，探杆长度不必进行校正。其原因是：随测试深度的增加，探杆重量增加，其影响是减少锤击数；但随着深度的增加，探杆和孔壁之间的摩擦力和土的侧向压力也增加了，其影响是增加锤击数。因此两者的影响可部分抵消，不必对探杆长度进行校正。只有我国和日本的个别规范规定，须对探杆长度进行校正。
通过对动探有效能量的实测，发现弹性波动理论符合实际，碰撞理论不反映实际。弹性波动理论认为，随着杆长的增大，有效能量逐渐增大，超过一定杆长后，有效能量趋于定值。因此，当轻型动探杆长大于3m，中型动探杆长大于5m，重型动探杆长大于10m时，杆长对击数的影响已很小，均可忽略不计。同时，标准贯入击数或触探击数本身就不是一个很稳定的指标，如钻进方法、控制落锤的方法不统一时，所得结果往往可差一倍以上。因此，进行探杆长度校正的意义不大。通过标准贯入实测，发现真正传输给杆件系统的锤击能量有很大差异，它受机具设备、钻
39
杆接头的松紧、落锤方式、导向杆的摩擦及其他偶然因素等支配。国内对标准贯入测试锤击数的修正是通过对杆长的修正来实现的，其理论依据是牛顿碰撞理论。杆件系统质量不得超过锤重2倍，限制标准贯入测试深度小于21m；但实际使用深度已远远超过21m，最大者达100m。通过实测杆件的锤击应力波，发现锤击传输给杆件的能量变化远大于杆长变化时能量的衰减，故建议不考虑杆长修正。但考虑到过去建立的N值与土的物理力学性质指标、承载力的经验关系，所用N值均经杆长修正，而抗震规范评定砂土、粉土液化时，对N值又不做修正。故在实际应用时，按具体岩土工程问题，参照有关规范的规定考虑是否进行杆长修正。
另外，随着贯入深度增加，土的有效上覆压力和侧压力都会增加，锤击数和贯入阻力也会随之增大。
在标准贯入试验中，要在测试前钻孔，其钻进方式和质量对N值有较大影响。按规定不允许冲击钻进，冲击钻进会使测试土层受压而使N值增大，因而必须采用回转钻进。在砂层中钻进必须采用泥浆护壁，以保持孔壁稳定；否则，测试时锤击探杆探头的震动很易使孔壁坍塌，产生埋钻事故。
思 考 题
1．理解动力触探试验的工作机理。 2．何为有效锤击能量？
3．动力触探有那几种类型？各适用于什么样的土层？标贯适用于什么样的地层条件？ 4．用动力触探和标准贯入为何能估计地基土的物理力学参数和地基承载力？ 5．动力触探和标准贯入存在超前和滞后效应吗？为何会产生此种效应？ 6．动力触探的一般测试过程如何？怎样绘制动探的击数~深度关系曲线？ 7．为什么说动力触探是比较粗略的原位测试手段？
8．怎样根据击数~深度关系曲线进行土层划分？土层划分后如何用平均法求各土层的测试参数？
40
第4章 旁压试验
概述：试验目的，发展历史与研究现状，试验分类，在工程中的应用情况。
旁压试验是利用旁压仪在原位测试不同深度土的变形性质和强度指标的试验方法。早在1933年寇克委（kogler）就提出这种设想，后来梅纳德（Menard）把它付诸实现，设计了预钻式旁压仪，又称梅纳德旁压仪。它是预先在地基中钻一孔，然后把旁压仪插入孔中进行试验。预钻式旁压仪由一个包括直径为5cm的圆柱形测试探头、液压加力系统以及量测系统所组成。以我国制造的PY型预钻式旁压仪为例，如图4-1所示。探头分上中下三腔室，外套以橡皮膜，中腔为测试腔，长125cm，体积为491cm3，与邻室隔离，上下腔为保护腔，各长10cm，相互连通。各腔室与地面装置相连。钻孔直径应较探头腔室直径大2cm。试验时，先由水箱向三腔室注满水，使测试腔达到初始体积Vc（PY型仪的Vc为491cm3），然后通过高压空气分级加水压，使各腔室侧向膨胀挤压孔壁，每级压力相当于估计临塑压力的1/5~1/7，在加压同时，要测量中腔测试室的水体积增加量V〈或用体变管的水面下降量S来表示〉。当测试腔体积增加量V达到600cm时，则终止加压。这时应绘制体积增加量与压力的关系曲线。
3
4.1 试验设备和方法
使用设备，测试方法，数据采集，规范对测试工作的规定。
4.2 基本测试原理
基本微分方程，弹性理论解，塑性区无体积变形时的Vesic理论解，考虑塑性区体积变形时的孔穴扩张理论简介。
4.3 试验成果的整理分析
异常数据处理，曲线绘制，特征值的确定与计算，
4.4 试验成果的应用
天然地基承载力的判断，地基变形模量计算，桩的竖向承载力估算，实例分析。
4.5 小 结
对旁压试验的评价，优势与局限性，测试工作及成果分析中若干需要注意的问题。
41
第5章 波速试验
随着科学技术和经济建设的发展，岩土的动力性质及其测定受到越来越广泛的重视。建筑物的抗震设计、地基土的分类、城市地震小区的划分、抗震地基和动力基础的设计，无不要求提供岩土的动力参数。城市高层建筑物的修建，工厂精密设备的安装以及它们对周围环境的影响也必须考虑岩土的动力性质。但岩土体动力性质的测定是不能仅靠室内试验数据的，因而岩土动力参数的原位测定是岩土工程测试技术的一个重要组成部份。
波速试验是在工程现场使用试验手段测试弹性波在岩土层中的传播速度。它包含用单孔法和跨孔法测试压缩波与剪切波波速，以及用面波法测试瑞利波波速。测得的波速值可应用于下列情况：
（1）计算地基的动弹性模量、动剪切模量和动泊松比； （2）场地土的类型划分和场地土层的地震反应分析；
（3）在地基勘察中，配合其它测试方法综合评价场地土的工程力学性质。
5.1 试验设备和方法
一. 试验设备
试验设备包含激振系统、信号接收系统（传感器）和信号处理系统。 激振设备应符合下列要求：
（1）单孔法测试时，剪切波振源应采用锤和上压重物的木板，压缩波振源宜采用锤和金属板。经验表明，板上载重量的大小、板的长度、板与地面的接触条件以及锤的重量及锤击速度等因素都将影响激振效果。一般来讲，载重量越大、板越长、效果越好。但板子过长给施工带来困难，另一方面也失去了点振源的性质。为增加敲板与地面间的摩擦阻力，对于坚硬地面，可在板底加胶皮垫或加砂子；对于松软地面，在板底加钉齿，可以改善敲击效果。当采用木敲板时，两端最好有铁箍并包上树脂以保护端部。单孔法的现场测试示意于图5-1中。
（2）跨孔法测试时，剪切波振源宜采用剪切波锤，也可采用标准贯入试验装置，压缩波振源宜采用电火花或爆炸等。剪切波锤可以在钻孔壁上激振，这种振源能量大，传播距离远，但操作较复杂。跨孔法的现场测试示意于图5-2中。
（3）面波法测试时，稳态激振宜采用机械式或电磁式激振设备；瞬态激振可采用具有一定重量的铁球。因稳态激振的成果分析比较简单，实际工作中一般采用此种方式。相应的激振设备应符合下列要求：
1）当采用机械式激振设备时，其工作频率宜为3~60Hz； 2）当采用电磁式激振设备时，其扰力不宜小于600N。
采用三分量井下传感器时，应附有将其固定于井壁的装置，其固有频率宜小于地震波主频率的1/2。三分量检波器是由一个动圈式垂直检波器和二个动圈式水平检波器按X、Y、Z三个轴向
42
岩土工程原位测试技术
西南交通大学岩土工程系
2005．2
目 录
绪 论 ··································································································································································· 1 第1章 地基静载荷试验 ··························································································································· 5
1.1 试验设备和方法 ····························································································· 5 1.2 基本测试原理································································································· 8 1.3 试验成果的整理分析 ···················································································· 10 1.4 螺旋板载荷试验要点 ···················································································· 12 1.5 复合地基载荷试验要点················································································· 13 1.6 岩石地基载荷试验要点················································································· 14 1.7 小 结 ········································································································· 15 第2章 静力触探试验······························································································································ 16
2.1 试验设备和方法 ··························································································· 17 2.2 基本测试原理······························································································· 22 2.3 试验成果的整理 ··························································································· 23 2.4 静力触探成果的应用 ···················································································· 24 2.5 小 结 ········································································································· 27 第3章 圆锥动力触探和标准贯入试验 ····························································································· 28
3.1 试验设备和方法 ··························································································· 28 3.2 基本测试原理······························································································· 33 3.3 试验成果的整理分析 ···················································································· 34 3.4 试验成果的应用 ··························································································· 37 3.5 小 结 ········································································································· 39 第4章 旁压试验 ······································································································································· 41
4.1 试验设备和方法 ··························································································· 41 4.2 基本测试原理······························································································· 41 4.3 试验成果的整理分析 ···················································································· 41 4.4 试验成果的应用 ··························································································· 41 4.5 小 结 ········································································································· 41 第5章 波速试验 ······································································································································· 42
5.1 试验设备和方法 ··························································································· 42 5.2 基本测试原理······························································································· 45 5.3 试验成果的整理分析 ···················································································· 46 5.4 试验成果的工程应用 ···················································································· 48 第6章 基桩静载荷试验 ························································································································· 49
i
6.1 基桩竖向抗压静载试验················································································· 50 6.2 基桩竖向抗拔静载试验················································································· 64 6.3 基桩横向静载试验························································································ 68 第7章 基桩动荷载试验 ························································································································· 77
7.1 概 述 ········································································································· 77 7.2 反射波法······································································································ 80 7.3 CASE法 ······································································································· 86 第8章 锚杆抗拔试验····························································································································101
8.1 概 述 ········································································································101 8.2 锚杆抗拔试验的设备和方法·········································································102 第9章 深基坑工程的监测与检测 ····································································································107
9.1 概 述 ········································································································107 9.2 基坑侧壁的安全等级与监测项目··································································109 9.3 基坑开挖监测······························································································110 9.4 围护结构的监测与质量检测·········································································111 9.5 基坑周边环境的监测 ···················································································112 9.6 若干问题的讨论 ··························································································113 主要参考书目 ·················································································································································116
ii
绪 论
一. 岩土工程的发展历史
岩土工程（Geotechnical Engineering）一词使用得很广泛，但迄今尚无统一的定义。按大百科全书土木工程卷：
岩土工程——各项土木工程中涉及岩石或土的利用、整治或改造的科学技术。以土力学、工程地质学及岩体力学为理论基础，通过各种勘测技术和专门计算机及数值分析等方法并结合工程设计、施工条件及在动力地质作用下的场地地质性状，以及开挖、支护、降水等特殊工程要求，提出对岩土体的评价，并指导工程的设计和施工。
除此之外，在国内外的各类文献中还可以见到一些定义。例如美国地质学术语辞典： 岩土工程——为解决工程问题，将科学方法和工程原理应用于对地壳物质知识的获得、阐明和利用，使地球更适于人类居住的科学。它包含土力学、岩石力学以及地质学、地球物理学、水文学等有关学科的诸多方面。
在岩土工程的性质、研究对象、研究方法和工作范围等基本属性上，各种文献给出的解释有一些重要差别。比如：是科学还是技术（工程）？是指导设计与施工，还是本身就包括设计与施工？检测及其地位等等。
岩土工程是否是一门独立的学科？学术界的看法是不一致的。三个条件：独立的研究对象，独特的研究方法与一个大学科的归属。可以认为，岩土工程是一个隶属于土木工程的分支学科。
建议采用下述定义：
以土力学、岩石力学和工程地质学为理论基础的土木工程中与岩土体直接相关的工程。 岩土工程的工程属性。它是处理工程问题，以工程问题为工作对象的学科。作为一门工程，应包括勘察、设计、施工和检测4个方面才是完整的。
岩土工程隶属于土木工程学科，是由地基与基础工程、边坡工程、深基坑工程、路基工程、地下洞室工程、岩土爆破工程、灌浆工程和地质灾害防治工程等分支构成的，其涉及到的领域有：能源、交通、城市建设、矿山、江河海洋和环境工程等等。随着经济建设的发展和学科间的交叉渗透，岩土工程的工作内容和所涉及到的领域还在扩大。
岩土工程是一门年轻的学科，它只有几十年的发展历史。
1925年，太沙基的经典著作《土力学》问世，这既是现代土力学的诞生之年，也奠定了岩土工程的理论基础。1948年，英国的《岩土工程》杂志（Geotechnique）创刊。以后，岩土工程才作为一个专门的名词术语在技术文献中广泛地使用。当时该杂志的封面上标注有《国际土力学杂志》的副标题，而且一直保留了24年之久。从杂志的内容看，所发表的主要是土力学和地基基础方面的文章。显然，当时的编辑部是把土力学作为岩土工程的基础，并把地基基础作为岩土工程的核心内容的。
20世纪60年代以后，澳大利亚、新西兰和印度等国家相继把他们的土力学地基和基础学会改名为岩土工程学会。美国的ASCE杂志的《土力学基础工程》分册也于1974年改名为《岩土工
1
程》分册。名称的改变意味着其研究内容、活动范围以及要解决的问题也有了相应的变化。
近二十年来，岩土工程在科学理论和工程技术方面有了很大进展，如在土力学理论和土工测试中，从对饱和土的研究进展到对非饱和土的研究，从室内常规测试到原位测试新技术的应用，在软土地基变形的控制技术方面从静态设计进展到动态设计的考虑土体在施工中时空效应的研究，在物理模型试验中土的离心机模型试验的应用与发展，以及在地基处理技术等方面的新进展等都令人瞩目。
岩土工程是一门实践性很强的学科，由于岩土体构成的复杂性、地域性和易受施工扰动的多变性，与其他学科相比，它还处于不够成熟和不够完善的状况。一方面，在岩土工程中解决问题的技术难度很大，而另一方面，在岩土工程中科技发展的潜力也很大。目前，在岩土工程中仍采用以工程试验为基础，理论为指导，借助施工监测等手段，不断地反馈和修正设计施工方案的方法来解决工程实际问题。
二. 岩土工程原位测试的内容及在工程建设中的地位
一般而言，岩土工程测试包含了室内试验和原位测试两大部分。室内试验包含了常规的土工试验和模型试验，其主要优点是可以控制试验条件，而其根本性的缺陷则在于试验对象难以反映其天然条件下的性状和工作环境，抽样的数量也相对有限，以至于所测的结果严重失真，一般地，也费时费力。岩土工程的原位测试一般是指在工程现场通过特定的测试仪器对测试对象进行试验，并运用岩土力学的基本原理对测试数据进行归纳、分析、抽象和推理以判断其状态或得出其性状参数的综合性试验技术。
原位测试技术的优点在于： （1）不用取样； （2）样本数量大； （3）快速、经济。
岩土工程中的原位测试技术可用于岩土工程的各个分支工程中，它贯穿于工程的各个阶段，在不同的阶段中有着不同的功能。岩土工程中的原位测试技术包含如下种类：
1．基本测试技术：
（1）载荷试验（平板、螺旋板）； （2）静力触探试验； （3）圆锥动力触探试验； （4）标准贯入试验； （5）十字板剪切试验； （6）旁压试验； （7）现场剪切试验； （8）波速试验；
（9）基桩的静力测试和动力测试； （10）锚杆抗拔试验； 2．工程应用： （1）岩土工程勘察；
2
3.2 基本测试原理
动力触探是将重锤打击在一根细长杆件（探杆）上，锤击会在探杆和土体中产生应力波，如果略去土体震动的影响，那么动力触探锤击贯入过程可用一维波动方程来描述。
动力触探基本原理也可以用能量平衡法来分析，现将分析方法叙述如下。 对于一次锤击作用下的功能转换，按能量守恒原理，其关系可写成：
Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee （3-1）
式中：Em——穿心锤下落能量；
Ek——锤与触探器碰撞时损失的能量； Ee——触探器弹性变形所消耗的能量；
Ef——贯入时用于克服杆侧壁摩阻力所耗能量； Ep——由于土的塑性变形而消耗的能量； Ee——由于土的弹性变形而消耗的能量。 各项能量的计算式如下： 落锤能量：
Em=Mgh·? （3-2）
式中：M——重锤质量；
h——重锤落距； g——重力加速度；
?——落锤效率（考虑受绳索、卷筒等摩擦的影响，当采用自动脱钩装置时?=1）。
碰撞时的能耗，根据牛顿碰撞理论得：
Ek?m?Mgh(1?k)M?m2 （3-3）
式中：M，g，h——意义同（3-2）式；
m——触探器质量；
k——与碰撞体材料性质有关的碰撞作用恢复系数。
触探器弹性变形的能耗：
Ec?R2?l2Ea （3-4）
式中：l——触探器贯入部分长度；
E——探杆材料弹性模量： a——探杆截面积：
R——土对探头的贯入总阻力（kN）。 土的塑性变形能：
EP=R·SP （3-5）
式中：R——意义同（3-4）式：
Sp——每锤击后土的永久变形量（可按每锤击时实测贯入度e计）。 土的弹性变形能：
33
Ee=0.5R·Se （3-6）
式中：R——意义同（3-4）式；
Se——每锤击时土的弹性变形量。
Se值在试验时未测出，可利用无限半空间上作用集中荷载时的明德林（Mindlin）解答并通过击数与土的刚度建立的如下关系确定。
Se?0.66R?DA?N?p0?? （3-7）
式中：R——意义同（3-4）式；
D——探头直径（m）； A——探头截面积（m2）：
N——永久贯入量为0.1m时的击数； p0——基准压力，p0=1kPa；
?——土的刚度系数（经验值：粘性土，?=800；砂土，?=4000）。
将式（3-1）至式（3-6）合并整理得：
R?MghSP?0.5Se?M?mkM?m2?Rl2Ea2?f （3-8）
式中：f为土对探杆侧壁摩擦力（kN）；其他符号意义同（3-1）至（3-6）式。
如果将探杆假定为刚性体（即杆无变形），不考虑杆侧壁摩擦力影响，则（3-8）式变成海利（Hiley A.）动力公式：
R?MghSP?0.5Se?M?mkM?m2 （3-9）
考虑在动力触探测试中，只能量测到土的永久变形，故将和弹性有关的变形略去，因此，土的动贯入阻力Rd也可表示为（3-10）式，称荷兰动力公式。
Rd?Mghe(M?m)A2 （kPa） （3-10）
式中：e——贯入度（mm），即每击的贯入深度，e=?S/n，?S为每一阵击（n击）的贯入深度（mm）；
A——圆锥探头的底面积（m2）。
3.3 试验成果的整理分析
目前使用较多的是机械式动力触探，数据采集使用人工读数记录的方式。现将其数据整理的一般过程和要求列出于下。
1．检查核对现场记录
在每个动探孔完成后，应在现场及时核对所记录的击数、尺寸是否有错漏，项目是否齐全；核对完毕后，在记录表上签上记录者的名字和测试日期。
2．实测击数校正 （1）轻型动力触探
1）轻型动力触探不考虑杆长修正，根据每贯入30cm的实测击数绘制N10~h曲线图。
34
2）根据每贯入30cm的锤击数对地基土进行力学分层，然后计算每层实测击数的算术平均值。 （2）中型动力触探
在《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ21-77）附录三中规定：贯入时，应记录一阵击的贯入量及相应锤击数（一般粘性土，20~30cm为一阵击；软土，3~5击为一阵击），并按（3-11）式换算为每贯入10cm的实测击数，再按（3-12）式进行杆长击数校正。
N28?n?10S （3-11）
N?28=?N28 （3-12）
上列式中：N28——相当于贯入10cm时的实测锤击数（击/10cm）；
n——每阵击的锤击数；
S——每阵击时相应的贯入量（cm）； N '28——校正后的击数（击/10cm）；
?——杆长校正系数，见相应规范。
（3）重型、超重型动力触探
1）铁路《动力触探技术规定》（TBJ8-87）中规定，实测击数应按杆长校正。 重型动力触探的实测击数（N63.5），按下式进行校正：
N?63。5=?N63。5 （3-13）
式中：N?63。5——校正后的击数（击/l0cm）；
?——杆长校正系数，，查表3-2；
N63。5——实测击数（击/10cm）。
表3-2 重型动力触探杆长击数校正系数?
? N63.5 l ?2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 5 1.0 0.96 0.93 0.90 0.88 0.85 0.82 0.79 0.77 0.75 10 1.0 0.95 0.90 0.86 0.83 0.79 0.76 0.73 0.70 0.67 15 1.0 0.93 0.88 0.83 0.79 0.75 0.71 0.67 0.63 0.59 20 1.0 0.92 0.85 0.80 0.75 0.70 0.66 0.62 0.57 0.53 25 1.0 0.90 0.83 0.77 0.72 0.67 0.62 0.57 0.53 0.48 30 1.0 0.89 0.81 0.75 0.69 0.64 0.58 0.54 0.49 0.44 35 1.0 0.87 0.79 0.73 0.67 0.61 0.56 0.51 0.46 0.41 40 1.0 0.86 0.78 0.71 0.64 0.59 0.53 0.48 0.43 0.39 ?50 -- 0.84 0.75 0.67 0.61 0.55 0.50 0.45 0.40 0.36 注：l为探杆总长度（m）；本表可以内插取值。
超重型动力触探的实测击数（N120），应先按公式（3-14）换算成相当于重型的实测击数（N63.5），然后再按公式（3-13）进行杆长击数校正。
N63.5=3N120-0.5 （3-14）
式中：N63.5——相当于重型实测击数（击/10cm）；
N120——超重型实测击数（击/10cm）。
35
2）中国西南建筑勘察院对杆长击数的校正
对超重型动力触探的实测击数（N120），无须换算成重型动力触探的实测击数，可直接按（3-15）式及表3-3进行杆长击数校正。
N?120=?N120 （3-16）
式中：N?120——修正后的超重型击数（击/10cm）；
N120——超重型实测击数（击/10cm）。
关于超重型动力触探的杆长修正问题，铁路规范与西南勘察院的不同之处有两点： a. 铁路规范需将N120的实测击数换算成相当于N63.5的实测击数后再作杆长修正。西南勘察院则直接用N120的实测击数进行修正。
b. 铁路规范N120所用探杆直径为50mm，每延米质量为7.5kg，可与N63.5共用，并能在工作过程中互换重锤。西南勘探院所用探杆直径为60mm，每延米质量为11.4kg，工作过程中不能与
N63.5进行重锤互换。除以上两点外，二者的其他设备参数基本相同。
3．绘制动力触探击数沿深度分布曲线
以杆长校正后的击数为横坐标，以贯入深度为纵坐标绘制曲线图。因为采集的数据表示每贯入某一深度的锤击数，故曲线图一般绘制成沿深度方向的直方图。
表3-3 西勘院采用的超重型动力触探杆长击数校正系数? ? N120 l 1 2 3 5 7 9 11 13 15 17 19 1 1.0 0.963 0.942 0.915 0.897 0.884 0.873 0.864 0.857 0.850 0.844 3 1.0 0.961 0.875 0.817 0.778 0.750 0.727 0.708 0.691 0.677 0.664 5 1.0 0.910 0.858 0.792 0.749 0.716 0.690 0.669 0.650 0.634 0.620 7 1.0 0.905 0.850 0.781 0.735 0.700 0.673 0.650 0.631 0.614 0.598 9 1.0 0.902 0.845 0.773 0.726 0.690 0.622 0.639 0.619 0.601 0.585 10 1.0 0.901 0.843 0.770 0.722 0.680 0.658 0.634 0.614 0.596 0.580 15 1.0 0.896 0.835 0.758 0.707 0.670 0.639 0.614 0.593 0.574 0.557 20 1.0 0.891 0.828 0.748 0.695 0.656 0.624 0.598 0.576 0.556 0.539 25 1.0 0.888 0.822 0.739 0.685 0.644 0.612 0.584 0.561 0.541 0.523 30 1.0 0.884 0.817 0.732 0.676 0.634 0.600 0.572 0.548 0.528 0.509 35 1.0 0.881 0.812 0.725 0.667 0.624 0.590 0.561 0.537 0.515 0.496 40 1.0 0.879 0.808 0.719 0.660 0.616 0.581 0.551 0.526 0.504 0.485 注：l为探杆总长度（m）。
《岩土工程勘察规范》（GB 50021-94）对于动力触探的曲线绘制和试验成果作了如下规定： （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，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钻探资料及其他原位测试资料综合分析。 （5）根据动探指标和地区经验，确定砂土孔隙比、相对密度，粉土、粘性土状态，土的强度、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，查明土坡、滑动面、层面，检验地基加固与改良效果。
36
4．标贯测试成果整理
（1）求锤击数N：如土层不太硬，并能较容易地贯穿0.30m的试验段，则取贯入0.30m的锤击数N。如土层很硬，不宜强行打入时，可用下式换算相应于贯入0.30m的锤击数N。
N?0.3n?S （3-17）
式中：n——所选取的贯入深度的锤击数；
?S——对应锤击数n的贯入深度（m）。 （2）绘制N~h关系曲线
3.4 试验成果的应用
由于具有方便快捷和对土层适应性强的优点，动力触探在勘察和工程检测中应用甚广，其主要功能有以下几方面。
1．划分土层
根据动力触探击数可粗略划分土类（图3-6）。一般来说，锤击数越少，土的颗粒越细；锤击次数越多，土的颗粒越粗。在某一地区进行多次勘测实践后，就可以建立起当地土类与锤击数的关系。如与其他测试方法同时应用，则精度会进一步提高。例如在工程中常将动、静力触探结合使用，或辅之以标贯试验，还可同时取土样，直接进行观察和描述，也可进行室内试验检验。根据触探击数和触探曲线的形状，将触探击数相近的一段作为一层，据之可以划分土层剖面，并求出每一层触探击数的平均值，定出土的名称。动力触探曲线和静力触探一样，有超前段、常数段和滞后段。在确定土层分界面时，可参考静力触探的类似方法。
图3-6 动力触探击数随深度分布的直方图及土层划分
37
步增加时，孔周区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随P值的增加而不断扩大。设孔穴初始半径为R0，扩张后半径为Ru，塑性区最大半径为Rp，相应的孔内压力最终值为Pu，在半径Rp以外的土体仍保持弹性状态。圆柱形孔穴在内压力下的扩张情况与上类似，只不过一个属于球对称情况，另一个属于轴对称情况。
用孔穴扩张理论来研究CPT的机理有两种实用成果，即估算静力触探的贯入阻力和在饱和粘土中不排水贯入时初始孔隙水压的分布。
孔穴扩张理论用于静力触探的机理分析主要有两点不足：一个是静力触探时的土体位移实际上并不是球对称或轴对称的；另一个是随着探头的贯入，孔穴中心实际上是在不断向下移动的，而并非是固定在一个位置。
除了上述理论外，还有将观察点固定在探头上，将土体视为流体的研究方法，以及有限单元法等，都获得了不少研究成果，但也都有其不足之处。
2.3 试验成果的整理
1．单孔触探成果应包括以下几项基本内容 （1）各触探参数随深度的分布曲线； （2）土层名称及潮湿程度（或稠度状态）； （3）各层土的触探参数值和地基参数值；
（4）对于孔压触探，如果进行了孔压消散试验，尚应附上孔压随时间而变化的过程曲线；必要时，可附锥尖阻力随时间而改变的过程曲线。
2．原始数据的修正
在贯入过程中，探头受摩擦而发热，探杆会倾斜和弯曲，探头入土深度很大时探杆会有一定量的压缩，仪器记录深度的起始面与地面不重合，等等，这些因素会使测试结果产生偏差。因而原始数据一般应进行修正。修正的方法一般按《静力触探技术规程》TBJ37-93的规定进行。主要应注意深度修正和零漂处理。
（1）深度修正
当记录深度于实际深度有出入时，应按深度线性修正深度误差。对于因探杆倾斜而产生的深度误差可按下述方法修正：
触探的同时量测触探杆的偏斜角（相对铅垂线），如每贯入1m测了1次偏斜角，则该段的贯入修正量为：
?hi=1-cos（（?I+?i-1）/2）
式中 ?hi——第i段贯入深度修正量；
?i，?i-1——第i次和第i-1次实测的偏斜角。
触探结束时的总修正量为??hi，实际的贯入深度应为h-??hi。
实际操作时应尽量避免过大的倾斜、探杆弯曲和机具方面产生的误差。 （2）零漂修正
一般根据归零检查的深度间隔按线性内查法对测试值加以修正。修正时应注意不要形成人为
23
的台阶。
3．触探曲线的绘制
当使用自动化程度高的触探仪器时，需要的曲线均可自动绘制，只有在人工读数记录时才需要根据测得的数据绘制曲线。
需要绘制的触探曲线包括ps~h或qc~h、fs~h和Rf（=f/q×100%）~h曲线。
2.4 静力触探成果的应用
一. 划分土层
划分土层的根据在于探头阻力的大小与土层的软硬程度密切相关。由此进行的土层划分也称之为力学分层。
由图2-1，分层时要注意两种现象，其一是贯入过程中的临界深度效应，另一个是探头越过分层面前后所产生的超前与滞后效应。这些效应的根源均在于土层对于探头的约束条件有了变化。
根据长期的经验确定了以下划分方法：
（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点，或中点偏向于阻值较小者5~10cm处作为分层面；
（2）上下层贯入阻力相差一倍以上时，取软层最靠近分界面处的数据点偏向硬层10cm处作为分层面；
（3）上下层贯入阻力变化不明显时，可结合fs或Rf的变化确定分层面。
第（3）条的根据在于当贯入阻力大致相当时，阻力的构成可以反映土性的差异。从此也可看出双桥探头的好处。
土层划分以后可按平均法计算各土层的触探参数，计算时应注意剔除异常的数据。
二. 确定土类（定名）
静力触探的几种测试方法均可用于划分土
6软土IP大于10的粘性土+1.6类，但就其总体而言，单桥探头测试的参数太少，精度较差，常常需要和钻探及经验相结合，下面仅介绍铁道部《静力触探技术规程》TBJ37-93中
Rf (%)54粉土IP小于10的粘性土Rf=0.0.qc+311032R该方法利用了qc和Rf两个参数，其根据在于不同的土类不但具有差异较大的qc值，而且其摩阻比Rf对此更为敏感。例如大部分砂土Rf均小于1%，而粘土通常都大于2%，所以使用这两个参数划分土类有较好的效果。
该法的优点是提供了边界方程，缺点是比较粗糙。
2f=0利用双桥探头测试结果进行划分的方法。
3.2973qc1砂土00510152025qc (MPa)图2-5 土的分类图 （双桥探头法 TBJ37-93）
24
三. 求浅基承载力
用静力触探法求地基承载力的突出优点是快速、简便、有效。在应用此法时应注意以下几点： （1）静力触探法求地基承载力一般依据的是经验公式。这些经验公式是建立在静力触探和载荷试验的对比关系上。但载荷试验原理是使地基土缓慢受压，先产生压缩（似弹性）变形，然后为塑性变形，最后剪切破坏，受荷过程慢，内聚力和内摩擦角同时起作用。静力触探加荷快，土体来不及被压密就产生剪切破坏，同时产生较大的超孔隙水压力，对内聚力影响很大。这样，主要起作用的是内摩擦角，内摩擦角越大，锥头阻力qc（或比贯入阻力ps）也越大。砂土内聚力小或为零，粘性土内聚力相对较大，而内摩擦角相对较小。因此，用静力触探法求地基承载力要充分考虑土质的差别，特别是砂土和粘土的区别。另外，静力触探法提供的是一个孔位处的地基承载力，用于设计时应将各孔的资料进行统计分析以推求场地的承载力，此外还应进行基础的宽度和埋置深度的修正。
（2）地基土的成因、时代及含水量的差别对用静力触探法求地基承载力的经验公式有明显影响，如老粘土（Q1~Q3）和新粘土（Q4）的区别。
我国对使用静力触探法推求地基承载力已积累了相当丰富的经验，经验公式很多。在使用这些经验公式时应充分注意其使用的条件和地域性，并在实践中不断地积累经验。
《工业与民用建筑工程地质勘察规范》（TJ21-77）中采用的公式如下： 砂土： f0=0.0197ps+0.0656 （MPa） 一般粘性土： f0=0.104ps+0.0269 （MPa） 老粘土： f0=0.1ps （MPa） 上列式中的f0为地基承载力基本值，ps为单桥探头的比贯入阻力。 铁路部门提出的经验公式（见《静力触探技术使用暂行规定》）如下：
对于Q3及以前沉积的老粘土地基，单桥探头的比贯入阻力ps在3000~6000kPa的范围内时采用如下公式计算地基的基本承载力?0：
?0=0.1ps
对于软土及一般粘土、亚粘土地基的基本承载力?0采用下式计算：
?0=5.8ps0.5-46
对于一般亚砂土及饱和砂土地基的基本承载力?0采用下式计算：
?0=0.89ps0.63+14.4
当确认该地基在施工及竣工后均不会达到饱和时，则由上式确定的砂土地基的?0可以提高25%~50%。
上列各式的单位均为kPa。 相应的深、宽修正系数如下表：
表2-2 由贯入阻力ps定宽、深修正系数k1和k2 ps /MPa k1 k2 ?0.5 0 0 0.5~2 0 1 2~6 0 2 6~10 1 3 10~14 2 4 14~20 3 5 ?20 4 6 上述公式均是以单桥探头的比贯入阻力ps为基础建立的。以双桥探头的锥尖阻力qc为基础的
25
公式也有不少，但不及上述公式的影响大。
四. 估算单桩的竖向承载力
静力触探的机理和桩的作用机理类似，静力触探试验相当于沉桩的模拟试验。因此，在现有的各种原位测试技术中，用静力触探成果计算单桩承载力是最为适宜的，其效果也特别良好，故很早就被应用于桩基勘察中。与用载荷试验求单桩承载力的方法相比，静力触探试验具有明显的优点。由于成本很低且快速经济，因而可以在每根桩位上进行静力触探试验；桩的载荷试验笨重，成本高，周期长，而且只有在成桩后才能做，试验数量非常有限，试验成本也远远高于静力触探试验。因此，静力触探在桩基的勘察阶段广泛应用。但要注意两者的区别，桩的表面较粗糙，直径大，沉桩时对桩周围土层的扰动也大；桩在实际受力时沉降量很小，沉降速度很慢；而静力触探贯入速率较快。因此，要对静力触探成果加以修正后才能应用于计算桩的承载力。由于载荷试验求出的单桩承载力最可靠，所以将静力触探试验和桩的载荷试验配合应用，互相验证，将会减少桩基的工程和试验费用并能取得比使用单一手段更好的效果。
应用静力触探的测试成果计算单桩极限承载力的方法已比较成熟，国内、外均有很多计算公式。现仅列出《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）中根据双桥探头测试成果确定预制桩竖向承载力标准值的方法，供参考。
该规范规定，当根据双桥探头静力触探资料确定预制桩竖向承载力标准值时，对于粘性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算：
Quk=u?li·?i·fsi+?·qc·Ap
式中 Quk——单桩极限承载力标准值；
fsi——第i层土的探头平均侧阻力；
qc——桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d（d为桩的直径或边长）范围内按土
层厚度的探头阻力加权平均值，然后再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均；
?——桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2； ?i——第i层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算：
粘性土、粉土： ?I=10.04（fsi）-0.55
砂土： ?I=5.05（fsi）-0.45
注：双桥探头的圆锥底面积为15cm3，锥角60?，摩擦套筒高21.85cm，侧面积300cm2。 使用单桥探头的方法和估算钻孔桩的承载力的方法请见参考资料。
五. 其它方面的应用
除了在上述方面有着广泛的应用外，静力触探技术还可用于推求土的物性参数（密度、密实度等）、力学参数（c，?，E0，Es等），检验地基处理后的效果、测定滑坡的滑动面以及判断地基的液化可能性等。关于这些方面的内容请见参考资料。
26
2.5 小 结
总起来说，静力触探方便、快捷，对土层的扰动小，测试连续进行，测试成本低，数据的重现性好，在岩土工程中有着多方面的用途，在原位测试技术中占有举足轻重的地位。静力触探的局限性除了对于硬土层难以穿越外，主要的还在于测试手段较为单一，无法控制应力路径和应变路径，测试时不能取样，测试时探杆的弯曲和倾斜较难控制，测试过程和对测试结果的解释对经验的依赖性过强因而较难把握等等。
在工程中应用静力触探技术时应注意与其它测试手段联合运用，注意对当地经验的获取和积累，测试过程要严格遵守操作规程，发现异常情况要查明原因并尽早排除，对测试成果的分析和解释要注意理论和经验并重。另外，检测工作事关建筑物的安全，测试人员一定要有高度的责任心。
思 考 题
1．静力触探与打入桩的贯入过程有何异同？
2．用静力触探为何能估计地基土的物理力学参数和地基承载力？ 3．何谓静力触探的超前和滞后效应，为何会产生此种效应？ 4．理解静力触探的临界深度概念。 5．静力触探的一般测试工作如何进行？
6．静力触探数据的零漂产生的原因是什么，如何解决？ 7．土层划分后如何用平均法求各土层的测试参数？
27
第3章 圆锥动力触探和标准贯入试验
圆锥动力触探试验习惯上称为动力触探试验（DPT：dynamic penetration test）或简称动探，它是利用一定的锤击动能，将一定规格的圆锥形探头打入土中，根据每打入土中一定深度的锤击数（或贯入能量）来判定土的物理力学特性和相关参数的一种原位测试方法。
标准贯入试验习惯上简称为标贯。它和动力触探在仪器上的差别仅在于探头形式不同，标贯的探头是一个空心贯入器，试验过程中还可以取土。因为和动力触探试验由许多共同之处，故将其放入同一章中论述。
动力触探和标准贯入试验在国内外应用极为广泛，是一种重要的土工原位测试方法，具有独特的优点：
（1）设备简单，且坚固耐用； （2）操作及测试方法容易掌握；
（3）适应性广，砂土、粉土、砾石土、软岩、强风化岩石及粘性土均可； （4）快速，经济，能连续测试土层；
（5）标准贯入试验可同时取样，便于直接观察描述土层情况； （6）应用历史悠久，积累的经验丰富。
因此，动力触探和标准贯入试验在岩土工程中应用极广。目前，世界上大多数国家在岩土工程勘察中都不同程度地使用动力触探技术。其中，美洲、亚洲和欧洲国家应用最广；而日本则几乎把动力触探技术当作了一种万能的土工勘测手段。
3.1 试验设备和方法
一. 试验设备
动力触探使用的设备如图3-1，包括动力设备和贯入系统两大部分。动力设备的作用是提供动力源，为便于野外施工，多采用柴油发动机；对于轻型动力触探也有采用人力提升方式的。贯入部分是动力触探的核心，由穿心锤、探杆和探头组成。
28
图3-1 现场动力触探试验
根据所用穿心锤的质量将动力触探试验分为轻型、中型、重型和超重型等种类。动力触探类型及相应的探头和探杆规格见表3-1。
表3-1 常用动力触探类型及规格
锤质量 /kg 10 10 28 63.5 120 落距 /cm 50 30 80 76 100 探头规格 锥角 /? 60 45 60 60 60 底面积 /cm2 12.6 4.9 30 43 43 探杆外 径/mm 25 12 33.5 42 60 触探指标 （贯入一定深度的 锤击数） 贯入30cm锤击数N10 贯入10cm锤击数N10 贯入10cm锤击数N28 贯入10cm锤击数N63.5 工民建勘察规范等推荐 英国BS规程 工民建勘察规范推荐 岩土工程勘察规范推荐 备 注 类型 轻型 中型 重型 超重型 贯入10cm锤击数N120 水电部土工试验规程推荐 在各种类型的动力触探中，轻型适用于一般粘性土及素填土，特别适用于软土；重型适用于砂土及砾砂土；超重型适用于卵石、砾石类土。穿心锤的质量之所以不同，是由于自然界土类千差万别；锤重动能大，可击穿硬土；锤小动能小，可击穿软土，又能得到一定锤击数，使测试精度提高。现场测试时应根据地基土的性质选择适宜的动探类型。
虽然各种动力触探试验设备的重量相差悬殊，但其仪器设备的形式却大致相同。图3-2示出
29
了目前常用的机械式动力触探中的轻型动力触探仪的贯入系统，它包括了穿心锤、导向杆、锤垫、探杆和探头五个部分。其他类型的贯入系统在结构上与此类似，差别主要表现在细部规格上。轻型动力触探使用的落锤质量小，可以使用人力提升的方式，故锤体结构相对简单；重型和超重型动力触探的落锤质量大，使用时需借助机械脱钩装置，故锤体结构要复杂得多。常用的机械脱钩装置（提引器）的结构各异，但基本上可分为两种形式：
图3-2轻型动力触探仪（单位：mm） 图3-3偏心轮缩径式 1-穿心锤；2-钢时与锤垫；3-触探杆； 1-上导杆；2-下导杆；3-吊环；4-偏心轮； 4-圆锥探头；5-导向杆 5-穿心锤；6-锤座
（1）内挂式（提引器挂住重锤顶帽的内缘而提升），它是利用导杆缩径，使提引器内活动装置（钢球、偏心轮或挂钩等）发生变位，完成挂锤、脱钩及自由下落的往复过程。内挂式脱钩装置如图3-3所示。
（2）外挂式（提引器挂住重锤顶帽的外缘而提升），它是利用上提力完成挂锤，靠导杆顶端所设弹簧锥套或凸块强制挂钩张开，使重锤自由下落。
20世纪80年代前，国内外都用手拉绳（或卷扬机）提锤、放锤，和现在的自动脱钩式方式不同。
国际上使用的探头规格较多，而我国的常用探头直径约5种，锥角基本上只有60?一种。图3-4是重型和超重型探头的结构图。
30
标准贯入使用的仪器除贯入器外与重型动力触探的仪器相同。我国使用的贯入器如图3-5。
二. 试验方法
（一）轻型、重型、超重型动力触探的测试程序和要求
1．轻型动力触探
（1）先用轻便钻具钻至试验土层标高以上0.3m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）若需描述土层情况时，可将触探杆拨出，取下探头，换钻头进行取样。
（4）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后再贯入。
（5）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，使触探保持垂直地进行。垂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注明。
（4）及时记录每贯入0.10m所需的锤击数。其方法可在触探杆上每0.1m划出标记，然后直接（或用仪器）记录锤击数；也可以记录每一阵击的贯入度，然后再换算为每贯入0.1m所需的锤击数。最初贯入的lm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0.1m所需锤击数连续三次超过50击时，即停止试验。如需对下部土层继续进行试验时，可改用超重型动力触探。
31
图3-4 重型和超重型探头的结构（单位：mm）
（7）本试验也可在钻孔中分段进行，一般可先进行贯入，然后进行钻探，直至动力触探所测深度以上1m处，取出钻具将触探器放入孔内再进行贯入。
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。 （二）标准贯入试验 1．试验方法
标准贯入试验的设备和测试方法在世界上已基本统一。按水电部土工试验规程SD128-86规定，其测试程序和相关要求如下：
（1）先用钻具钻至试验土层标高以上0.15m处，清除残土。清孔时，应避免试验土层受到扰动。当在地下水位以下的土层中进行试验时，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）贯入前应拧紧钻杆接头，将贯入器放入孔内，避免冲击孔底，注意保持贯入器、钻杆、导向杆联接后的垂直度。孔口宜加导向器，以保证穿心锤中心施力。贯入器放入孔内后，应测定贯入器所在深度，要求残土厚度不大于0.1m。
（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）旋转钻杆，然后提出贯入器，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，以备试验之用。
（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。
2．注意事项：
钻孔时应注意下列各条。
（1）须保持孔内水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持孔底土处于平衡状态，不使孔底发生涌砂变松，影响N值；
（2）下套管不要超过试验标高；
（3）须缓慢地下放钻具，避免孔底土的扰动；
（4）细心清除孔底浮土，孔底浮土应尽量少，其厚度不得大于10cm；
（5）如钻进中需取样，则不应在锤击法取样后立刻做标贯，而应在继续钻进一定深度（可根据土层软硬程度而定）后再做标贯，以免人为增大N值；
（6）钻孔直径不宜过大，以免加大锤击时探杆的晃动；钻孔直径过大时，可减少N至50%，建议钻孔直径上限为100mm，以免影响N值。
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。另外，标贯试验不宜在含有碎石的土层中进行，只宜用于粘性土、粉土和砂土中，以免损坏标贯器的管靴刃口。
32
密封组装而成。由于剪切波不能在水或空气中传播，为了使检波器与孔壁密贴，所以三分量检波器的外面装有一胶囊，用塑料管与胶囊连通，在地面上用打气筒或水泵向胶囊充气或加水使其膨胀，使检波器能与井壁紧密接触。图5-3为三分量检波器的外形。
放大器及记录系统应采用多道浅层地震仪，其功能是将检波器接收到的振动信号放大后由示波器显示并记录下来，要求记录时间的分辨率应高于1ms。要求触发器性能稳定，其灵敏度宜为0.1ms。测斜仪应能测0?~360?的方位角及0?~30?的顶角；顶角的测试误差不宜大于0.1?。
二. 测试方法
由于土中的纵波速度受到含水量的影响，不能真实地反映土的动力特性，故通常测试土中的剪切波速，测试的方法有单孔法（检层法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。
1. 单孔法
单孔法是在一个钻孔中分土层进行检测，故又称检层法，因为只需一个钻孔，方法简便，在实测中用得较多，但精度低于跨孔法。单孔法的现场测试情况如图5-1所示。
测试前的准备工作应符合下列要求： （1）测试孔应垂直；
（2）当剪切波振源采用锤击上压重物的木板时，木板的长向中垂线应对准测试孔中心，孔口与木板的距离宜为1~3m；板上所压重物宜大于400kg；木板与地面应紧密接触；
（3）当压缩波振源采用锤击金属板时，金属板距孔口的距离宜为1~3m；
（4）应检查三分量检波器各道的一致性和绝缘性。
测试工作应符合下列要求：
（1）测试时，应根据工程情况及地质分层，每隔1~3m布置一个测点，并宜自下而上按预定深度进行测试；
（2）剪切波测试时，传感器应设置在测试孔内预定深度处并予以固定；沿木板纵轴方向分别打击其两端，可记录极性相反的两组剪切波波形；
（3）压缩波测试时，可锤击金属板，当激振能量不足时，可采用落锤或爆炸产生压缩波。 测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点总数的10%。 2. 跨孔法
跨孔法有双孔和三孔等距方法，以三孔等距法用得较多。跨孔法测试精度高，可以达到较深的测试深度，因而应用也比较普遍，但该法成本高，操作也比较复杂。三孔法是在测试场地上钻三个具有一定间隔的测试孔，选择其中的一个孔为振源孔，另外两个相邻的钻孔内放置接收检波器，如图5-2。
43
跨孔法的测试场地宜平坦，测试孔宜布置在一条直线上。测试孔的间距在土层中宜取2~5m，在岩层中宜取8~15m；测试时，应根据工程情况及地质分层，沿深度方向每隔1~2m布置一个测点。
激振控制器 记录仪
图5-2 跨孔法现场测试示意
钻孔时应注意保持井孔垂直，并宜用泥浆护壁或下套管，套管壁与孔壁应紧密接触。测试时，振源与接收孔内的传感器应设置在同一水平面。
现场测试可按下列方法进行：
（1）当振源采用剪切波锤时，宜采用一次成孔法； （2）当振源采用标准贯入试验装置时，宜采用分段测试法。
当测试深度大于15m时，必须对所有测试孔进行倾斜度及倾斜方位的测试；测点间距不应大于1m。
当采用一次成孔法测试时，测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点总数的10%；也可采用振源孔和接收孔互换的方法进行检测。
3. 面波法
瑞利波是在介质表面传播的波，其能量从介质表面以指数规律沿深度衰减，大部份在一个波长的厚度内通过，因此在地表测得的面波波速反映了该深度范围内土的性质，而用不同的测试频率就可以获得不同深度土层的动参数。
面波法有两类测试方式，一是从频率域特性出发，通过变化激振频率进行量测称为稳态法；另一种从时间域特性出发，瞬态激发采集宽频面波，这种方法操作容易，但是资料处理复杂。国家标准《地基动力特性测试规范》GB/T 50269-97仅纳入了稳态法。本章也仅介绍稳态法。
稳态法是利用稳态振源在地表施加一个频率为f的强迫振动，其能量以地震波的形式向周围扩散，这样在振源的周围将产生一个随时间变化的正弦波振动。通过设置在地面上的两个检波器
44
A和B检出输入波的波峰之间的时间差，便可算出瑞利波速度VR。
测试设备由激振系统和拾振系统组成。激振系统一般多采用电磁式激振器。系统工作时由信号发生器输出一定频率的电信号，经功率放大器放大后输入电磁激振器线圈，使其产生一定频率的振动。电磁式激振器的特点是激振力不随信号发生器输出频率的变化而变化，只要不改变输出电流及电压，其输出功率不变。拾振系统由检波器、放大器、双线示波仪及计算机四部份组成。检波器接收振动信号，经放大器放大，由双线示波仪显示并被记录。整个过程由计算机操作控制。
面波法不需要钻孔，不破坏地表结构物，成本低而效率高，是一种很有前途的测试方法。 测试工作可按下述方法进行：
（1）激振设备宜采用机械式或电磁式激振器；
（2）在振源的同一侧放置两台间距为?l的竖向传感器，接收由振源产生的瑞利波信号； （3）改变激振频率，测试不同深度处土层的瑞利波波速； （4）电磁式激振设备可采用单一正弦波信号或合成正弦波信号。
因为瑞利波在半无限空间中是在一个波长范围内传播的。低频激振时，波长变长，可测出深层瑞利波速度。由低向高逐渐改变激振频率，波长由长变短，探测深度由深变浅，从而得出不同深度的弹性常数。
测试过程中要注意如下几点：
（1）A、B检波器的距离一定要小于1个波长的距离。这是因为，如果设置的距离过大，就可能会出现相位差的误判。但检波器间的间距又不应太小，否则会影响相位差的计算精度；
（2）为提高确定相位差的精度，应尽量选取小的采样间隔；
（3）为保证波峰的可靠对比和压制干扰波，需要时可将正弦激振波加以调制；
（4）根据实际情况调整频率变化速率（步长），一般仪器中都设置了频率自动降低设备，可以任意选择，但步长太小，作业时间长；步长太大，又会影响观测精度。
5.2 基本测试原理
弹性波速法以弹性理论为依据，它将岩土体视为弹性介质，利用弹性波在岩土中传播的特征（速度、振幅、频率）进行工程性质的研究，通过对岩土体中弹性波的测量，提出岩土体的动力参数并评价岩土体的工程性质。
一般而言，介质的质量密度越高、结构越均匀、弹性模量越大，则弹性波在该介质中的传播速度也越高，同时我们又知道该介质的力学特性也越好。故弹性波的传播速度在通常的情况下能反映材料的力学和工程性质。
根据弹性理论，当介质受到动荷载的瞬间冲击或反复振动作用，将引起介质的动应变，并以纵波、横波和面波等形式从振源向外传播。当动应力不超过介质的弹性界限时所产生的波称为弹性波。岩土体在一定条件下可视为弹性体，依据牛顿定律可导出弹性波在无限均质体中的运动方程。相应的波速为：
vP?E(1??)?(1??)(1?2?) （5-1）
45
vs?E2?(1??) （5-2）
引入拉梅常数?、M，
??E?(1??)(1?2?)E2(1??) （5-3）
M? （5-4）
（5-1）和（5-2）可以写为下列简洁的形式：
vP?vs???2M?M （5-5）
? （5-6）
上列式中，vp——纵波速度 m/s；
vs——横波速度 m/s；
?——质量密度 kg/m3；
E——弹性模量 kPa；
?——泊桑比。
如果测试出了岩土体中的弹性波波速，可以由上列公式推出岩土体的动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和动泊桑比? 如下：
Ed?vP?2(1??)(1?2?)1??2 kPa （5-7）
Gd??vs kPa （5-8）
??m22?2?1)2(m （5-9）
式中 m——波速比，m=vP/vs。
5.3 试验成果的整理分析
1. 单孔法
确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下列规定： （1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形；
（2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。由于三分量检波器中有两个水平检波器，可得到两张水平分量记录，应选最佳接收的记录进行整理。
压缩波或剪切波从振源到达测点的时间，应按下列公式进行斜距校正：
T=KTL （5-10）
K?H?H0L?(H?H0)22 （5-11）
式中 T——压缩波或剪切波从振源到达测点经斜距校正后的时间，s（相当于波从孔口到达测点
46
的时间）；
TL——压缩波或剪切波从振源到达测点的实测时间，s； K——斜距校正系数； H——测点的深度；
H0——振源与孔口的高差，m，当振源低于孔口时，H0为负值； L——从板中心到测试孔的水平距离，m。
时距曲线图的绘制，应以深度H为纵坐标，时间T为横坐标。波速层的划分，应结合地质情况，按时距曲线上具有不同斜率的折线段确定。每一波速层的压缩波波速或剪切波波速，应按下式计算：
?T式中 v——波速层的压缩波波速或剪切波波速，m/s；
v??H （5-12）
?H——波速层的厚度，m；
?T——弹性波传到波速层顶面和底面的时间差，s。
2. 跨孔法
确定压缩波或剪切波从振源到达测点的时间时，应符合下列规定： （1）确定压缩波的时间，应采用竖向传感器记录的波形； （2）确定剪切波的时间，应采用水平传感器记录的波形。
由振源到达每个测点的距离，应按测斜数据进行计算。每个测试深度的压缩波波速及剪切波波速，应按下列公式计算
vP?vs??STP2?TP1?STs2?Ts1 （5-13） （5-14）
?S=S2-S1 （5-15）
式中 vp——压缩波波速，m/s；
vs——剪切波波速（m/s）；
TP1——压缩波到达第1个接收孔测点的时间，s； TP2——压缩波到达第2个接收孔测点的时间，s； TS1——剪切波到达第1个接收孔测点的时间，s； TS2——剪切波到达第2个接收孔测点的时间，s； S1——由振源到第1个接收孔测点的距离，m； S2——由振源到第2个接收孔测点的距离，m；
?S——由振源到两个接收孔测点的距离之差，m。
3. 面波法
瑞利波波速应按下式计算：
VR?2?f?LΦ （5-16）
47
百度搜索“yundocx”或“云文档网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，云文档网，提供经典综合文库岩土工程原位测试技术在线全文阅读。
最新更新：
