1、第九章 岩土原位测试技术,原位测试：在现场基本保持地基土的天然结构、天然含水量、天然应力状态的情况下测定地基土的物理-力学性质指标的试验方法。,一、静力荷载试验,求得的地基土承载力特征值和变形模量综合反映了承压板下1.52.0倍承压板宽度（或直径）范围内地基土的强度和变形特性。,1. 常规法静力荷载试验,静力荷载试验设备结构,实验设备： （1）加荷稳定系统； （2）反力系统； （3）量测系统。,试验要求：承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。岩石荷载板面积不宜小于0.07m2。基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的三倍。承压板与土层接触处，一般应铺设不超过2mm的粗、中砂找平
2、。当试验土层为软塑、流塑状态的黏性土或饱和的松砂，承压板周围应预留2030cm厚的原土做保护层。,试验加荷标准：加荷载等级不应小于8级。,沉降稳定标准：每级加荷后，按间隔5、5、10、10、15、15min读沉降，以后每半个小时读一次沉降。当连续两小时每小时的沉降量小于或等于0.1mm时，则认为本级荷载下沉降已趋于稳定，可加下一级荷载。,当试验中出现下列情况之一时，可终止加荷： （1）承压板周围的土明显侧向挤出； （2）沉降s急骤增大，荷载-沉降曲线出现陡降段； （3）某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准； （4）s/b0.06(b承压板宽度或直径） 满足前三种情况之一时，其对应的前一
3、级荷载定为极限荷载。,试验资料的整理 （1）校对原始记录资料和绘制试验关系曲线（如p-s、lgp-lgs、lgt-lgs等）； （2）沉降观测值的修正。,比例界限前：,比例界限后：,静力荷载试验资料应用 （1）确定地基土承载力特征值（fak） 强度控制法：p-s曲线有明显的直线段，采用直线段的拐点所对应的荷载为比例界限荷载p0，取p0为fak；当极限荷载pu小于2p0时，取1/2pu为fak。 相对沉降量控制法：当p-s曲线无明显拐点，可用相对沉降s/b来控制（如承压板面积为0.250.5m2，可取s/b=0.010.015所对应的荷载值。*同一土层中试验点不应少于三点，当试验实测值的极差不超
4、过其平均值的30%时，取平均值作为地基土承载力特征值。,（2）确定地基土的变形模量,I0刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785，方形承压板取0.886； 土的泊松比（碎石土取0.27，砂土0.30，粉土0.35，粉质粘土0.38，黏土0.42）； d承压板直径或边长（m）； pp-s曲线线性段的某级压力（kPa）； s与p对应的沉降（mm）。,2. 螺旋板荷载试验,试验要求： （1）应力法。用千斤顶分级加荷，每级荷载对于砂土、中低压缩性的黏性土、粉土宜采用50kPa，对于高压缩性土用25kPa；每加一级后按10、10、10、15、15min的间隔观测沉降，以后间隔为30min。相对稳定的
5、标准为连续两次观测值小于0.1mm/h。 （2）应变法。对于砂土、中低压缩性土，宜采用12mm/min，每下沉1mm测读压力一次；对于高压缩性土，采用0.250.5mm/min，每下沉0.250.5mm测读压力一次，直至土层破坏为止。试验点的垂直距离为1.0m。,试验资料整理 （1）采用应力法时，根据试验可获得荷载-沉降关系曲线（p-s曲线）、沉降与时间关系曲线（s-t曲线）； （2）采用应变法时，可获得荷载-沉降关系曲线（p-s曲线）。,资料的应用： （1）根据试验资料绘制p-s曲线，确定地基土的承载力特征值，其方法与静力荷载试验相同； （2）确定土的不排水变形模量Eu：,（3）确定排水变形
6、模量E0:,(4)计算不排水抗剪强度,在p压力增量下固结完成后的沉降量（mm）,系数，对软塑、流塑软黏土8.09.5；对其他土9.011.5,p-s曲线上极限荷载的压力,（5）计算一维压缩模量Esc,Pa标准压力；取一个大气压pa=100kPa； p0有效上覆压力； a应力指数：超固结土取1.0，砂土、粉土取0.5，正常固结饱和粘土取0。,（6）计算径向固结系数Cr,Janbu根据一维轴对称径向排水的固结理论，,相当于90%固结度的时间因子，取0.335；,完成90%固结度的时间（min）。作图法求得：过曲线直线段与s轴的交点，做一1.31倍初始段直线斜率的直线与原曲线相交，其交点即为完成90
7、%固结度的时间t90。,二、静力触探试验,利用准静力将一个内部装有传感器的标准规格的探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的状态或密实度不同，探头记录所受到的阻力，通过贯入阻力与土的工程地质特性之间的定性关系和统计相关关系，来实现获取土层剖面、提供浅地基承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等岩土工程勘察目的。,优点： 具有勘探和测试双重功能； 快速、精确、经济；缺点： 贯入机理尚未弄清； 不能直接识别土层； 对碎石类土和较密实砂土层难以贯入。,单桥探头,双桥探头,孔压静力触探探头,试验工作： （1）确定实验前的初读数。将探头压入地表下0.5m左右，经过一定时间后将探头提升1025cm，使探头在
8、不受压状态下与地温平衡，此时仪器上的读数即为试验开始时的初读数； （2）贯入速率要匀速，速率控制在1.20.3（m/min）； （3）一般要求每次贯入10cm读一次微应变，也可根据土层情况增减，但不能超过20cm；深度记录误差不超过1%，当贯入深度超过30m或穿过软土层贯入硬土层后，应有测斜数据； （4）每贯入一定深度（一般为2m），要将探头提升510cm，测读一次初读数，以校核贯入过程初读数的变化情况； （5）当贯入到预定深度或出现下列情况之一时，停止贯入：触探主机达到最大容许贯入能力，探头阻力达到最大容许压力；反力装置失效；发现探杆弯曲已达到不能容许程度。,资料的整理 （1）原始记录的修正
9、：读数修正、曲线脱节修正和深度修正。,（2）贯入阻力的计算,单桥探头的比贯入阻力,双桥探头的锥头阻力,双桥探头的侧壁摩擦力,标定系数,贯入的应变量,（3）摩阻比的计算,（4）绘制单孔静探曲线,划分土层,土层贯入阻力的计算,贯入阻力的换算,非饱和土或地下水位以下的硬坚硬黏性土和强透水性砂土,静力触探成果应用 （1）划分土类,（2）确定地基土的承载力,黏性土,砂土,粉土,（3）确定砂土的密实度,（4）确定砂土的内摩擦角,（5）确定黏性土的状态,（6）估算单桩承载力,三、野外十字板剪切试验,一种原位测定饱和软黏土抗剪强度的方法。 所测得的抗剪强度值，相当于天然土层试验深度处，在天然压力下固结的不排水
10、抗剪强度； 在理论上它相当于室内三轴不排水剪总强度，或无侧限抗压强度的一半。,开口钢环式,电测式十字板,土体扭损的最大抵抗力矩,十字板头高度,十字板头直径,土的不排水抗剪强度,试验技术要求： （1）安装好仪器，按静力触探的方法，将十字板头贯入到预定试验深度处； （2）用回转部分的卡盘卡住钻杆，至少静置23min，再开始剪切试验； （3）试验开始，用摇把慢慢匀速回转涡轮、蜗杆，剪切速率为（1 2）/10s。摇把每转一圈，测记仪器读数一次。当读数出现峰值或稳定值后，继续测记1min。 （4）松开卡盘，用扳手或管钳将探杆顺时针旋转6圈，使十字板头周围的土充分扰动，再用卡盘卡紧探杆，按（3）继续进行试
11、验，测记重塑土抵抗扭剪的最大读数。 （5）完成上述一次试验后，再松开卡盘，用静力触探的方法继续下压至下一实验深度，重复试验，测记原状土和重塑土剪损时的最大读数。,使用条件与影响因素,使用条件：主要适用于饱和软黏性土层，但若土层含有砂层、砾石、贝壳、树根及其他未分解有机质时不宜采用。 测试深度一般在30m以内。,影响因素： （1）十字板头规格 50100（mm）和75150（mm）（2）剪应力分布,Jackson（1969），提出对cu的修正,a与顶面及底面剪应力在土体破坏时分布有关的系数。当剪应力分布均匀时，a=2/3；当剪应力分布是抛物线时，a=3/5；当剪应力分布是三角形时，a=1/2。,
12、（3）土的各向异性 对于正常固结的饱和软黏性土，cuv/cuh=0.50.67； 对于稍超固结的软黏性土，cuv/cuh=0.9（4）十字板剪切速率 剪切速率越大，抗剪强度越大。,资料整理 （1）开口钢环式十字板剪切试验 计算原状土的抗剪强度,钢环系数（kN/0.01mm),原状土剪损时百分表最大读数（0.01mm）,轴杆阻力校正时百分表最大读数（0.01mm）,十字板常数（m-2）,率定钢环时的力臂（m）,计算重塑土的抗剪强度计算土的灵敏度,重塑土剪损时百分表最大读数（0.01mm）,绘制抗剪强度与试验深度的关系曲线,绘制抗剪强度与回转角的关系曲线,（2）电测式十字板剪切试验 计算原状土的抗
13、剪强度,电测十字板传感器的率定系数,原状土剪损时最大微应变值,电测十字板常数（m-3）,计算重塑土的抗剪强度计算土的灵敏度,重塑土剪损时最大微应变值,资料应用,Bjerrum（1972）：,（1）计算地基承载力对于内摩擦角为零（=0）的饱和软黏性土，经验公式为,（2）分析饱和软黏性土填、挖方边坡的稳定性确定滑动面的位置，根据测得的抗剪强度来反算滑动面上土的强度参数。（3）检验地基加固改良的效果,复合地基的承载力标准值,桩土应力比，无实测资料时可取24，原土强度低取大值，反之取小值。,面积置换率,振冲法加固饱和软黏土地基：,（4）其他灵敏度判断土的成因、结构性、并了解扰动因素（如打桩、活荷载变化
14、剧烈等）对软土强度的影响；抗剪强度与深度的关系曲线判断土的固结性质；不排水抗剪强度确定软土路基的临界高度。,四、动力触探,动力触探（DPT）：利用一定的锤击能量，将一定规格的探头打入土中，根据贯入的难易程度来判定土的性质。,圆锥动力触探,标准贯入试验,锤击能量（穿心锤重量Q与落距H的乘积）= 有效能量（克服土的贯入阻力）+ 无效能量（碰撞、弹性变形、摩擦等）,探头的单位贯入阻力（kPa）,探头横截面积,每击的贯入深度（cm）,贯入深度（cm）,贯入深度为h时的锤击数,锤击效率,动力触探基本原理,（一） 圆锥动力触探,试验技术要求 （1）轻型动力触探（DPL）先用轻便钻具钻至试验土层标高，然后对
15、土层连续进行锤击贯入。每次将穿心锤提升50cm，自由落下。锤击频率每分钟为1530击，并始终保持探杆垂直，记录每打入土层30cm的锤击数N10。如遇密实坚硬土层，当贯入30cm所需锤击数超过90击或贯入15cm超过45击时，试验可停止。使用范围：适用于一般黏性土、黏性素填土和粉土，其连续贯入深度小于4m。,（2）重型动力触探（DPH）贯入前，触探架应安装平稳，保持触探孔垂直。试验时，应使穿心锤自由下落，落距为76cm，及时记录贯入深度一阵击的贯入量及相应的锤击数。适用范围：一般使用于砂土和碎石土。最大贯入深度10m12m。,（3）超重型动力触探（DPSH）除落距为100cm以外，与重型动力触探
16、试验要点相同。适用范围：一般用于密实的碎石或埋深较大、厚度较大的碎石土。贯入深度一般不超过20m。,资料整理 （1）实测击数的校正 轻型动力触探：实测击数N10可直接应用；重型动力触探）侧壁摩擦影响的校正：对于砂土和松散中密的原砾卵石，触探深度在115m范围内的，一般不考虑该影响；,）触探杆长度校正：当触探杆长度大于2m时，锤击数需按下式进行校正：,）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，锤击数可按下式修正：,超重型动力触探 触探杆长度及侧壁摩擦影响的校正：,（2）动贯入阻力的计算,落锤质量（kg）,触探杆（包括探头、触探杆、锤座和导向杆）的质量（kg）,对轻型动力触探
17、按每贯入30cm的击数绘制曲线； 中、重和超重型按每贯入10cm的击数绘制曲线。,成果应用 （1）确定砂土密实度或孔隙比,（2）确定地基土承载力,轻型动力触探击数确定地基土承载力,重型动力触探确定地基土承载力,超重型动力触探确定地基承载力,（3）确定桩尖持力层和单桩承载力（4）其他：评价场地均匀性，探查土洞、滑动面、软硬土层界面，检验地基加固与改良效果等。,（二）标准贯入试验,试验技术要求： （1）与钻探配合，先用钻具钻至试验土层标高以上约15cm处，以避免下层土扰动。清除孔底虚土，为防止孔中流砂或塌孔，常用泥浆护壁或下套管； （2）贯入前，检查探杆与贯入器接头，不得松脱。然后将标准贯入器放入
18、钻孔内，保持导向杆、探杆和贯入器的垂直度，以保证穿心锤中心施力，贯入器垂直打入； （3）贯入时，穿心锤落距76cm。锤击速率为1530击/min。贯入器打入土中15cm后，开始记录每打入10cm的锤击数，累计打入30cm的锤击数为标准贯入击数N。若土层较为密实，当锤击数已达50击，而贯入度未达30cm时，应记录实际贯入度并终止试验。 （4）如需进行下一深度的试验，则继续钻进重复上述步骤。一般可每隔1m进行一次试验。,标准贯入锤击数的计算：,所选取贯入量的锤击数，单位为击；,对应锤击数n的贯入量；,资料整理,当探杆长度大于3m时，进行杆长校正：,成果应用*标准贯入试验主要适用于砂土、粉土及一般黏
19、性土，不能用于碎石土。（1）确定砂土的密度,（2）确定黏性土、砂土的抗剪强度和变形参数,（3）估算波速值,（4）确定黏性土、粉土和砂土承载力,锤击数标准值,锤击数平均值,统计修正系数,变异系数,试验次数,（5）选择桩尖持力层根据国内外实践，对于打入式预制桩，常选择N=3050作为持力层；（6）判别砂土、粉土的液化,临界值,标贯点深度,地下水位深度,粘粒的百分比含量,当N63.5大于Ncr时，判为非液化；反之，液化。,五、扁铲侧胀试验,扁铲侧胀试验（DMT），也称扁胀试验，是用静力或锤击动力把扁铲形探头贯入土中，达预定试验深度后，利用气压使扁铲侧面的原型钢膜向外扩展进行试验。 适用于一般黏性土、
20、粉土、中密以下砂土和黄土等，不适用于含碎石的土、风化岩等。,DMT-W1型扁胀探头及量测仪表,膜中心的外移,膜的半径,均布荷载,扁铲侧胀试验原理,扁胀参数 （1）扁胀模量ED,膜中心外移s时所需的应力（kPa）,作用在扁胀仪上的原位应力（kPa）,（2）扁胀水平应力指数KD（水平有效应力与竖直有效应力之比）,孔隙水压力,竖向有效应力,（3）扁胀指数ID（4）扁胀孔压指数uD,初始孔压加上由于膜扩张所产生的超孔压之和,测定钢膜三个位置的压力A、B、C压力A：当膜片中心刚开始向外扩张，向垂直扁铲周围的土体水平位移0.050.02mm时，作用在膜片内侧的气压；压力B：膜片中心外移达1.100.03m
21、m时作用在膜片内侧的气压；压力C：膜片中心外移1.10mm以后，缓慢降压，使膜片内缩到刚启动前的原来位置时作用在膜片内的气压。,*在大气压下标定膜片中心外移0.05mm和1.10mm所需的压力A和B（多次测定取平均）,压力表在大气压力下的零读数,试验要求 （1）当静压扁铲探头入土的推力超过50kN，每30cm的锤击数超过15击时，为避免扁铲探头损坏，建议先钻孔，在孔底下压探头至少15cm； （2）试验点在垂直方向的间距可为0.150.30m，一般可取0.20m； （3）试验全部结束，应重新检验A和B； （4）若要估算原位的水平固结系数，可进行扁膜消散试验，从卸除推力开始，记录压力C随时间的变化
22、，记录时间可按1、2、4、8、15、30min安排。直至C压力的消散超过50%为止。,资料整理 （1）绘制P0、P1、P2随深度变化曲线 （2）绘制ED、KD、ID和uD随深度变化曲线,资料应用 （1）划分土类,（2）静止侧压力系数K0（3）土的变形系数（4）估算地基承载力,m系数，高塑性黏土m=0.44， 低塑性黏土m=0.64,与水平应力指数KD有关的函数，一般大于0.85,六、岩土体现场剪切试验,现场直剪试验（FDST）：现场岩土体上直接进行剪切试验，测定其抗剪强度参数及应力应变关系的原位测试方法。包括岩土体本身、岩土体沿软弱结构面和岩体与混凝土接触面的直剪试验三类。,试验技术要求： （
23、1）选择试验点时，对同一组试验体的地质条件应基本相同，受力状态应与岩土体在实际工程中的工作状态相近； （2）每组岩体试验不宜少于5处，面积不小于0.25m2，试验体最小边长不宜小于50cm，间距应大于最小边长的1.5倍。每组土体试验不宜少于3处，面积不小于0.1m2，高度不小于10cm或最大粒径的48倍； （3）在爆破、开挖、切样等过程中应避免对岩土试验体或软弱结构面的扰动，避免含水量的显著改变； （4）试验设备安装时，应使施加的法向荷载、剪切荷载位于剪切面、剪切缝的中心或使法向荷载与剪切荷载的合力通过剪切面中心；,（5）最大法向荷载应大于设计荷载，并按等量分级施加于不同的试验体上； （6）每
24、一试验体的法向荷载可分45级施加，当法向变形达到相对稳定时，可施加下一级荷载，直至预定压力；对土体和高含水量塑性软弱夹层，其稳定标准是：加荷后5min内百分表读数变化不超过0.05mm；对岩体或混凝土则要求5min内变化不超过0.01mm。 （7）预定法向荷载稳定后，开始按预估最大剪切荷载（或法向荷载）的5%10%分级等量施加剪切荷载。岩体按每510min，土体按每30s施加一级荷载。每级荷载施加前后各测读变形一次。当剪切变形急剧增大或剪切变形达到试验体尺寸1/10时，可终止试验。整个剪切过程中，法向荷载应始终保持常数。,资料整理与应用 （1）计算剪切面上的法向应力,剪切面上的总法向荷载（包括千斤顶施加的力、设备及试验体自重）（kN）,剪切面面积,剪切面上的剪切荷载,剪切荷载与剪切面夹角,（2）计算各级剪切荷载下剪切面上剪应力（3）绘制剪应力与剪切变形及剪应力与法向变形曲线（4）绘制法向应力与比例极限、屈服极限、峰值强度、参与强度的关系曲线,
