3　土體原位測試

本章導(dǎo)讀：

本章內(nèi)容以載荷試驗、靜力觸探、動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等常用的原位測試技術(shù)為主，同時納入了一些應(yīng)用于樁基工程中的動測技術(shù)。通過講解和課后習(xí)題訓(xùn)練旨在讓學(xué)生基本掌握巖土工程中各種常用原位測試技術(shù)的基本操作方法，了解其在工程中的作用和應(yīng)用，并能運用于工程實踐。

●基本要求　了解土體原位測試技術(shù)的基本原理、操作方法及其數(shù)據(jù)的整理。

●重點　載荷試驗、靜力觸探、動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等常見土體原位試驗方法及適用范圍，試驗要點及資料的整理及成果的應(yīng)用。

●難點　載荷試驗、靜力觸探試驗以及樁基動測法的基本原理的理解。

3．1　概　述

3．1．1　原位測試的目的與特點

巖土工程測試通常包含了室內(nèi)試驗和原位測試兩大部分。室內(nèi)試驗包含了常規(guī)的土工試驗和模型試驗，其主要優(yōu)點是可以控制試驗條件，而其根本性的缺陷則在于試驗對象難以反映其天然條件下的性狀和工作環(huán)境，抽樣的數(shù)量也相對有限，可能導(dǎo)致所測結(jié)果嚴(yán)重失真。巖土工程的原位測試是在工程現(xiàn)場，在不擾動或基本不擾動土層的情況下，通過特定的測試儀器對測試對象進行試驗，并運用巖土力學(xué)的基本原理對測試數(shù)據(jù)進行歸納、分析、抽象和推理以判斷其狀態(tài)或得出其性狀參數(shù)的綜合性試驗技術(shù)。它是一項自成體系的試驗科學(xué)，在巖土工程勘察中占有重要位置。

原位測試亦稱現(xiàn)場試驗、就地試驗或野外試驗。原位測試技術(shù)與鉆探、取樣、室內(nèi)試驗的傳統(tǒng)方法比較起來，具有下列明顯優(yōu)點：不用取樣；樣本數(shù)量大；快速、經(jīng)濟。

3．1．2　原位測試方法的分類及應(yīng)用

巖土工程檢測和監(jiān)測中的常用的原位測試技術(shù)包括：①載荷試驗（平板、螺旋板）；②靜力觸探試驗；③圓錐動力觸探試驗；④標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗；⑤十字板剪切試驗；⑥旁壓試驗；⑦現(xiàn)場剪切試驗；⑧波速試驗；⑨基樁的靜力測試和動力測試；⑩錨桿抗拔試驗等。

以上試驗技術(shù)主要用于以下幾個方面：①巖土工程勘察；②地基基礎(chǔ)的質(zhì)量檢測；③基坑開挖的檢測與監(jiān)測；④巖體原位應(yīng)力測試；⑤公路、隧道、大壩、邊坡等大型工程的監(jiān)測和檢測。除上列種類外，近年來還發(fā)展起來一些新的原位測試技術(shù)。本章主要介紹載荷試驗、靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入以及樁基動、靜力測試等基本檢測技術(shù)。

巖土工程原位測試技術(shù)是巖土工程的重要組成部分。無數(shù)實踐和理論研究表明，巖土的工程性質(zhì)測試成果會因其種類、狀態(tài)、試驗方法和技巧的不同而導(dǎo)致一定的差異，甚至相去甚遠。沈珠江院士認為，可靠的土質(zhì)參數(shù)只能通過原位測試取得。在巖土工程中，選用正確的參數(shù)遠比選用計算方法重要，因而巖土工程的原位測試在巖土工程中占據(jù)了重要的地位。

3．2　靜載荷試驗

地基靜載荷試驗包括平板載荷試驗和螺旋板載荷試驗，目的是確定地基承載力及其變性特征，螺旋板載荷試驗尚可估算地基土的固結(jié)系數(shù)。載荷試驗相當(dāng)于在工程原位進行的縮尺原型試驗，該法具有直觀和可靠性高的特點，在原位測試中占有重要地位，往往成為其他方法的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。本文僅介紹平板載荷試驗。

3．2．1　基本原理

平板載荷試驗（Plate Loading Test，簡稱PLT）是一種最傳統(tǒng)的、并被廣泛應(yīng)用的土工原位測試方法。平板載荷試驗是指在板底平整的剛性承壓板上加荷，荷載通過承壓板傳遞給地基，以測定天然埋藏條件下地基土的變形特性，評定地基土的承載力、計算地基土的變形模量并預(yù)估實體基礎(chǔ)的沉降量。平板載荷試驗的理論依據(jù)，一般是假定地基為彈性半無限體（具有變形模量E0和泊松比υ），按彈性力學(xué)的方法導(dǎo)出表面局部荷載作用下地基土的沉降量s計算公式。

3．2．2　試驗設(shè)備與方法

1）試驗設(shè)備

平板載荷試驗因試驗土層軟硬程度、壓板大小和試驗面深度等不同，采用的測試設(shè)備也很多。除早期常用的壓重加荷臺試驗裝置外，目前國內(nèi)采用的試驗裝置，大體可歸納為由承壓板、加荷系統(tǒng)、反力系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)四部分組成。加荷系統(tǒng)控制并穩(wěn)定加荷的大小，通過反力系統(tǒng)反作用于承壓板，承壓板將荷載均勻傳遞給地基土，地基土的變形由觀測系統(tǒng)測定。

（1）承壓板

承壓板材質(zhì)要求：壓板應(yīng)具有足夠的剛度，不易破損、不易撓曲，壓板底部光滑平整，尺寸和傳力重心準(zhǔn)確，搬運和安置方便。承壓板可用混凝土、鋼筋混凝土、鋼板、鑄鐵板等制成，多以肋板加固的鋼板為主。

承壓板形狀一般為正方形、矩形或圓形，其中圓形壓板受力條件較好，最為常用。

承壓板面積一般宜采用0．25～0．50 m2，對均質(zhì)密實的土，可采用0．1 m2，對軟土和人工填土，不應(yīng)小于0．5 m2。但各國和國內(nèi)各部門采用的承壓板面積規(guī)定不一，如日本常用方形900 cm2，俄羅斯常用0．5 m2，我國鐵道部第一設(shè)計院則根據(jù)自己的經(jīng)驗，按如下原則選取：

①碎石類土：壓板直徑宜大于碎石、卵石最大粒徑的10倍；

②巖石地基：壓板面積1 000 cm2；

③細顆粒土：壓板面積1 000～5 000 cm2；

④視試驗的均質(zhì)土層厚度和加荷系統(tǒng)的能力、反力系統(tǒng)的抗力等確定之，以確保載荷試驗?zāi)艿贸鰳O限荷載。

（2）加荷系統(tǒng)

根據(jù)試驗要求，采用不同規(guī)格的手動或電動控制液壓千斤頂加荷，并配備不同量程的壓力表或測力計控制加荷值。

（3）反力系統(tǒng)

加荷系統(tǒng)是指通過承壓板對地基施加荷載的裝置，一般有地錨反力裝置、壓重平臺反力裝置、錨樁橫梁反力裝置、錨樁橫梁聯(lián)合堆載反力裝置四種類型。

①地錨反力裝置。地錨反力裝置一般由千斤頂、地錨、桁架、立柱、分立柱和拉桿六部分組成，如圖3．1所示。當(dāng)加荷較小時，一般在500～1 000 kN，地錨的數(shù)量及入土深度都不大。該裝置小巧輕便、安裝簡單、成本較低，但存在荷載不易對中，油壓會產(chǎn)生過沖的問題，且在試驗過程中一旦拔出地錨，試驗將無法繼續(xù)下去。如果加荷過大，地錨數(shù)量增多且入土深度增大，結(jié)構(gòu)變得較復(fù)雜（圖3．2），安裝過程長，現(xiàn)場采用較少。

圖3．1　平板載荷試驗裝置（地錨）示意圖

圖3．2　南水北調(diào)21 000 kN基樁靜載檢測

②壓重加荷裝置。堆載反力裝置使用比較廣泛，尤其是復(fù)合地基承載力檢測應(yīng)用較多。其承重平臺搭建簡單，適合于不同荷載量試驗，可對天然地基、復(fù)合地基和工程樁進行隨機抽樣檢測，如圖3．3、圖3．4所示。在千斤頂配合下，該裝置可以將力合理的施加到承壓板上，荷載量的大小比較容易控制，但也存在荷載不易對中現(xiàn)象。

圖3．3　平板載荷試驗裝置（堆載）示意圖

圖3．4　平板載荷試驗裝置現(xiàn)場堆載

許多檢測單位使用混凝土預(yù)制塊堆重，大大減少了安裝時間，但需運輸車輛及吊車配合，試驗成本較高；使用水箱配重，試驗結(jié)束后，由于要放水，試驗后的排水工作比較難以處理。

③錨樁橫梁反力裝置。錨樁反力裝置是將被測樁周圍對稱的幾根錨樁用錨筋與反力架連接起來，依靠樁頂?shù)那Ы镯攲⒎戳茼斊?，由被連接的錨樁提供反力，提供反力的大小由錨樁數(shù)量，反力架強度和被連接錨樁的抗拔力決定。其反力系統(tǒng)通常由主梁、平臺、堆載體（錨樁）等構(gòu)成，如圖3．5、圖3．6所示。錨樁反力裝置一般不會受現(xiàn)場條件和加載噸位數(shù)的限制，當(dāng)條件允許，采用工程樁作錨樁是最經(jīng)濟的，但在試驗過程中需要觀測錨樁的上拔量，以免拔斷，造成工程損失。

圖3．5　平板載荷試驗裝置（錨樁）示意圖

圖3．6　平板載荷現(xiàn)場試驗（錨樁）

④錨樁橫梁聯(lián)合堆載反力裝置。錨樁橫梁聯(lián)合堆載反力裝置是在試樁最大加載量超過錨樁的抗拔能力時，在橫梁上放置或懸掛一定重物，由錨樁和重物共同承受千斤頂加載反力的一種方式，如圖3．7所示。其反力系統(tǒng)通常由主梁、次梁、錨樁、平臺、堆載體等構(gòu)成。對于大噸位載荷試驗，采用該法較多。

（4）量測系統(tǒng)

量測系統(tǒng)包括基準(zhǔn)梁、位移計、磁性表座、油壓表（測力環(huán)），必要時需用精密水準(zhǔn)儀配合量測。

機械類位移計可采用百分表，其最小刻度0．01 mm，量程一般為5～30 mm；電子類位移計一般具有量程大、無人為讀數(shù)誤差等特點，可以實現(xiàn)自動記錄和繪圖；油壓表多為機械式，人工測讀。

圖3．7　長峰虹口商城錨樁堆載聯(lián)合法2400T靜載試驗

測試用的儀表均需定期標(biāo)定，一般一年標(biāo)定一次或維修后標(biāo)定，標(biāo)定工作原則上由具有相應(yīng)資質(zhì)的計量局或?qū)I(yè)廠進行，并出具檢定證書。

2）測試方法及要求

（1）基本要求

①載荷試驗一般在方形試坑中進行，試坑底的寬度應(yīng)不小于承壓板寬度（或直徑）的3倍，以消除側(cè)向土自重引起的超載影響，使其達到或接近地基的半空間平面問題邊界條件的要求。試坑應(yīng)布置在有代表性地點，承壓板底面應(yīng)放置在基礎(chǔ)底面標(biāo)高處。

②為了保持測試時地基土的天然濕度與原狀結(jié)構(gòu)，測試之前，應(yīng)在坑底預(yù)留20～30 cm厚的原土層，待測試將開始時再挖去，并立即放入載荷板。對軟黏土或飽和的松散砂，在承壓板周圍應(yīng)預(yù)留20～30 cm厚的原土作為保護層；在試坑底板標(biāo)高低于地下水位時，應(yīng)先將水位降至坑底標(biāo)高以下，并在坑底鋪設(shè)2 cm厚的砂墊層，再放下承壓板等，待水位恢復(fù)后進行試驗。

③加載要求不少于8級，最大加荷不小于設(shè)計荷載的2倍（試驗樁）。第一級荷載可加等級荷載的2倍。

（2）設(shè)備安裝次序與要求

①安裝承壓板前應(yīng)整平試坑底面，鋪設(shè)1～2 cm厚的中砂墊層，并用水平尺找平，以保證承壓板與試驗面平整均勻接觸。

②安裝千斤頂、載荷臺架或反力構(gòu)架。其中心應(yīng)與承壓板中心一致。

③安裝沉降觀測裝置。其支架固定點應(yīng)設(shè)在不受土體變形影響的位置上，沉降觀測點應(yīng)對稱放置。

（3）試驗方法

安裝完畢，即可分級加荷。試驗的加載方式可采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法（慢速法）、沉降非穩(wěn)定法（快速法）和等沉降速率法，以慢速法為主?？焖俜ㄒ话? h加一級荷載，共加8～10級；穩(wěn)定法是沉降速率＜0．1 mm/h后開始加下級荷載。

①測試的第一級荷載，應(yīng)將設(shè)備的自重計入，且宜接近所卸除土的自重（相應(yīng)的沉降量不計）。以后每級荷載增量，一般取預(yù)估測試土層極限壓力的1/8～1/10。當(dāng)不宜預(yù)估其極限壓力時，對較松軟的土，每級荷載增量可采用10～25 kPa；對較堅硬的土，采用50 kPa；對硬土及軟質(zhì)巖石，采用100 kPa。

②觀測每級荷載下的沉降。慢速法要求是：a．沉降觀測時間間隔：加荷開始后，第一個30 min內(nèi)，每10 min觀測沉降一次；第二個30 min內(nèi)，每15 min觀測一次；以后每3 min進行一次。b．沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)四次觀測的沉降量，每小時累計不大于0．1 mm時，方可施加下一級荷載。

（4）相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和終止加載的條件

盡可能使最終荷載達到地基土的極限承載力，如達不到極限荷載，則最大壓力應(yīng)達到預(yù)期設(shè)計壓力的兩倍或超過第一拐點至少三級荷載，以評價承載力的安全度，但試驗終止是根據(jù)相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)或終止加載條件來控制，各規(guī)范稍有差異。

①地基土（根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》）。相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時的沉降量小于0．1 mm。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：a．承壓板周圍的土明顯側(cè)向擠出；b．沉降急劇增大，P-S曲線出現(xiàn)陡降段；c．24 h內(nèi)，沉降隨時間近等速或加速發(fā)展；d．s/b（或s/d）≥0．06（b、d為承壓板的邊長或直徑，s為最終沉降值）。

②復(fù)合地基（根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》）。相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是在1小時內(nèi)的沉降量小于0．1 mm。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：a．沉降急劇增大，土被擠出或壓板周圍出現(xiàn)明顯的隆起；b．累計沉降量大于b（或d）的6%；c．當(dāng)達不到極限荷載時，總加載量已為設(shè)計要求的2倍以上。

③基樁（根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》）。相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是在1小時內(nèi)的沉降量小于0．1 mm。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：a．某級荷載作用下，其沉降為上級的5倍；b．某級荷載作用下，其沉降為上級的2倍，且經(jīng)24 h尚未達到穩(wěn)定；c．已達到錨樁的最大抗拔力或壓重平臺的最大重量時。

注意：當(dāng)需要卸荷觀測回彈時，每級卸荷量可為加荷量的2倍，歷時1 h，每隔15 min觀測一次。荷載完全卸除后，繼續(xù)觀測3 h。

3．2．3　數(shù)據(jù)整理及成果應(yīng)用

大量實測結(jié)果表明，當(dāng)?shù)鼗恋木鶆蛐陨锌汕覝y試過程正常時，測試得出的主要曲線（p-s曲線）是比較光滑的。在資料分析階段發(fā)現(xiàn)個別點數(shù)據(jù)異常時，只要不對結(jié)果的判釋有太大的影響，可以將其舍去。若測試中的異常點過多，則該次試驗為不合格，應(yīng)重新進行試驗。

對位于承壓板上百分表的現(xiàn)場記錄讀數(shù)，求取其平均值，計算出各級荷載下各觀測時間的累計沉降量，對于監(jiān)測地面位移的百分表，分別計算出各地面百分表的累計升降量。經(jīng)確認無誤后，可以繪制所需要的各種實測曲線，供進一步分析之用。

1）數(shù)據(jù)整理

地基靜載試驗主要應(yīng)繪制P-S曲線，但根據(jù)需要，還可繪制各級荷載作用下的沉降和時間之間的關(guān)系曲線以及地面變形曲線。確定單樁豎向抗壓承載力時，應(yīng)繪制豎向荷載—沉降（Q-S）、沉降—時間對數(shù)（S-lg t）曲線，需要時也可繪制其他輔助分析所需曲線。

各類曲線如圖3．8、圖3．9和圖3．10所示。

圖3．8　靜載試驗P-S曲線

圖3．9　靜載試驗S-lg t曲線

圖3．10　靜載試驗S-lg P曲線

當(dāng)進行樁身應(yīng)力、應(yīng)變和樁底反力測定時，應(yīng)整理出有關(guān)數(shù)據(jù)的記錄表，并按規(guī)范繪制樁身軸力分布圖、計算不同土層的分層側(cè)摩阻力和端阻力值。

2）試驗成果的應(yīng)用

靜載試驗一般用于確定地基承載力、地基變形模量和基床系數(shù)。以下介紹這些參數(shù)的計算取值方法。

（1）確定地基土承載力特征值f ak

確定地基的承載力時既要控制強度，又要能確保建筑物不致產(chǎn)生過大沉降。安全系數(shù)取值不小于2，但具體到各類工程時側(cè)重點有所不同，這與工程的使用要求和使用環(huán)境有關(guān)。鐵路建筑物一般以強度控制為主、變形控制為輔；工業(yè)與民用建筑則一般以變形控制為主、強度控制為輔。

《地基規(guī)范》附錄C對于確定地基承載力的規(guī)定如下：

①當(dāng)P-S曲線上有明確的比例界限時，取該比例界限所對應(yīng)的荷載值；

②當(dāng)極限荷載小于對應(yīng)比例界限的荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半；

③當(dāng)不能按上述二款要求確定時，當(dāng)壓板面積為0．25～0．5 m2，可取S/b＝0．01～0．015所對應(yīng)的荷載，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。

在求得地基承載力實測值后，按下述方法確定地基承載力特征值：同一土層參加統(tǒng)計的試驗點不應(yīng)少于3點，當(dāng)試驗實測值的極差不超過其平均值的30%時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值f ak。

（2）計算地基土變形模量E0

根據(jù)荷載—沉降曲線，如圖3．11，曲線前部的OA段大致成直線，說明地基的壓力與變形呈線性關(guān)系，地基的變形計算可應(yīng)用彈性理論公式算出土的變形模量E0。

具體做法：在P-S曲線的直線段OA上可以任選一點P和對應(yīng)的S，代入公式（3．1）或（3．2），即可算出壓板下壓縮土層（大致3B或3D厚）內(nèi)的平均E0值，并可用于計算地基沉降。

圖3．11　靜載試驗荷載—沉降曲線

式中 μ——泊松比，可根據(jù)經(jīng)驗或手冊的建議值確定（卵石、碎石取0．27；砂、粉土為0．3；粉質(zhì)黏土為0．35；黏土為0．42；在不排水條件下的飽和黏性土可取0．5）；

E0——地基土的變形模量；其他符號同前。

（3）確定地基土的基床系數(shù)

荷載—沉降曲線前部直線段的坡度，即壓力與變形比值P/S，稱為地基基床系數(shù)k（kN/m3），這是一個反映地基彈性性質(zhì)的重要指標(biāo)，在遇到基礎(chǔ)的沉降和變形問題，特別是考慮地基與基礎(chǔ)的共同作用時，經(jīng)常需要用到這一參數(shù)。地基基床系數(shù)k可以直接按定義確定。

［例3．1］ 如載荷試驗中采用直徑1．128 m的圓形壓板，得出的P-S曲線如圖3．11所示，已知壓板下的地基土較為均勻，其橫向變形系數(shù)ν可取為0．25。試根據(jù)該圖確定該地基土的極限荷載Pl、承載力實測值f ak、基床系數(shù)k和變形模量E0。

解：按該圖得到A點對應(yīng)的荷載為350 kPa，相應(yīng)的壓板沉降量為12．4 mm，C點對應(yīng)的荷載為500 kPa。故得到地基土的比例界限為350 kPa，極限荷載Pl為500 kPa。按規(guī)范的規(guī)定，因為比例界限不是很清晰，而極限荷載容易確定且極限荷載小于對應(yīng)比例界限的2倍，故取極限荷載的一半作為該試驗點的承載力實測值，即為250 kPa。

從上述計算過程可以看出，在數(shù)據(jù)處理和分析過程中不是太精確，規(guī)范的規(guī)定對很多情況也不是太明確，一般應(yīng)借助于經(jīng)驗和理論知識，且應(yīng)偏于安全。

3．3　靜力觸探試驗

靜力觸探測試〔Static Cone Penetration Test〕簡稱靜探（CPT），是把一定規(guī)格的圓錐形探頭借助機械勻速壓入土中，并測定探頭阻力等的一種測試方法。由于貫入阻力的大小與土層的性質(zhì)有關(guān)，因此通過貫入阻力的變化情況，可以達到了解土層的工程性質(zhì)的目的。

目前，在我國使用的靜力觸探儀以電測式為主。

靜力觸探試驗可根據(jù)工程需要采用單橋探頭、雙橋探頭或帶孔隙水壓力量測的單、雙橋探頭對地基土進行力學(xué)分層并判別土的類型，確定地基土的參數(shù)（強度、模量、狀態(tài)、應(yīng)力歷史）、砂土液化可能性、淺基承載力、單樁豎向承載力等。靜力觸探試驗適用于軟土、一般黏性土、粉土、砂土和含少量碎石的土。靜力觸探的主要缺點是對碎石類土和密實砂土難以貫入，也不能直接觀測土層。在地質(zhì)勘探工作中，靜力觸探常和鉆探取樣聯(lián)合運用。

3．3．1　基本原理

綜觀國內(nèi)外的研究，一般都用純砂作為試驗介質(zhì)。這主要是因為砂只有內(nèi)摩擦角一個抗剪強度指標(biāo)，便于解釋靜力觸探機理，但用純砂不便于研究孔壓觸探機理，因為純砂中難以測得觸探時產(chǎn)生的超孔隙水壓力。為此，中國地質(zhì)大學(xué)進行了以黏土為介質(zhì)的原型試驗，并取得了一定的研究成果。但由于土的不確定性和復(fù)雜性，以及觸探時產(chǎn)生的土層大變形等，都對機理研究帶來很大困難。因此，截至目前，觸探機理的理論研究成果仍不盡人意，很多方面的研究還在探索之中。

1）承載力理論

由于CPT的貫入類似于樁的貫入過程，故很早就有人將兩者進行比較，提出用深基礎(chǔ)極限承載力的相關(guān)理論來解釋靜力觸探的工作機理，并由靜力觸探的測試結(jié)果推導(dǎo)深基礎(chǔ)的極限承載力，如圖3．12所示。

基本思路是假設(shè)地基為剛塑體，在極限荷載的作用下地基中出現(xiàn)滑裂面（不同學(xué)者假定了不同的滑裂面），由此導(dǎo)出探頭阻力和基礎(chǔ)承載力之間的關(guān)系式。

圖3．12　深基礎(chǔ)的破壞模式

然而，由傳統(tǒng)極限狀態(tài)出發(fā)的理論不能解釋穩(wěn)定貫入的許多特征，基于對滑移破壞面的不同假設(shè)而得出的結(jié)果也差異頗大。其根源可能與該法將地基土理想化為剛塑體有關(guān)。靜力觸探的實際貫入過程主要還存在迫使土體產(chǎn)生壓縮，這與樁的貫入是有差異的；另外，作用荷載的性質(zhì)也有差異。但有意思的是，Janbu等人的理論結(jié)果和實測值相當(dāng)吻合。有人認為，這是理論本身內(nèi)含的正負影響因素相互抵消而致。

2）孔穴擴張理論

孔穴擴張法（Cavities Expansion Methods，簡稱CEM），源于彈性理論無限均質(zhì)各向同性彈性體中圓柱形或球形孔穴受均布壓力作用問題。該理論最初用于金屬壓力加工分析，隨后引入土力學(xué)中，用柱狀孔穴擴張解釋旁壓試驗機理和沉樁，用球形孔穴擴張來估算深基礎(chǔ)承載力和沉樁對周圍土體的影響。

圖3．13　球形孔穴附近的塑性區(qū)域

球穴在均布內(nèi)壓P作用下的擴張情況如圖3．13所示。當(dāng)P逐步增加時，孔周區(qū)域?qū)⒂蓮椥誀顟B(tài)進入塑性狀態(tài)。塑性區(qū)隨P值的增加而不斷擴大。設(shè)孔穴初始半徑為R0，擴張后半徑為R u，塑性區(qū)最大半徑為R p，相應(yīng)的孔內(nèi)壓力最終值為P u，在半徑R p以外的土體仍保持彈性狀態(tài)。圓柱形孔穴在內(nèi)壓力下的擴張情況與上類似，只不過一個屬于球?qū)ΨQ情況，另一個屬于軸對稱情況。

用孔穴擴張理論來研究CPT的機理有兩種實用成果，即估算靜力觸探的貫入阻力和在飽和黏土中不排水貫入時初始孔隙水壓的分布?？籽〝U張理論用于靜力觸探的機理分析主要有兩點不足：一是靜力觸探時的土體位移實際上并不是球?qū)ΨQ或軸對稱的；另外是隨著探頭的貫入，孔穴中心實際上是在不斷向下移動的，而并非是固定在一個位置。

除了上述理論外，還有將觀察點固定在探頭上，將土體視為流體的研究方法，以及有限單元法等，都獲得了不少研究成果，但也都有其不足之處。

3．3．2　試驗設(shè)備與方法

1）試驗設(shè)備

靜力觸探設(shè)備試驗由加壓裝置、反力裝置、探頭及量測記錄儀器等四部分組成：

（1）加壓裝置

加壓裝置的作用是將探頭壓入土層中，按加壓方式可分為下列幾種：

①手搖式輕型靜力觸探：利用搖柄、鏈條、齒輪等用人力將探頭壓入土中。用于較大設(shè)備難以進入的狹小場地的淺層地基土的現(xiàn)場測試。

②齒輪機械式靜力觸探：主要組成部件有變速馬達（功率2．8～3 kW）、傘形齒輪、絲桿、稻香滑塊、支架、底板、導(dǎo)向輪等。其結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，既可單獨落地組裝，也可裝在汽車上，但貫入力小，貫入深度有限。

③全液壓傳動靜力觸探：分單缸和雙缸兩種。主要組成部件有油缸和固定油缸底座、油泵、分壓閥、高壓油管、壓桿器和導(dǎo)向輪等。目前在國內(nèi)使用液壓靜力觸探儀比較普遍，一般最大貫入力可達200 kN。

（2）反力裝置

靜力觸探的反力用以下3種形式解決：

①利用地錨作反力：當(dāng)?shù)乇碛幸粚虞^硬的黏性土覆蓋層時，可以是使用2～4個或更多的地錨作反力，視所需反力大小而定。錨的長度一般1．5m左右，葉片的直徑可分成多種，如25 cm、30 cm、35 cm、40 cm，以適應(yīng)各種情況。

②用重物作反力：如地表土為砂礫、碎石土等，地錨難以下入，此時只有采用壓重物來解決反力問題，即在觸探架上壓以足夠的重物，如鋼軌、鋼錠、生鐵塊等。軟土地基貫入30 m以內(nèi)的深度，一般需壓重物40～50 kN。

③利用車輛自重作反力：將整個觸探設(shè)備裝在載重汽車上，利用載重汽車的自重作反力。貫入設(shè)備裝在汽車上工作方便，工效比較高，但由于汽車底盤距地面過高，使鉆桿施力點距離地面的自由長度過大，當(dāng)下部遇到硬層而使貫入阻力突然增大時易使鉆桿彎曲或折斷，應(yīng)考慮降低施力點距地面的高度。

觸探鉆桿通常用外徑φ32～35 mm、壁厚為5 mm以上的高強度無縫鋼管制成，也可用φ42 mm的無縫鋼管。為了使用方便，每根觸探桿的長度以1 m為宜，鉆桿接頭宜采用平接，以減小壓入過程中鉆桿與土的摩擦力。

（3）探頭

①探頭的工作原理。將探頭壓入土中時，由于土層的阻力，使探頭受到一定的壓力。土層的強度愈高，探頭所受到的壓力愈大。通過探頭內(nèi)的阻力傳感器（以下簡稱傳感器），將土層的阻力轉(zhuǎn)換為電訊號，然后由儀表測量出來。為了實現(xiàn)這個目的，需運用三個方面的原理，即材料彈性變形的虎克定律、電量變化的電阻率定律和電橋原理。

傳感器受力后要產(chǎn)生變形。根據(jù)彈性力學(xué)原理，如應(yīng)力不超過材料的彈性范圍，其應(yīng)變的大小與土的阻力大小成正比，而與傳感器截面積成反比。因此，只要能將傳感器的應(yīng)變大小測量出，即可知土阻力的大小，從而求得土的有關(guān)力學(xué)指標(biāo)。

如果在傳感器上貼上電阻應(yīng)變片，當(dāng)傳感器受力變形時，應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變從而引起應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化，根據(jù)電阻定律，應(yīng)變片的阻值變化與電阻絲的長度變化成正比，與電阻絲的截面積變化成反比，這樣就能將傳感器的變形轉(zhuǎn)化為電阻的變化。但由于傳感器在彈性范圍內(nèi)的變形很小，引起電阻的變化也很小，不易測量出來。為此，在傳感器上貼一組電阻應(yīng)變片，組成一個電橋電路，使電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過放大，就可以測量出來。因此，靜力觸探就是通過探頭傳感器實現(xiàn)一系列量的轉(zhuǎn)換：土的強度—土的阻力—傳感器的應(yīng)變—電阻的變化—電壓的輸出，最后由電子儀器放大和記錄下來，達到測定土強度和其他指標(biāo)的目的。

②探頭的結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)用的探頭有3種：單橋探頭、雙橋探頭、孔壓探頭（即在單橋或雙橋探頭的基礎(chǔ)上增加了能量側(cè)孔隙水壓力的功能）。

a．單橋探頭：單橋探頭由帶外套筒的錐頭、彈性元件（傳感器）、頂柱和電阻應(yīng)變片組成（見圖3．14），錐底的截面積規(guī)格不一，常用的探頭型號及規(guī)格見表3．1，其中有效側(cè)壁長度為錐底直徑的1．6倍。

圖3．14　單橋探頭結(jié)構(gòu)示意圖

表3．1　單橋探頭的規(guī)格

b．雙橋探頭：單橋探頭雖帶有側(cè)壁摩擦套筒，但不能分別測出錐頭阻力和側(cè)壁摩擦阻力。雙橋探頭除錐頭傳感器外，還有側(cè)壁摩擦傳感器及摩擦套筒。側(cè)壁摩擦套筒的尺寸與錐底面積有關(guān)。雙橋探頭結(jié)構(gòu)見圖3．15，其規(guī)格見表3．2。

圖3．15　雙橋探頭結(jié)構(gòu)示意圖
1—傳力桿；2—摩擦傳感器；3—摩擦筒；4—錐尖傳感器；
5—頂柱；6—電阻應(yīng)變片；7—鋼珠；8—錐尖頭

表3．2　雙橋探頭的規(guī)格

③探頭的密封及標(biāo)定。要保證傳感器高精度地進行工作，就必須采取密封、防潮措施，否則因傳感器受潮而降低其絕緣電阻，使零漂增大，嚴(yán)重時電橋不能平衡，測試工作無法進行。密封方法有包裹法、堵塞法、充填法等。用充填法時應(yīng)注意利用中性填料，且填料要呈軟膏狀，以免對應(yīng)變片產(chǎn)生腐蝕或影響信號的傳遞。

目前國內(nèi)較常用的密封防水方法是在探頭絲扣接口處涂上一層高分子液態(tài)橡膠，然后將絲扣上緊。在電纜引出端，用厚的橡膠墊圈及銅墊圈壓緊，使其與電纜緊密接觸，起到密封的作用，而摩擦傳感器則采用自行車內(nèi)輪胎的橡膠膜套上，兩端用尼龍線扎緊，對于摩擦傳感器與上接頭連接的伸縮縫，可用彈性和密封性能都好的704硅橡膠填充。

密封好的探頭要進行標(biāo)定，找出探頭內(nèi)傳感器的應(yīng)變值與貫入阻力之間的關(guān)系后才能使用。標(biāo)定工作可在特制的磅秤架上進行，也可在材料實驗室利用50～100 kN的壓力機進行，但最好是使用30～50 kN的標(biāo)準(zhǔn)測力計，這樣能在野外工作過程中隨時標(biāo)定，方便且精度較高。

每個傳感器需標(biāo)定3～4次，每次需轉(zhuǎn)換不同方位。標(biāo)定過程應(yīng)耐心細致，加荷速度要慢。將標(biāo)定結(jié)果繪在坐標(biāo)紙上，縱坐標(biāo)代表壓力，橫坐標(biāo)代表輸出電壓（單位：mV）或微應(yīng)變（單位：με）。在正常情況下，各標(biāo)定的點應(yīng)在一條通過原點的直線上，如不通過原點，且截距較大時，可能是應(yīng)變片未貼好，或探頭結(jié)構(gòu)上存在問題，應(yīng)找出原因后采取措施。

（4）量測記錄儀器

我國的靜力觸探幾乎全部采用電阻應(yīng)變式傳感器。因此，與其配套的記錄儀器主要有以下4種類型：電阻應(yīng)變儀，自動記錄繪圖儀，數(shù)字式測力儀，數(shù)據(jù)采集儀（微機控制）。

①電阻應(yīng)變儀。從20世紀(jì)60年代起至70年代中期，一直是采用電阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變儀具有靈敏度高、測量范圍大、精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但其操作是靠手動調(diào)節(jié)平衡，跟蹤讀數(shù)，容易造成誤差；因為是人工記錄，故不能連續(xù)讀數(shù)，不能得到連續(xù)變化的觸探曲線。

②自動記錄儀。我國現(xiàn)在生產(chǎn)的靜力觸探自動記錄儀都是用電子電位差計改裝的。這些電子電位差計都只有一種量程范圍。為了在阻力大的地層中能測出探頭的額定阻力值，也為了在軟層中能保證測量精度，一般都采用改變供橋電壓的方法來實現(xiàn)。早期的儀器為可選式固定橋壓法，一般分成3～5擋，橋壓分別為2、4、6、8、10 V，可根據(jù)地層的軟硬程度選擇。這種方式的優(yōu)點是電壓穩(wěn)定，可靠性強；但資料整理工作量大?，F(xiàn)在已有可使供橋電壓連續(xù)可調(diào)的自動記錄儀。

③數(shù)字式測力儀。數(shù)字式測力儀是一種精密的測試儀表。這種儀器能顯示多位數(shù)，具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便、能直讀貫入總阻力和計算貫入指標(biāo)簡單等優(yōu)點，是輕便鏈?zhǔn)绞职搴挽o力觸探兩用機的配套量測儀表。國內(nèi)已有多家生產(chǎn)。這種儀器的缺點是間隔讀數(shù)，手工記錄。

④微機在靜探中的應(yīng)用。以上介紹的各種儀器的功能均比較簡單，雖然能滿足一般生產(chǎn)的需要，但資料整理時工作量大，效率低。用微型計算機采集和處理數(shù)據(jù)已在靜力觸探測試中得到了廣泛應(yīng)用。計算機控制的實時操作系統(tǒng)使得觸探時可同時繪制錐尖阻力與深度關(guān)系曲線，側(cè)壁摩阻力與深度關(guān)系曲線，終孔時，可自動繪制摩阻比與深度關(guān)系曲線。通過人機對話能進行土的分層，并能自動繪制出分層柱狀圖，打印出各層層號、層面高程、層厚、標(biāo)高以及觸探參數(shù)值。

2）試驗方法及注意事項

（1）操作方法

①將觸探機就位后，應(yīng)調(diào)平機座，并使用水平尺校準(zhǔn)，使貫入壓力保持豎直方向，并使機座與反力裝置銜接、鎖定。當(dāng)觸探機不能按指定孔位安裝時，應(yīng)將移動后的孔位和地面高程記錄清楚。

②探頭、電纜、記錄儀器的接插和調(diào)試，必須按有關(guān)說明書要求進行。

③觸探機的貫入速率，應(yīng)控制在1～2 cm/s內(nèi)，一般為2 cm/s；使用手搖式觸探機時，手把轉(zhuǎn)速應(yīng)力求均勻。

④在地下水埋藏較深的地區(qū)使用孔壓探頭觸探時，應(yīng)先使用外徑不小于孔壓探頭的單橋或雙橋探頭開孔至地下水位以下，而后向孔內(nèi)注水至與地面平，再換用孔壓探頭觸探。

⑤探頭的歸零檢查應(yīng)按下列要求進行：a．使用單橋或雙橋探頭時，當(dāng)貫入地面以下0．5～1．0 m后，上提5～10 cm，待讀數(shù)漂移穩(wěn)定后，將儀表調(diào)零即可正式貫入。在地面以下1～6 m內(nèi)，每貫入1～2 m提升探頭5～10 cm，并記錄探頭不歸零讀數(shù)，隨即將儀器調(diào)零?？咨畛^6 m后，可根據(jù)不歸零讀數(shù)之大小，放寬歸零檢查的深度間隔。終孔起拔時和探頭拔出地面后，亦應(yīng)記錄不歸零讀數(shù)。b．使用孔壓探頭時，在整個貫入過程中不得提升探頭。終孔后，待探頭剛一提出地面時，應(yīng)立即卸下濾水器，記錄不歸零讀數(shù)。

⑥使用記讀式儀器時，每貫入0．1 m或0．2 m應(yīng)記錄一次讀數(shù)；使用自動記錄儀時，應(yīng)隨時注意橋壓、走紙和劃線情況，做好深度和歸零檢查的標(biāo)注工作。

⑦若計深標(biāo)尺設(shè)置在觸探主機上，則貫入深度應(yīng)以探頭、探桿入土的實際長度為準(zhǔn)，每貫入3～4 m校核一次。當(dāng)記錄深度與實際貫入長度不符時，應(yīng)在記錄本上標(biāo)注清楚，作為深度修正的依據(jù)。

⑧當(dāng)在預(yù)定深度進行孔壓消散試驗時，應(yīng)從探頭停止貫入之時起，用秒表記時，記錄不同時刻的孔壓值和錐尖阻力值。其計時間隔應(yīng)由密至疏，合理控制。在此試驗過程中，不得松動、碰撞探桿，也不得施加能使探桿產(chǎn)生上、下位移的力。

⑨對于需要作孔壓消散試驗的土層，若場區(qū)的地下水位未知或不確切，則至少應(yīng)有一孔孔壓消散達到穩(wěn)定值，以連續(xù)2 h內(nèi)孔壓值不變?yōu)榉€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。其他各孔、各試驗點的孔壓消散程度，可視地層情況和設(shè)計要求而定，一般當(dāng)固結(jié)度達60%～70%時，即可終止消散試驗。

⑩遇下列情況之一者，應(yīng)停止貫入，并應(yīng)在記錄表上注明。a．觸探主機負荷達到其額定荷載的120%時；b．貫入時探桿出現(xiàn)明顯彎曲；c．反力裝置失效；d．探頭負荷達到額定荷載時；e．記錄儀器顯示異常。

起拔最初幾根探桿時，應(yīng)注意觀察、測量探桿表面干、濕分界線距地面的深度，并填入記錄表的備注欄內(nèi)或標(biāo)注于記錄紙上。同時，應(yīng)于收工前在觸探孔內(nèi)測量地下水位埋藏深度；有條件時，宜于次日核查地下水位。

將探頭拔出地面后，應(yīng)對探頭進行檢查、清理。當(dāng)移位于第二個觸探孔時，應(yīng)對孔壓探頭的應(yīng)變腔和濾水器重新進行脫氣處理。

記錄人員必須按記錄表要求用鉛筆逐項填記清楚，記錄表格式，可按以上測試項目制作。

（2）注意事項

①保證行車安全，中速行駛，以免觸探車上儀器設(shè)備被顛壞。

②觸探孔要避開地下設(shè)施（管路、地下電纜等），以免發(fā)生意外。

③安全用電，嚴(yán)防觸（漏）電事故。工作現(xiàn)場應(yīng)盡量避開高壓線、大功率電機及變壓器，以保證人身安全和儀表正常工作。

④在貫入過程中，各操作人員要相互配合，尤其是操縱臺人員，要嚴(yán)肅認真、全神貫注，以免發(fā)生儀器設(shè)備事故或人身安全事故。司機要堅守崗位，及時觀察車體傾斜、地鋪松動等情況，并及時通報車上操作人員。

⑤精心保護好儀器，須采取防雨、防潮、防震措施。

⑥觸探車不用時，要及時用支腿架起，以免汽車彈簧鋼板過早疲勞。

⑦保護好探頭，嚴(yán)禁摔打探頭；避免探頭暴曬和受凍；不許用電纜線拉探頭；裝卸探頭時，只可轉(zhuǎn)動探桿，不可轉(zhuǎn)動探頭；接探桿時，一定要擰緊，以防止孔斜。

⑧當(dāng)貫入深度較大時，探頭可能會偏離鉛垂方向，使所測深度不準(zhǔn)確。為了減少偏移，要求所用探桿必須是平直的，并要保證在最初貫入時不應(yīng)有側(cè)向推力。當(dāng)遇到硬巖土層以及石頭、磚瓦等障礙物時，要特別注意探頭可能發(fā)生偏移的情況。國外一些工程中，已把測斜儀裝入探頭，以測其偏移量，這對成果分析很重要。

⑨錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力雖是同時測出的，但所處的深度是不同的。當(dāng)對某一深度處的錐頭阻力和摩阻力作比較時，例如計算摩阻比時，須考慮探頭底面和摩擦筒中點的距離，如貫入第一個10 cm時，只記錄q c；從第二個10 cm以后才開始同時記錄q c和f s。

⑩在鉆孔、觸探孔、十字板試驗孔旁邊進行觸探時，離原有孔的距離應(yīng)大于原有孔徑的20～25倍，以防土層擾動。如要求精度較低時，兩孔距離也可適當(dāng)縮小。

3．3．3　數(shù)據(jù)整理與成果應(yīng)用

單孔觸探成果應(yīng)包括以下幾項基本內(nèi)容：a．各觸探參數(shù)隨深度的分布曲線；b．土層名稱及潮濕程度（或稠度狀態(tài)）；c．各層土的觸探參數(shù)值和地基參數(shù)值；d．對于孔壓觸探，如果進行了孔壓消散試驗，尚應(yīng)附上孔壓隨時間而變化的過程曲線，必要時，可附上錐尖阻力隨時間而改變的過程曲線。

1）原始數(shù)據(jù)的修正

在貫入過程中，探頭受摩擦而發(fā)熱，探桿會傾斜和彎曲，探頭入土深度很大時探桿會有一定量的壓縮，儀器記錄深度的起始面與地面不重合，等等，這些因素會使測試結(jié)果產(chǎn)生偏差。因而原始數(shù)據(jù)一般應(yīng)進行修正。修正的方法一般按《靜力觸探技術(shù)規(guī)程》TBJ 37—93的規(guī)定進行。主要應(yīng)注意深度修正和零漂處理。

（1）深度修正

當(dāng)記錄深度于實際深度有出入時，應(yīng)按深度線性修正深度誤差。對于因探桿傾斜而產(chǎn)生的深度誤差可按下述方法修正：

觸探的同時量測觸探桿的偏斜角（相對鉛垂線），如每貫入1 m測了1次偏斜角，則該段的貫入修正量為：

式中 Δhi——第i段貫入深度修正量；

θi，θi－1——第i次和第i－1次實測的偏斜角。

觸探結(jié)束時的總修正量為ΣΔhi，實際的貫入深度應(yīng)為h－ΣΔhi。

實際操作時應(yīng)盡量避免過大的傾斜、探桿彎曲和機具方面產(chǎn)生的誤差。

（2）零漂修正

一般根據(jù)歸零檢查的深度間隔按線性內(nèi)查法對測試值加以修正。修正時應(yīng)注意不要形成人為的臺階。

2）觸探曲線的繪制

當(dāng)使用自動化程度高的觸探儀器時，需要的曲線均可自動繪制，只有在人工讀數(shù)記錄時才需要根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制曲線。

需要繪制的觸探曲線包括p s-h或q c-h、f s-h和Rf-h曲線。

3）成果應(yīng)用

靜力觸探試驗成果可用于以下方面：a．查明地基土在水平方向和垂直方向的變化，劃分土層，確定土的類別；b．確定建筑物地基土的承載力和變形模量以及其他物理力學(xué)指標(biāo)；c．選擇樁基持力層，預(yù)估單樁承載力，判別樁基沉入的可能性；d．檢查填土及其他人工加固地基的密實程度和均勻性，判別砂土的密度及其在地震作用下的液化可能性；e．濕陷性黃土地區(qū)用來查找浸水濕陷事故的范圍和界線。

（1）按貫入阻力進行土層分類

①分類方法。利用靜力觸探進行土層分類，由于不同類型的土可能有相同的p s、q c或f s值，因此單靠某個指標(biāo)，是無法對土層進行正確分類的。在利用貫入阻力進行分層時，應(yīng)結(jié)合鉆孔資料進行判別分類。使用雙橋探頭時，由于不同土的q c和f s值不可能都相同，因而可以利用q c和f s/q c（摩阻比）兩個指標(biāo)來區(qū)分土層類別。對比結(jié)果證明，用這種方法劃分土層類別效果較好。

②利用q c和f s/q c分類的一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)（見表3．3）。

表3．3　按靜力觸探指標(biāo)劃分土類

③鐵道部《靜力觸探技術(shù)規(guī)則》（1989年）使用雙橋探頭資料，可按圖3．16劃分土類。

圖3．16　土的分類圖（雙橋探頭法TBJ 37—93）

（2）確定地基土的承載力

利用靜力觸探確定地基土的承載力，國內(nèi)外都是根據(jù)對比試驗結(jié)果提出經(jīng)驗公式。建立經(jīng)驗公式的途徑主要是將靜力觸探試驗結(jié)果與載荷試驗求得的比例界限值進行對比，并通過對比數(shù)據(jù)的相關(guān)分析得到用于特定地區(qū)或特定土性的經(jīng)驗公式。對于粉土則采用下式：

式中 f o——地基承載力基本值，kPa；

p s——單橋探頭的比貫入阻力，單位為MPa。

（3）確定不排水抗剪強度C u值

用靜力觸探求飽和軟黏土的不排水綜合抗剪強度（C u），目前是用靜力觸探成果與十字板剪切試驗成果對比，建立p s與C u之間的關(guān)系，以求得C u值，其相關(guān)式見表3．4。

表3．4　軟土C u（kPa）與p s、q c （MPa）相關(guān)公式

（4）確定土的變形性質(zhì)指標(biāo)

①基本公式：Buisman曾建議砂土的E s-q c關(guān)系式為：

式中 E s——固結(jié)試驗求得的壓縮模量，MPa。

該公式是由下列假設(shè)推出來的：a．觸探頭類似壓進半無限彈性壓縮體的圓錐；b．壓縮模量是常數(shù)，并且等于固結(jié)試驗的壓縮模量E s；c．應(yīng)力分布的Boussinesq理論是適用的；d．與土的自重應(yīng)力σ0相比，應(yīng)力增量Δσ很小。

②E0、p s和E s、p s的經(jīng)驗式列于表3．5。

表3．5　按比貫入阻力p s確定E0和E s

（5）估算單樁承載力

靜力觸探試驗可以看作一小直徑樁的現(xiàn)場載荷試驗。對比結(jié)果表明，用靜力觸探成果估算單樁極限承載力是行之有效的。通常是雙橋探頭實測曲線進行估算。現(xiàn)將采用雙橋探頭實測曲線估算單樁承載力的經(jīng)驗式介紹如下。

按雙橋探頭q c、f s估算單樁豎向承載力計算式如下：

式中 p u——單樁豎向極限承載力，kN；

a——樁尖阻力修正系數(shù)，對黏性土取2/3，對飽和砂土取1/2；

q c——樁端上下探頭阻力，取樁尖平面以上4d（d為樁的直徑）范圍內(nèi)按厚度的加權(quán)平均

值，然后再和樁尖平面以下1d范圍的q c值平均，kPa；

fsi——第i層土的探頭側(cè)壁摩阻力，kPa；

i——第i層土樁身側(cè)摩阻力修正系數(shù)，按下式計算：

式中 Up——樁身周長，m。

確定樁的承載力時，安全系數(shù)取2～2．5，以端承力為主時取2，以摩阻力為主時取2．5。

除了在上述方面有著廣泛的應(yīng)用外，靜力觸探技術(shù)還可用于推求土的物性參數(shù)（密度、密實度等）、力學(xué)參數(shù)（c、φ、E0、E s等），檢驗地基處理后的效果，測定滑坡的滑動面以及判斷地基的液化可能性等。

3．4　圓錐動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

由于動力觸探試驗具有簡易快速及適應(yīng)性廣等突出優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。對難以取原狀土樣的無黏性土和用靜探難以貫入的卵礫石層，圓錐動力觸探是十分有效的勘測和檢驗手段。

3．4．1　基本原理

動力觸探是將重錘打擊在一根細長桿件（探桿）上，錘擊會在探桿和土體中產(chǎn)生應(yīng)力波，如果略去土體震動的影響，那么動力觸探錘擊貫入過程可用一維波動方程來描述。

動力觸探基本原理也可以用能量平衡法來分析，現(xiàn)將分析方法敘述如下。

對于一次錘擊作用下的功能轉(zhuǎn)換，按能量守恒原理，其關(guān)系可寫成：

式中 E m——穿心錘下落能量；

E k——錘與觸探器碰撞時損失的能量；

E e——觸探器彈性變形所消耗的能量；

E f——貫入時用于克服桿側(cè)壁摩阻力所耗能量；

E p——由于土的塑性變形而消耗的能量；

E e——由于土的彈性變形而消耗的能量。

各項能量的計算式如下：

落錘能量：

式中 M——重錘質(zhì)量；

h——重錘落距；

g——重力加速度；

η——落錘效率（考慮受繩索、卷筒等摩擦的影響，當(dāng)采用自動脫鉤裝置時η＝1）。

碰撞時的能耗，根據(jù)牛頓碰撞理論得：

式中 m——觸探器質(zhì)量；

k——與碰撞體材料性質(zhì)有關(guān)的碰撞作用恢復(fù)系數(shù)。

觸探器彈性變形的能耗：

式中 l——觸探器貫入部分長度；

E——探桿材料彈性模量；

a——探桿截面積；

R——土對探頭的貫入總阻力，kN。

土的塑性變形能：

式中 S p——每錘擊后土的永久變形量（可按每錘擊時實測貫入度e計）。

土的彈性變形能：

式中 S e——每錘擊時土的彈性變形量。

S e值在試驗時未測出，可利用無限半空間上作用集中荷載時的明德林（Mindlin）解答并通過擊數(shù)與土的剛度建立的如下關(guān)系確定。

式中 D——探頭直徑，m；

A——探頭截面積，m2；

N——永久貫入量為0．1 m時的擊數(shù)；

p0——基準(zhǔn)壓力，P0＝1 kPa；

β——土的剛度系數(shù)（經(jīng)驗值：黏性土，β＝800；砂土，β＝4 000）。

將式（3．8）—式（3．14）合并整理得：

式中 f——土對探桿側(cè)壁摩擦力，kN。

如果將探桿假定為剛性體（即桿無變形），不考慮桿側(cè)壁摩擦力影響，則（3．15）式變成海利（Hiley A．）動力公式：

考慮在動力觸探測試中，只能量測到土的永久變形，故將和彈性有關(guān)的變形略去，因此，土的動貫入阻力R d也可表示為（3．17）式，稱荷蘭動力公式。

式中 e——貫入度，mm，即每擊的貫入深度，e＝ΔS/n，ΔS為每一陣擊（n擊）的貫入深度，mm；

A——圓錐探頭的底面積，m2。

3．4．2　試驗設(shè)備與方法

1）試驗設(shè)備

動力觸探使用的設(shè)備包括動力設(shè)備和貫入系統(tǒng)兩大部分。動力設(shè)備的作用是提供動力源，為便于野外施工，多采用柴油發(fā)動機；對于輕型動力觸探也有采用人力提升方式的。貫入部分是動力觸探的核心，由穿心錘、探桿和探頭組成。

根據(jù)所用穿心錘的質(zhì)量將動力觸探試驗分為輕型、中型、重型和超重型等種類。動力觸探類型及相應(yīng)的探頭和探桿規(guī)格見表3．6。

在各種類型的動力觸探中，輕型適用于一般粘性土及素填土，特別適用于軟土，重型適用于砂土及礫砂土，超重型適用于卵石、礫石類土。重型錘動能大，可擊穿硬土；輕型錘動能小，可擊穿軟土，又能得到一定錘擊數(shù)，使測試精度提高。現(xiàn)場測試時應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)選擇適宜的動探類型。

雖然各種動力觸探試驗設(shè)備的質(zhì)量相差懸殊，但其儀器設(shè)備的形式卻大致相同，如圖3．17所示。目前常用的機械式動力觸探中的輕型動力觸探儀的貫入系統(tǒng)包括了穿心錘、導(dǎo)向桿、錘墊、探桿和探頭五個部分。其他類型的貫入系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與此類似，差別主要體現(xiàn)在細部規(guī)格上。輕型動力觸探使用的落錘質(zhì)量小，可以使用人力提升的方式，故錘體結(jié)構(gòu)相對簡單；重型和超重型動力觸探的落錘質(zhì)量大，使用時需借助機械脫鉤裝置，故錘體結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。常用的機械脫鉤裝置（提引器）的結(jié)構(gòu)各異，但基本上可分為兩種形式。

表3．6　常用動力觸探類型及規(guī)格

①內(nèi)掛式（提引器掛住重錘頂帽的內(nèi)緣而提升）：它是利用導(dǎo)桿縮徑，使提引器內(nèi)活動裝置（鋼球、偏心輪或掛鉤等）發(fā)生變位，完成掛錘、脫鉤及自由下落的往復(fù)過程。內(nèi)掛式脫鉤裝置如圖3．18所示。

②外掛式（提引器掛住重錘頂帽的外緣而提升）：它是利用上提力完成掛錘，靠導(dǎo)桿頂端所設(shè)彈簧錐套或凸塊強制掛鉤張開，使重錘自由下落。

20世紀(jì)80年代前，國內(nèi)外都用手拉繩（或卷揚機）提錘、放錘，和現(xiàn)在的自動脫鉤式不同。國際上使用的探頭規(guī)格較多，而我國的常用探頭直徑約5種，錐角基本上只有60°一種。圖3．19是重型和超重型探頭的結(jié)構(gòu)圖。標(biāo)準(zhǔn)貫入使用的儀器除貫入器外與重型動力觸探的儀器相同。我國使用的貫入器如圖3．20。

圖3．17　輕型動力觸探儀（單位：mm）

圖3．18　偏心輪縮徑式

圖3．19　重型和超重型探頭的結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖3．20　標(biāo)準(zhǔn)貫入器
（單位：mm）

2）試驗方法

（1）輕型、重型、超重型動力觸探的測試程序和要求

①輕型動力觸探：

a．先用輕便鉆具鉆至試驗土層標(biāo)高以上0．3 m處，然后對所需試驗土層連續(xù)進行觸探。

b．試驗時，穿心錘落距為（0．50±0．02）m，使其自由下落，記錄每打入土層中0．30 m時所需的錘擊數(shù)（最初0．30 m可以不記）。

c．若需描述土層情況時，可將觸探桿撥出，取下探頭，換鉆頭進行取樣。

d．如遇密實堅硬土層，當(dāng)貫入0．30 m所需錘擊數(shù)超過100擊或貫入0．15 m超過50擊時，即可停止試驗，如需對下臥土層進行試驗時，可用鉆具穿透堅實土層后再貫入。

e．本試驗一般用于貫入深度小于4 m的土層，必要時，也可在貫入4 m后，用鉆具將孔掏清，再繼續(xù)貫入2 m。

②重型動力觸探：

a．試驗前將觸探架安裝平穩(wěn)，使觸探保持垂直地進行，垂直度的最大偏差不得超過2%，觸探桿應(yīng)保持平直，連接牢固。

b．貫入時，應(yīng)使穿心錘自由落下，落錘高度為（0．76±0．02）m，地面上的觸探桿的高度不宜過高，以免傾斜與擺動太大。

c．錘擊速率宜為每分鐘15～30擊，打入過程應(yīng)盡可能連續(xù)，所有超過5 min的間斷都應(yīng)在記錄中予以注明。

d．及時記錄每貫入0．10 m所需的錘擊數(shù)，其方法可在觸探桿上每0．1m畫出標(biāo)記，然后直接（或用儀器）記錄錘擊數(shù)；也可以記錄每一陣擊的貫入度，然后再換算為每貫入0．1 m所需的錘擊數(shù)。最初貫入的1 m內(nèi)可不記讀數(shù)。

e．對于砂、圓礫和卵石，觸探深度不宜超過12～15 m；超過該深度時，需考慮觸探桿的側(cè)壁摩阻影響。

f．每貫入0．1 m所需錘擊數(shù)連續(xù)3次超過50擊時，即停止試驗。如需對下部土層繼續(xù)進行試驗時，可改用超重型動力觸探。

g．本試驗也可在鉆孔中分段進行，一般可先進行貫入，然后進行鉆探，直至動力觸探所測深度以上1 m處，取出鉆具將觸探器放入孔內(nèi)再進行貫入。

③超重型動力觸探：

a．貫入時穿心錘自由下落，落距為（1．00±0．02）m。貫入深度一般不宜超過20 m，超過此深度限值時，需考慮觸探桿側(cè)壁摩阻的影響。

b．其他步驟可參照重型動力觸探進行。

（2）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的設(shè)備和測試方法在世界上已基本統(tǒng)一。按水電部土工試驗規(guī)程SD 128—86規(guī)定，其測試程序和相關(guān)要求如下：

①先用鉆具鉆至試驗土層標(biāo)高以上0．15 m處，清除殘土。清孔時，應(yīng)避免試驗土層受到擾動。當(dāng)在地下水位以下的土層中進行試驗時，應(yīng)使孔內(nèi)水位保持高于地下水位，以免出現(xiàn)涌砂和塌孔；必要時，應(yīng)下套管或用泥漿護壁。

②貫入前應(yīng)擰緊鉆桿接頭，將貫入器放入孔內(nèi)，避免沖擊孔底，注意保持貫入器、鉆桿、導(dǎo)向桿連接后的垂直度?？卓谝思訉?dǎo)向器，以保證穿心錘中心施力。貫入器放入孔內(nèi)后，應(yīng)測定貫入器所在深度，要求殘土厚度不大于0．1 m。

③將貫入器以每分鐘擊打15～30次的頻率，先打入土中0．15 m，不計錘擊數(shù)，然后開始記錄每打入0．10 m及累計0．30 m的錘擊數(shù)N，并記錄貫入深度與試驗情況。若遇密實土層，錘擊數(shù)超過50擊時，不應(yīng)強行打入，并記錄50擊的貫入深度。

④旋轉(zhuǎn)鉆桿，然后提出貫入器，取貫入器中的土樣進行鑒別、描述記錄，并測量其長度。將需要保存的土樣仔細包裝、編號，以備試驗之用。

⑤重復(fù)①～④步驟，進行下一深度的標(biāo)貫測試，直至所需深度。一般每隔1 m進行一次標(biāo)貫試驗。

⑥注意事項：

a．須保持孔內(nèi)水位高出地下水位一定高度，以免塌孔，保持孔底土處于平衡狀態(tài)，不使孔底發(fā)生涌砂變松而影響N值。

b．下套管不要超過試驗標(biāo)高。

c．須緩慢地下放鉆具，避免孔底土的擾動。

d．細心清除孔底浮土，孔底浮土應(yīng)盡量少，其厚度不得大于10 cm。

e．如鉆進中需取樣，則不應(yīng)在錘擊法取樣后立刻做標(biāo)貫，而應(yīng)在繼續(xù)鉆進一定深度（可根據(jù)土層軟硬程度而定）后再做標(biāo)貫，以免人為增大N值。

f．鉆孔直徑不宜過大，以免加大錘擊時探桿的晃動；鉆孔直徑過大時，可減少N至50%。建議鉆孔直徑上限為100 mm，以免影響N值。

標(biāo)貫和圓錐動力觸探測試方法的不同點，主要是不能連續(xù)貫入，每貫入0．45 m必須提鉆一次，然后換上鉆頭進行回轉(zhuǎn)鉆進至下一試驗深度，重新開始試驗。另外，標(biāo)貫試驗不宜在含有碎石的土層中進行，只宜用于粘性土、粉土和砂土中，以免損壞標(biāo)貫器的管靴刃口。

3．4．3　資料整理與成果應(yīng)用

1）資料整理

（1）觸探指標(biāo)

①錘擊數(shù)N值：以貫入一定深度的錘擊數(shù)N（如N10、N63．5、N120）作為觸探指標(biāo)，可以通過N值與其他室內(nèi)試驗和原位測試指標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系式，從而獲得土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。這種方法比較簡單、直觀，使用也較方便，因此被國內(nèi)外廣泛采用。但它的缺陷是不同觸探參數(shù)得到的觸探擊數(shù)不便于互相對比，而且它的量綱也無法與其他物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一起計算。近年來，國內(nèi)外傾向于用動貫入阻力來替代錘擊數(shù)。

②動貫入阻力q d：歐洲觸探試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了貫入120 cm的錘擊數(shù)和動貫入阻力兩種觸探指標(biāo)。我國《巖土工程勘察規(guī)范》雖然只規(guī)定了錘擊數(shù)，但在條文說明中指出，也可以采用動貫入阻力作為觸探指標(biāo)。

以動貫入阻力作為動力觸探指標(biāo)的意義在于：a．采用單位面積上的動貫入阻力作為計量指標(biāo)，有明確的力學(xué)量綱，便于與其他物理量進行對比；b．為逐步走向讀數(shù)量測自動化（例如應(yīng)用電測探頭）創(chuàng)造相應(yīng)條件；c．便于對不同的觸探參數(shù)（落錘能量、探頭尺寸）的成果資料進行對比分析。

荷蘭公式是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的動貫入阻力計算公式，我國《巖土工程勘察規(guī)范》和水利電力部《土工試驗規(guī)程》都推薦該公式。該公式是建立在古典牛頓碰撞理論基礎(chǔ)上的，它假定：絕對非彈性碰撞，完全不考慮彈性變形能量的消耗。在應(yīng)用動貫入阻力計算公式時，應(yīng)考慮下列條件限制：a．每擊貫入度在0．2～5．0 cm；b．觸探深度一般不超過12 cm；c．觸探器質(zhì)量M′與落錘質(zhì)量M之比不大于2。該公式為

式中 q d——動力觸探動貫入阻力，MPa；

M——落錘質(zhì)量，kg；

M′——觸探器（包括探頭、觸探桿、錘座和導(dǎo)向桿）的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

H——落距，m；

A——圓錐探頭截面積，cm2；

e——貫入度，cm，e＝D/N，D為規(guī)定貫入深度，N為規(guī)定貫入深度的擊數(shù)。

（2）觸探曲線

動力觸探試驗資料應(yīng)繪制觸探擊數(shù)（或動貫入阻力）與深度的關(guān)系曲線。觸探曲線可繪成直方圖，見圖3．21。根據(jù)觸探曲線的形態(tài)，結(jié)合鉆探資料，可進行土的力學(xué)分層。但在進行土的分層和確定土的力學(xué)性質(zhì)時應(yīng)考慮觸探的界面效應(yīng)，即“超前”和“滯后”反應(yīng)。當(dāng)觸探探頭尚未達到下臥土層時，在一定深度以上，下臥土層的影響已經(jīng)超前反應(yīng)出來，叫做超前反應(yīng)；當(dāng)探頭已經(jīng)穿過上覆土層進入下臥土層中時，在一定深度以內(nèi)，上覆土層的影響仍會有一定反應(yīng)，這叫做滯后反應(yīng)。

圖3．21　動力觸探擊數(shù)隨深度分布的直方圖及土層劃分

據(jù)試驗研究，當(dāng)上覆為硬層下臥為軟層時，對觸探擊數(shù)的影響范圍大，超前反應(yīng)量（一般為0．5～0．7 m）大于滯后反應(yīng)量（一般為0．2 m）；上覆為軟層下臥為硬層時，影響范圍小，超前反應(yīng)量（一般為0．1～0．2 m）小于滯后反應(yīng)量（一般為0．3～0．5 m）。在劃分地層分界線時應(yīng)根據(jù)具體情況做適當(dāng)調(diào)整：觸探曲線由軟層進入硬層時，分層界線可定在軟層最后一個小值點以下0．1～0．2 m處；觸探曲線由硬層進入軟層時，分層界線可定在軟層第一個小值點以上0．1～ 0．2 m處。根據(jù)各孔分層的貫入指標(biāo)平均值，用厚度加權(quán)平均法計算場地分層貫入指標(biāo)平均值和變異系數(shù)。

（3）標(biāo)貫測試成果整理

①求錘擊數(shù)N：如土層不太硬，并能較容易地貫穿0．30 m的試驗段，則取貫入0．30 m的錘擊數(shù)N。如土層很硬，不宜強行打入時，可用下式換算相應(yīng)于貫入0．30 m的錘擊數(shù)N。

式中 n——所選取的貫入深度的錘擊數(shù)；

ΔS——對應(yīng)錘擊數(shù)n的貫入深度，m。

②繪制N-h關(guān)系曲線。

2）成果應(yīng)用

（1）劃分土層

根據(jù)動力觸探擊數(shù)可粗略劃分土類（圖3．22）。一般來說，錘擊數(shù)越少，土的顆粒越細；錘擊次數(shù)越多，土的顆粒越粗。

該法如與其他測試方法同時應(yīng)用，則精度會進一步提高。例如在工程中常將動、靜力觸探結(jié)合使用，或輔之以標(biāo)貫試驗，還可同時取土樣，直接進行觀察和描述，也可進行室內(nèi)試驗檢驗。根據(jù)觸探擊數(shù)和觸探曲線的形狀，將觸探擊數(shù)相近的一段作為一層，據(jù)之可以劃分土層剖面，并求出每一層觸探擊數(shù)的平均值，定出土的名稱。動力觸探曲線和靜力觸探一樣，有超前段、常數(shù)段和滯后段。在確定土層分界面時，可參考靜力觸探的類似方法。

（2）確定地基土的承載力

用動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入的成果確定地基土的承載力已被多種規(guī)范所采納，如《地基規(guī)范》《工業(yè)與民用建筑工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（TJ 7—74）和《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（TJ 25—78）等，各規(guī)范均提出了相應(yīng)的方法和配套使用的表格。此方面內(nèi)容請見相應(yīng)規(guī)范或參考書。

中國建筑西南勘察院采用120 kg重錘和直徑60 mm探桿的超重型動探，并與載荷試驗的比例界限值pl進行統(tǒng)計，對比資料52組，得如下公式：

式中 f K——地基土承載力標(biāo)準(zhǔn) 值，kPa；

N120——校正后的超重型動探擊數(shù)，擊/10 cm。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）對粘性土也有類似經(jīng)驗公式：

式中 f K——地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

N63．5——重型動探擊數(shù)，擊/10 cm。

上列兩公式均為經(jīng)驗公式，帶有地區(qū)性，使用時應(yīng)注意其限制和積累經(jīng)驗。

（3）求單樁容許承載力

動力觸探試驗對樁基的設(shè)計和施工也具有指導(dǎo)意義。實踐證明，動力觸探不易打入時，樁也不易打入。這對確定樁基持力層及沉樁的可行性具有重要意義。用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)預(yù)估打入樁的極限承載力是比較常用的方法，國內(nèi)外都在采用。具體方法請見參考書。由于動力觸探無法實測地基土的極限側(cè)壁摩阻力，因而用于樁基勘察時，主要是采用以樁端承載力為主的短樁。

（4）按動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)確定粗粒土的密實度

動力觸探主要適用于粗粒土，用動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入測定粗粒土的狀態(tài)有其獨特的優(yōu)勢。標(biāo)準(zhǔn)貫入可適用于砂土，動力觸探可適用于砂土和碎石土。

成都地區(qū)根據(jù)動力觸探擊數(shù)確定碎石土密實度的規(guī)定如表3．7所示。

表3．7　成都地區(qū)碎石土的密實度劃分標(biāo)準(zhǔn)

利用動力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入的測試成果還可以確定黏性土的黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ，確定地基土的變形模量，檢驗碎石樁的施工質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)貫入法還是目前被認可的判斷砂土液化可能性的較好方法。

總之，動探和標(biāo)貫的優(yōu)點很多，應(yīng)用廣泛，但影響其測試成果精度的因素也很多，所測成果的離散性大，因此是一種較粗糙的原位測試方法。在實際應(yīng)用時，應(yīng)與其他測試方法配合，在整理和應(yīng)用測試資料時，運用數(shù)理統(tǒng)計方法有助于取得較好的效果。

3．4．4　實例分析

南方地區(qū)花崗巖分布廣泛，較大部分直接出露地表，形成山地，其邊緣地區(qū)以殘丘形式出現(xiàn)，覆蓋層較厚。場地風(fēng)化類剖面巖土分層也較簡單，一般分為殘積層、全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖和新鮮巖等。

甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院鄭寶平根據(jù)粵北京珠高速公路、韶關(guān)電廠、廣州南崗及深圳部分地區(qū)的巖土工程勘察項目的重型動力觸探試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗及錘擊數(shù)進行比較，對其進行了土的分類研究，所收集的資料中動力觸探錘擊數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)都經(jīng)過桿長修正。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)與動力觸探錘擊數(shù)散點及擬合曲線關(guān)系如圖3．22所示。擬合散點圖分析結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)N與動力觸探錘擊數(shù)N63．5擬合方程為：

圖3．22　標(biāo)貫試驗擊數(shù)與動力觸探擊數(shù)散點及擬合曲線

上式適用于重型動力觸探深度小于20 m，相關(guān)系數(shù)r＝0．895 3。

1）劃分花崗巖風(fēng)化土

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2002），用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)（校正值）劃分花崗巖風(fēng)化土：N＜30擊為殘積土，30≤N≤50擊為全風(fēng)化巖，N＞50擊為強風(fēng)化巖。

由式（3．22）得，N63．5＜9．8擊為殘積土，9．8≤N63．5≤22．5擊為全風(fēng)化巖，N63．5＞22．5擊為強風(fēng)化巖，同時根據(jù)觸探曲線形態(tài)判斷超前或滯后現(xiàn)象，對土層進行分層。

2）確定地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2002），花崗巖殘積土砂質(zhì)黏性土和花崗巖風(fēng)化土的承載力如表3．8、表3．9所示。

表3．8　花崗巖殘積土承載力標(biāo)準(zhǔn)值f k

表3．9　用N63．5來確定花崗巖風(fēng)化土承載力標(biāo)準(zhǔn)值f k

3．5　基樁檢測方法簡介

樁基礎(chǔ)能否既經(jīng)濟又安全地通過設(shè)置在土中的基樁，將外荷載傳遞到深層土體中，主要取決于基樁樁身質(zhì)量與基樁承載力是否能達到設(shè)計要求?；鶚稒z測是指：①對基樁樁身質(zhì)量進行檢測，查清樁身缺陷及位置，以便對影響樁基承載力和壽命的樁身缺陷進行必要的補救，同時達到對樁身質(zhì)量普查的目的；②對基樁承載力進行檢測，達到判定與評價基樁承載力是否滿足設(shè)計要求的目的。基樁檢測可進一步延伸到對樁基礎(chǔ)質(zhì)量的驗收與評定。

基樁檢測主要在樁基礎(chǔ)施工前和施工后進行，是樁墓礎(chǔ)設(shè)計和施工質(zhì)量驗收中的重要組成部分。

3．5．1　檢測方法及分類

對基樁檢測方法進行分類，并對各種檢測方法的適用條件，優(yōu)缺點進行分析研究，同時結(jié)合具體工程的特點，經(jīng)濟、合理地選用檢測方法，是保證檢測工作質(zhì)量的最重要的前提。根據(jù)檢測目的可分為基樁完整性檢測和基樁承載力檢測。

（1）基樁完整性檢測方法

基樁完整性檢測方法主要有鉆孔取芯法、埋管式聲波透射法和高低應(yīng)變動力檢測法。檢測目的主要包括：檢驗樁長、混凝土強度；檢測樁身缺陷、位置，判定完整性類別；檢測灌注樁樁底沉渣，樁端巖土性狀。

大直徑灌注樁基樁完整性檢測的主要方法有鉆孔取芯祛、埋管式聲波透射祛和高低應(yīng)變動力檢測法等。鉆芯法可檢測鉆孔樁樁長、樁身混凝土質(zhì)量、樁底沉渣厚度，判定或鑒別樁端巖土性狀，判定樁身完整性類別。其他方法可檢測缺陷及其位置，判定樁身完整性類別。

預(yù)制樁、小直徑灌注樁等樁型，基樁完整性檢測主要采用高低應(yīng)變動力檢測法，檢測缺陷及其位置，判定樁身完整性類別。

目前聲波透射法、高低應(yīng)變法等樁身完整性檢測方法由于檢測原理、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理等方面具有局限性，一般適用符合“一維均質(zhì)桿件”假定的混凝土樁，不能完全適用于組合樁、異形樁、薄壁鋼管樁；地基處理中應(yīng)用的水泥攪拌樁，碎石樁、低強度等級混凝土樁、CPG樁等樁型也不能簡單套用樁基工程中的基樁完整性檢測方法，只有在其樁身條件符合基樁完整性檢測方法要求時，才能有選擇地應(yīng)用，但檢測數(shù)量、結(jié)果評定，一定要按照地基處理技術(shù)要求執(zhí)行。

（2）基樁承載力檢測方法

基樁承載力檢測方法主要有基樁靜載試驗、高應(yīng)變動力檢測。

基樁靜載試驗的目的：①確定單樁的豎向抗壓、豎向抗拔、水平向極限承載力，并對工程樁承載力進行檢驗和評價；②單樁豎向抗壓靜載試驗，當(dāng)同時預(yù)埋樁底沉降測管與樁底反力和樁身應(yīng)力、應(yīng)變等測量元件時，或同時預(yù)埋樁身位移測桿時，尚可直接測定樁周各土層的極限側(cè)摩阻力和樁的極限端阻力或樁身截面的位移量；③單樁水平靜載試驗確定地基土的水平抗力系數(shù)，當(dāng)埋設(shè)有樁身應(yīng)力測量元件時，可測定出樁身應(yīng)力變化，并由此求得樁身彎矩分布。

根據(jù)以上目的，基樁靜力載荷試驗又可分為：①單樁豎向抗壓靜載試驗；②單樁豎向抗拔靜載試驗；③單樁水平靜載試驗和水平反復(fù)載荷試驗。

基樁高應(yīng)變動力檢測的目的：①判定單樁豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計要求；②檢測及判定樁身完整性；③分析樁側(cè)和樁端土阻力；④預(yù)制樁打樁監(jiān)測。

根據(jù)以上檢測目的，高應(yīng)變法可分為預(yù)制樁施工監(jiān)測與基樁成樁質(zhì)量檢測。一般高應(yīng)變檢測適用符合“一維均質(zhì)桿件”假定的混凝土樁，承載力檢測應(yīng)具有現(xiàn)場實測經(jīng)驗和本地區(qū)相近條件下的可靠動靜對比資料。根據(jù)單樁承力判定方法可分為CASE法與曲線擬合法。

基樁的靜載試驗是指在樁頂部逐級施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力，觀測樁頂部隨時間產(chǎn)生的沉降，上拔位移或水平位移，以確定相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔力或單樁水平承載力的試驗方法。其操作與地基靜載類似，可以參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，這里主要對基樁動力測試和鉆芯法作簡要介紹。

3．5．2　低應(yīng)變檢測

基樁低應(yīng)變動測是通過對樁頂施加激振能量，引起樁身及周圍土體的微幅振動，用儀表記錄樁頂?shù)乃俣扰c加速度，利用波動理論對記錄結(jié)果加以分析，目的是判斷樁身完整性，預(yù)估基樁承載力，具有快速、經(jīng)濟等特點。反射波法是目前應(yīng)用最普通、最常用的一種方法。

1）反射波法測定樁身質(zhì)量的基本原理

根據(jù)一維波在直桿中的傳播規(guī)律，樁頂受一瞬時錘擊力，壓力波以波速c向樁底傳播，如果遇到樁身阻抗發(fā)生變化，波的傳播規(guī)律類似波在變截面桿中的傳播規(guī)律，如圖3．23所示，圖中下標(biāo)i、r、t分別表示入射、反射與透射。反射波系數(shù)Rr、透射波系數(shù)Rt為：

圖3．23　應(yīng)力波在界面中的傳播

式中 Z——阻抗；

n——阻抗比；

ρ，A——樁的密度與截面積；

c——波速。

由式（3．24）可知：

①當(dāng)n＝1時，Rr＝0。說明界面不存在阻抗不同或截面不同的材料，無反射波存在。

②當(dāng)n＞1時，Z1＞Z2，Rr＞0，反射波和入射波同號，說明界面是由高阻抗硬材料進入低阻抗軟材料或大截面進入小截面。

③當(dāng)n＜1時，Z1＜Z2，Rr＜0，反射波和入射波反號，說明界面是由低阻抗軟材料進入高阻抗硬材料或小截面進入大截面。

以上3種情況的討論表明，根據(jù)反射波的相位與入射波相位的關(guān)系，可以判別界面波阻抗的性質(zhì)，這是反射波動測法判別樁身質(zhì)量的依據(jù)。

2）試驗方法和設(shè)備

反射波法（也稱為應(yīng)力波反射法）的現(xiàn)場測試如圖3．24所示。對完整的測試分析過程可以描述如下：用手錘（或力棒）在樁頭施加一瞬態(tài)沖擊力F（t），激發(fā)的應(yīng)力波沿樁身傳播，同時利用設(shè)置在樁頂?shù)募铀俣葌鞲衅骰蛩俣葌鞲衅鹘邮粘跏夹盘柡陀蓸蹲杩棺兓慕孛婊驑兜桩a(chǎn)生的反射信號，經(jīng)信號處理儀器濾波、放大后傳至計算機得到時程曲線（稱為波形），最后分析者利用分析軟件對所記錄的帶有樁身質(zhì)量信息的波形進行處理和分析，并結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料和施工記錄作出對樁的完整性的判斷。

圖3．24　反射波法的現(xiàn)場測試示意圖

反射波法使用的設(shè)備包括激振設(shè)備（手錘或力棒）、信號采集設(shè)備（加速度傳感器或速度傳感器）和信號采集分析儀。

激振設(shè)備的作用是產(chǎn)生振動信號。手錘產(chǎn)生的信號頻率較高，可用于檢測短、小樁或樁身的淺部缺陷；力棒的質(zhì)量和棒頭可調(diào)，增加力棒的質(zhì)量和使用軟質(zhì)棒頭（如尼龍、橡膠）可產(chǎn)生低頻信號，可用于檢測長、大樁和測試樁底信號。激振的部位宜位于樁的中心，但對于大樁也可變換位置以確定缺陷的平面位置。激振的地點應(yīng)打磨平整，以消除樁頂雜波的影響。另外，力棒激振時應(yīng)保持棒身豎直，手錘激振時錘底面要平，以保持力的作用線豎直。

采集信號的傳感器一般用黃油或凡士林粘貼在樁頂距樁中心2/3半徑處（注意避開鋼筋籠的影響）的平整處。粘貼處若欠平整，則要用砂輪磨平。粘貼劑不可太厚，但要保證傳感器粘貼牢靠且不要直接與樁頂接觸。需要時可變換傳感器的位置或同時安裝兩只傳感器。

信號采集分析儀用于測試過程的控制，反射信號的過濾、放大、分析和輸出。測試過程中應(yīng)注意連線應(yīng)牢固可靠，線路全部連接好后才能開機。儀器一般配有操作手冊，應(yīng)嚴(yán)格遵循。

3）彈性波在傳播過程中的衰減

彈性波在混凝土介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，其峰值不斷衰減，引起彈性波峰值衰減的原因很多，主要是：

（1）幾何擴散

波陣面在混凝土中不論以什么形式（球面波、柱面波或平面波）傳播，均將隨距離增加而逐漸擴大，單位面積上的能量則愈來愈小。若不考慮波在介質(zhì)中的能量損耗，由波動理論可知，在距振源較近時，球面波的位移和速度與1/R2成正比變化，而應(yīng)變、徑向應(yīng)力則與1/R3成正比；柱面波d的位移和速度與1/R成正比，而應(yīng)變、徑向應(yīng)力則與1/R2成正比。在距振源較遠時，球面波波陣面處的徑向應(yīng)力、質(zhì)點速度與1/R成正比，而柱面波的相應(yīng)量隨1/R0．5而衰減。

（2）吸收衰減

由于固體材料的黏滯性及顆粒之間的摩擦以及彌散效應(yīng)等，使振動的能量轉(zhuǎn)化為其他能量，導(dǎo)致彈性波能量衰減。

（3）樁身完整性的影響

由于樁身含有程度不等和大小不一的缺陷，如裂隙、孔洞、夾層等，造成物性上的不連續(xù)性、不均勻性，導(dǎo)致波動能量更大的衰減。

4）混凝土的強度及其彈性波速

混凝土是由水泥、砂、碎石組成的混合材料。當(dāng)原材料、配合比、制作工藝、養(yǎng)護條件、齡期和混凝土的含水率不同時，其強度和彈性波速均不一樣。影響波速的主要因素有以下方面：

（1）原材料的影響

水泥漿硬化體的彈性波速較低，一般在4 km/s以下；常用的砂和碎石的彈性波速較高，通常都在5 km/s以上。混凝土是水泥漿膠結(jié)砂和碎石而成，因此它的強度和彈性波速實際上是砂、碎石和水泥硬化體的波速綜合值。一般混凝土中的波速多在3 000～4 500 m/s的范圍內(nèi)。

（2）碎石的礦物成分、粒徑和用量的影響

不同礦物形成的碎石的彈性波速是不同的。在混凝土中，石子的粒徑越大、用量越多，在相同強度的前提下混凝土的彈性波速越高。

（3）養(yǎng)護方式的影響

根據(jù)室內(nèi)試驗的結(jié)果，混凝土的強度和彈性波波速之間有較好的相關(guān)性。下述公式可供參考。

式中 σc——混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度，MPa；

C——混凝土的縱波波速，km/s。

上式的統(tǒng)計樣本容量n＝30，相關(guān)系數(shù)γ＝0．986 9。

3．5．3　高應(yīng)變檢測

高應(yīng)變動力檢測是用重錘給樁頂一豎向沖擊荷載，在樁兩側(cè)距樁頂一定距離對稱安裝力和加速度傳感器，量測力和樁、土系統(tǒng)響應(yīng)信號，從而計算分析樁身結(jié)構(gòu)完整性和單樁承載力。

高應(yīng)變動力試樁作用的樁頂力接近樁的實際應(yīng)力水平，樁身應(yīng)變相當(dāng)于工程樁應(yīng)變水平，沖擊力的作用使樁、土之間產(chǎn)生相對位移，從而使樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮，端阻力也相應(yīng)被激發(fā)，因而測量信號含有承載力信息。

高應(yīng)變動力試樁作用的樁頂力是瞬間力，荷載作用時間20 ms左右，因而使樁體產(chǎn)生顯著的加速度和慣性力。動態(tài)響應(yīng)信號不僅反映樁土特性（承載力），而且和動荷載作用強度、頻譜成分和持續(xù)時間密切相關(guān)。

1）高應(yīng)變動力測樁的基本原理

把樁看成一維彈性桿，則可運用波動的基本理論對樁的運動進行分析。在外力（使樁能產(chǎn)生一定位移的大應(yīng)變力）作用下，樁的一維波動方程可以用如下的二階偏微分方程來描述：

式中 x——縱坐標(biāo)（沿樁身長度）；

　　t——時間；

　　u——樁身截面的軸向位移；

　　C——應(yīng)力波在樁身中的傳播速度，E和ρ分別為樁身材料的彈性模量和質(zhì)量密度。

在應(yīng)力波的作用下，樁身產(chǎn)生運動，其質(zhì)點的運動速度v取決于應(yīng)力大小和材料性質(zhì)，其表達式為：

等式兩邊乘以樁身截面積A并稍加變換為

式中 σ——樁身質(zhì)點應(yīng)力；

A——樁截面積；

E——材料的彈性模量；

ρ——材料的質(zhì)量密度；

P——樁身某一截面所受的力；

Z——樁身截面處阻抗。

式（3．26）的通解，可以用上行波函數(shù)g和下行波函數(shù)f的形式表示：

對于勻質(zhì)、等截面的樁，樁身力學(xué)阻抗可看作一個常量。在下行波作用下，樁身某截面處所受的力和速度是同方向變化的；而在上行波作用下，該截面所受的力和速度是反方向變化的。

一方面，當(dāng)樁的截面發(fā)生變化時，其力學(xué)阻抗也發(fā)生變化。在阻抗變化的界面，應(yīng)力波將產(chǎn)生反射和透射。即樁身力學(xué)阻抗變化對應(yīng)力波的影響。

透射波與原入射波性質(zhì)一致（即拉力渡、壓力波保持不變），幅值為原入射波的2Z2/（Z1＋Z2）倍。反射波的性質(zhì)由Z2－Z1的值定。當(dāng)入射波由阻抗較大處進入阻抗較小處時，Z2－Z1為負值，反射波變號（拉力波變壓力波，壓力波變拉力波）；當(dāng)入射波由阻抗較小處進入阻抗較大處時，Z2－Z1為正值，反射波不變號。其幅值為│（Z2－Z1）/（Z1＋Z2）│倍。

另一方面，樁身側(cè)阻力、端阻力對應(yīng)力波也有影響。設(shè)樁身某一區(qū)段的側(cè)面，有一向上的阻力R（i），可將其分解成向上的壓力波和向下的拉力波，兩者值相等，均為R（i）/2。

當(dāng)上行波或下行波在通過摩擦阻力R（i）作用的截面時，其幅值各增減R（i）/2。該阻力的上行分量使實鍘監(jiān)線P、v上下偏離，且在樁整個受力過程中呈現(xiàn)。而下行分量將不斷和下行波的壓力波疊加，并使壓力波逐漸減弱。當(dāng)然，樁端阻力對應(yīng)力波也有很大影響，這里不再說明。

在高應(yīng)變動測時，實測的力和速度監(jiān)線將全面反映巖土對樁的阻力作用和樁身力學(xué)阻抗的變化。因此，可以通過擬合、分析把這兩種變化定量地表示出來。這就是高應(yīng)變動力測樁方法能確定樁的承載能力和樁身完整性質(zhì)量的基本原理。

2）高應(yīng)變動力測樁的應(yīng)用

（1）單樁承載力的確定

高應(yīng)變動測法是根據(jù)巖土的極限阻力分布來推斷單樁極限承載力的。目前，高應(yīng)變動測確定單樁承載力主要有兩個方法：凱斯（Case）波動法和實測曲線擬合（Capwapc）法。

①Case法：Case法是一種簡化的計算單樁極限承載力的方法。即

式中 R T——樁受到的總阻力；

R a——土的靜阻力；

R d——土的動阻力；

J c——樁端阻尼系數(shù)；

P m（t1），V m（t1），P m（t2），V m（t2）——t1，t2時刻的力值和速度值；

Z——力學(xué)阻抗。

Case法的基本假定是樁身截面沒有變化，應(yīng)力波在傳播過程中沒有能量耗散和信號畸變，樁周土的動阻力忽略不計，樁底土的動阻力與樁端的運動速度成正比。即R d＝J c ZV m，J c為比例常數(shù)，無量綱，往往根據(jù)經(jīng)驗選定。所以Case是一個半經(jīng)驗的方法。它的優(yōu)點是簡明快速，可以在錘擊的同時計算出承載力值，因此非常適合對打入樁打入過程中的質(zhì)量控制和對打樁設(shè)備性能的測定。它的缺點是選擇J c有一定的隨意性，在計算時僅用到檢測曲線的幾個特征值，有一定的誤差，特別是對于灌注樁，誤差較大。

②Capwapc法：它的做法是把樁分成有限個單元，對每一單元的樁、土各種參效（如樁身阻抗、彈性模量、阻力、阻尼、Quake值等）進行設(shè)定，再以實測的信號（力、速度）作為邊界條件進行波動分析，求出波動方程的解，得到第一次的擬合計算結(jié)果。然后根據(jù)計算結(jié)果和實測信號的差異，調(diào)整樁土參數(shù)，繼續(xù)進行擬臺計算，直至擬合曲線與實測曲線的符合程度達到最佳狀態(tài)為止。這時可以認為，最終選定的參數(shù)，就是樁、土的實際參數(shù)。

Capwapc法一般需進行數(shù)十次甚至數(shù)百次的反復(fù)比較、迭代，以使擬合質(zhì)量系數(shù)（MQ）達到最小。擬合過程中受人為影響較小，所求得的土阻力值也更精確、更符合實際工程情況。因此，單樁承載力的確定，要盡量采用Capwapc法，這對于現(xiàn)場澆注的灌注樁甚至是必需的。其缺點是，擬合分析速度較慢，對操作人員的要求也較高。

因此，對于以確定單樁極限承載力為目的的高應(yīng)變檢測（包括前期試樁和工程抽樣樁），都應(yīng)采用實測曲線擬合法，而不應(yīng)是凱斯法。

（2）樁身完整性檢驗

樁身完整質(zhì)量的檢測，一般可通過低應(yīng)變動鍘方法解決。但是，低應(yīng)變動測時能量太小，當(dāng)樁的長細比較大、樁周土、樁端土阻力較大時，往往不易得到清晰的檢測信號。而高應(yīng)變動測的沖擊能量足夠大，足以得到樁底的明確信息。另一方面，高應(yīng)變動測在實測曲線的擬合分析過程中，將得到樁身變截面處的實際阻抗變化，因而還可通過所謂截面完整性系數(shù)β定性地確定樁的缺陷程度。一般定義：

β為截面完整性系數(shù)。β值的大小由截面上下的材料密度、波速、截面積的比值決定。β的大小客觀地反映樁身的缺陷情況。表3．10為美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)（1989年）建議的β值和樁身缺陷程度的關(guān)系。

缺陷位置由波從缺陷處反射回樁頂?shù)臅r間計算。

表3．10　β值與樁身缺陷程度的關(guān)系

圖3．25　高應(yīng)變動測系統(tǒng)示意圖
1—力傳感器 2—加速度傳感器

3）高應(yīng)變動力測樁方法

高應(yīng)變動力測樁采用的儀器由傳感器、采集及預(yù)處理、信號分析計算、輸出4部分組成，如圖3．25所示。

高應(yīng)變動測時一般采用工具式應(yīng)變傳感器來測力，用內(nèi)裝放大式壓電加速度計來測加速度。應(yīng)變傳感器和加速度傳感器各采用兩個，在樁頭兩側(cè)對稱安裝，以盡量消除錘擊偏心造成的影響。傳感器距樁頂位置一般為1．5～2倍樁徑的距離。選擇合適的重錘、錘架并正確安放，保證重錘能不受阻礙地以自由落體的方式打擊樁頂正中。啟動儀器進入采集信號狀態(tài)，對傳感器進行標(biāo)定并設(shè)置好傳感器靈敏度，使儀器處于等待觸發(fā)狀態(tài)，然后開始試驗。在重錘打擊樁頂?shù)耐瑫r，儀器將顯示實測的力、速度波形曲線。正常的力、速度曲線在起始部分應(yīng)是基本重合的，并應(yīng)能明顯地看到樁底信號的反射。如不是這樣，應(yīng)停止試驗并仔細檢查傳感器儀器的工況。除了正在施工的打入樁之外，最好調(diào)動足夠大的能量，“一錘定音”，使樁產(chǎn)生足夠的貫入度。

3．5．4　超聲法測樁

超聲波（簡稱聲波）透射法測試是彈性波測試方法的一種，其理論基礎(chǔ)建立在固體介質(zhì)中彈性波的傳播理論上，以人工激振的方法向介質(zhì)（巖石、巖體、混凝土構(gòu)筑物）發(fā)射聲波，在一定的空間距離上接收介質(zhì)物理物性調(diào)制的聲波，通過觀測和分析聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)，解決一系列巖土工程中的有關(guān)問題。

1）超聲波測樁的基本原理

聲波在樁體混凝土中的傳播特性反映了混凝土材料的結(jié)構(gòu)、密度及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)波動理論，跨孔對穿測試其彈性波的波速可近似為：

式中 E——介質(zhì)的動態(tài)彈性模量；

ρ——密度；

μ——泊桑比。

聲波在樁體混凝土中的傳播參數(shù)（聲時、聲速、波幅、頻率等）與混凝土介質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)（動彈模、密度、強度等）之間的關(guān)系就是聲波透射法檢測的理論依據(jù)。當(dāng)混凝土介質(zhì)的構(gòu)成材料、均勻度、養(yǎng)護方法、施工條件等因素基本一致時，聲波在樁體傳播中運動學(xué)特征和動力學(xué)特征一致；反之在施工中由于塌孔、離析、夾泥等現(xiàn)象出現(xiàn)，聲波在傳播中，必將在運動學(xué)特征和動力學(xué)特征上發(fā)生變化。

2）超聲波測樁儀器設(shè)備

①試驗裝置：聲波透射法試驗裝置包括超聲檢測儀、超聲波發(fā)射及接收換能器（亦稱探頭）、預(yù)埋測管等，也有加上換能器標(biāo)高控制絞車和數(shù)據(jù)處理計算機，如圖3．26所示。

②超聲檢測儀的技術(shù)性能應(yīng)符合下列規(guī)定：接收放大系統(tǒng)的頻帶寬度宜為5～50 kHz，增益應(yīng)大于100 dB，并帶有0～60（或80）dB的衰減器，其分辨率應(yīng)為1 dB，衰減器的誤差應(yīng)小于1 dB，其檔間誤差應(yīng)小于1%。發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)輸出250～1 000 V的脈沖電壓，其波形可為階躍脈沖或矩形脈沖。顯示系統(tǒng)應(yīng)同時顯示接收波形和聲波傳播時間，其顯示時間范圍宜大于300μs，計時精度應(yīng)大于1μs，儀器必須穩(wěn)定可行，2 h中聲時漂移不得大于±0．2μs。

圖3．26　基樁超聲波檢測示意圖

③換能器應(yīng)采用柱狀徑向振動的換能器，將超聲儀發(fā)出的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械振動信號，其共振頻率宜為25～50 kHz，外形為圓柱形，外徑φ30 mm，長度200 mm。換能器宜裝有前置放大器，前置放大器的頻帶寬度宜為5～50 kHz。絕緣電阻應(yīng)達5 MΩ，其水密性應(yīng)滿足在1 MPa水壓下不漏水。樁徑較大時，宜采用增壓式柱狀探頭。

④聲測管是聲波透射法檢測裝置的重要組成部分，宜采用鋼管、塑料管或鋼質(zhì)波紋管，其內(nèi)徑宜為50～60 mm。

3）超聲波測樁方法

按照聲波換能器通道在樁體中不同的布置方式，聲波透射法檢測混凝土灌注樁，可分為以下3種方式。

（1）樁內(nèi)跨孔聲波透射法

首先在樁內(nèi)預(yù)埋兩根或兩根以上的聲測管，將發(fā)射、接收換能器分別置于兩個聲測管中，如圖3．27（a）所示。檢測時聲波由發(fā)射換能器發(fā)出穿過兩根聲測管間的混凝土后被接收換能器接收，實際有效的聲測范圍為聲波脈沖從發(fā)射換能器到接收換能器所覆蓋的面積。根據(jù)兩換能器高程的變化又有平測、斜測、扇形掃測等方式。

當(dāng)采用鉆芯法檢測大直徑灌注樁樁身完整性時，可能有兩個以上的鉆芯孔。如果我們需要進一步了解兩鉆孔之間樁身混凝土質(zhì)量，也可以將鉆芯孔作為收、發(fā)換能器通道進行跨孔聲波透射法檢測。

（2）樁內(nèi)單孔折射波法

在某些特殊情況下只有一個孔道可供檢測使用，例如鉆孔取芯后，我們需要進一步了解芯樣周圍混凝土質(zhì)量，作為鉆芯檢測的補充手段，這時可以采用單孔檢測法，如圖3．27（b）所示。此時，換能器置于一個孔中，換能器間用隔聲材料（或采用專用的一發(fā)雙收換能器）。聲波從發(fā)射換能器發(fā)出經(jīng)耦合水進入孔壁混凝土表層，并沿混凝土表層滑行一段距離后，再經(jīng)耦合水到達兩個接收換能器上，從而測出聲波沿孔壁混凝土傳播的各項聲學(xué)參數(shù)。

采用單孔折射波法檢測，其聲波傳播路徑較跨孔法復(fù)雜得多，須采用信號分析技術(shù)，當(dāng)孔道中有鋼質(zhì)或其他套管時，不能采用此種方法。

單孔測試時，有效檢測范圍一般認為在一個波長左右（8～10 cm）。

（3）樁外跨孔聲波透射法

當(dāng)樁的上部結(jié)構(gòu)已施工或樁內(nèi)沒有換能器通道時，可在樁外緊貼樁邊的土層中鉆一孔道作為檢測通道，由于聲波在土中衰減很快，因此樁外孔應(yīng)盡量靠近樁身。檢測時在樁頂面放置一發(fā)射功率較大的發(fā)射換能器，接收換能器從樁外孔中自上而下慢慢放下，聲波沿樁身混凝土向下傳播，并穿過樁與混凝土之間的土層，通過孔中耦合水進入接收換能器，逐點測出透射聲波的聲學(xué)參數(shù)。當(dāng)遇到斷樁或夾層時，該處以下各點聲時明顯增大，波幅急劇下降，以此為判斷依據(jù)，如圖3．27（c）所示。這種方法受儀器發(fā)射功率的限制，可測樁長十分有限，且只能判斷夾層、斷樁、縮徑等缺陷，且因灌注樁樁身剖面結(jié)合形狀不規(guī)則，給測試和分析帶來困難。

圖3．27　超聲波測樁方法

以上3種方法中，樁內(nèi)跨孔超聲波透射法是一種較為成熟可靠的方法，是聲波透射法檢測灌注樁混凝土質(zhì)量的最主要的方法，另外兩種方式在檢測過程的實施、數(shù)據(jù)分析上均存在不少困難，檢測方法的實用性及檢測數(shù)據(jù)的可靠性均較低。

基于上述原因，鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程將聲波透射法的適用范圍規(guī)定為適用于已埋聲測管的混凝土灌注樁樁身完整性檢測，即適用于樁內(nèi)聲波跨孔透射法檢測樁身完整性。

4）測試數(shù)據(jù)處理及缺陷判定

測試數(shù)據(jù)的分析處理及缺陷判定嚴(yán)格按照《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基樁低應(yīng)變動力檢測規(guī)程》（JGJ/T 93—95）的相關(guān)規(guī)定進行，即根據(jù)聲時曲線、K-Δt曲線和聲幅曲線等3條曲線來判定缺陷的部位和大小。

聲波波形能直觀反映某測點混凝土是否有缺陷。用反射波法評價基樁完整性時，可按波形好壞直接判斷某樁是否有缺陷、是否有嚴(yán)重缺陷。同理，在聲波透射法檢測過程中，檢測人員檢測時面對單一測點的波形，而后根據(jù)波形才確定聲時值和聲幅值，若樁基混凝土是均質(zhì)的，聲波波形有兩頭小、中間大、同頻率等特征（見圖3．28）；若聲波經(jīng)過缺陷處，波形就會明顯變化，缺陷特別嚴(yán)重時表現(xiàn)在波形上為聲幅很低，首波不易確認，頻率變小且同一波形中有不同頻率成分，比較容易直接判斷（見圖3．29）。

圖3．28　完好波標(biāo)準(zhǔn)波形

圖3．29　缺陷波波形圖

在檢測時，聲時、聲幅和波形3種曲線常出現(xiàn)后面3種情況：①某一測點聲時超判據(jù)，而聲幅未超判據(jù)，且波形完好；②聲時未超判據(jù)，聲幅超判據(jù)，波形除首波外其他正常；③聲時未超判據(jù)，聲幅未超判據(jù)，波形不正常（整個波形幅值較低）。下面對這3種情況進行分析。

第①種情況表示該處混凝土仍為均質(zhì)的，混凝土強度略有變小，若聲時超標(biāo)不大（比正常的聲時差10～20μs）且在一兩個加密點出現(xiàn)，缺陷不影響樁的安全性能；或者因為測管彎曲，在測管拐點處數(shù)據(jù)超出判據(jù)，就不應(yīng)該判定混凝土有缺陷。如圖3．30所示，此測線聲時超標(biāo)處無缺陷。

圖3．30　某AB測線的聲時和聲幅曲線圖

第②種情況表示該混凝土局部有細小氣泡或空洞，不影響樁的安全性能。

第③種情況表示換能器位于混凝土強度變化的界面處，往往預(yù)示著在該測點附近可能有更大形式的缺陷出現(xiàn)。某樁基工程從268～280號樁連續(xù)7個加密點檢測的波形，第268號和280號波形是完好波，第272、274、276點的波形為嚴(yán)重缺陷的波形，而270和278號為混凝土質(zhì)量漸變處的波形，如圖3．31所示，第270號與278號波形高差為40 mm，該圖同時說明了樁體內(nèi)的缺陷大多為漸變的，相鄰測點的波形圖也是漸變的。

在樁檢測過程中，當(dāng)缺陷范圍較大且樁身長度較短時，此缺陷處測線聲時也不會超標(biāo)；當(dāng)測管彎曲時，測距越來越小，缺陷處的聲時有可能比測距較大處的聲時小得多，因此在此處測線有可能不會超標(biāo)，但仍需判為缺陷。因此，在檢測過程中不能根據(jù)某單一指標(biāo)來判定，而應(yīng)綜合各個指標(biāo)來分析是否有缺陷、缺陷范圍及其程度。

圖3．31　某缺陷附近連續(xù)6個測點的波形圖

3．5．5　抽芯檢測

鉆芯法是從樁身混凝土中鉆取芯樣，以測定樁身混凝土的質(zhì)量和強度，具有施工周期短、對樁破壞小、取得資料全面可靠、經(jīng)濟效果好以及發(fā)現(xiàn)問題便于采取補救措施等優(yōu)點。由于此法比較直觀，它不僅能通過取芯觀測混凝土的灌注質(zhì)量、配合比，砂、石、水泥拌和均勻度，核實灌注樁樁長，而且能正確判斷和檢查樁底沉渣厚度、縮頸、夾泥、混凝土與樁底基巖狀況。若鉆孔穿過樁底適當(dāng)深度，還可進一步查明樁端持力層的情況，檢驗持力層下面是否有軟弱夾層，還可探查擴底樁擴大端的實際直徑等數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計要求。

1）儀器設(shè)備要求

鉆取芯樣宜采用液壓操縱的鉆機。鉆機設(shè)備參數(shù)：額定最高轉(zhuǎn)速≥790轉(zhuǎn)/min、調(diào)速≥4擋，額定配用壓力≥1．5 MPa。常用的鉆機有XY—1、XY—2或XU—100、XU—300—2立軸回轉(zhuǎn)式液壓鉆機單動雙管鉆具、鉆桿直徑宜為50 mm。

應(yīng)根據(jù)混凝土設(shè)計強度等級選擇金剛石鉆頭，外徑不宜小于100 mm；經(jīng)濟合理考慮，優(yōu)先選用101和110 mm；商品混凝土，骨料最大粒徑小于30 mm，可選91 mm；不檢測混凝土強度，可選76 mm。注意：芯樣試件直徑不宜小于骨料最大粒徑的3倍，任何情況下不得小于2倍。

采用清水沖洗，適當(dāng)摻加沖洗液。水泵的排水量應(yīng)為50～160 L/min，泵壓為1．0～2．0 MPa。沖洗液作用是清洗孔底，洗去攜帶和懸浮的巖粉，冷卻鉆頭，潤滑鉆頭和鉆具，保護孔壁。

鋸切芯樣試件用的鋸切機應(yīng)具有冷卻系統(tǒng)和牢固夾緊芯樣的裝置，配套使用的金剛石圓鋸片應(yīng)有足夠剛度。芯樣試件端面的補平器和磨平機應(yīng)滿足芯樣制作的要求。

2）現(xiàn)場檢測要點

（1）鉆芯孔數(shù)和鉆孔位置的規(guī)定

①樁徑＜1．2 m取1孔，1．2～1．6 m取2孔，＞1．6 m取3孔。

②單孔在中心偏10～15 cm開孔，兩孔或以上在中心偏0．15～0．25D對稱開孔。

③考慮導(dǎo)管附近的混凝土質(zhì)量相對較差，不具有代表性。

④方便第二個孔的位置布置。

⑤樁底持力層至少鉆1孔，深度對于嵌巖樁應(yīng)為3倍樁徑。

⑥鉆芯孔垂直度偏差≤0．5%，孔口管應(yīng)垂直且牢固；基樁垂直度偏差≤1%，若有爭議，可進行鉆孔測斜。

（2）金剛石鉆進技術(shù)參數(shù)

①鉆頭壓力：根據(jù)混凝土芯樣的強度與膠結(jié)好壞而定。

②轉(zhuǎn)速：回次初轉(zhuǎn)速宜為100 r/min左右。

③沖洗液量：宜采用清水鉆進，沖洗液量一般按鉆頭大小而定。

④每回次進尺宜控制在1．5 m內(nèi)。遇中、微風(fēng)化巖石時，可將樁底0．5 m左右的混凝土芯樣、0．5 m左右的持力層以及沉渣納入同一回次檢測樁底沉渣或虛土厚度，應(yīng)采用減壓、慢速鉆進，若遇鉆具突降，應(yīng)即停鉆，及時測量機上余尺，準(zhǔn)確記錄孔深及有關(guān)情況。

⑤持力層為強風(fēng)化巖層或土層時，可采用合金鋼鉆頭干鉆等適宜的鉆芯方法和工藝鉆取沉渣并測定沉渣厚度；對中、微風(fēng)化巖的樁底持力層，可直接鉆取巖芯鑒別；對強風(fēng)化巖層或土層，可采用動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等方法鑒別。試驗宜在距樁底50 cm內(nèi)進行。

⑥嚴(yán)禁敲打卸芯。芯樣取出后，應(yīng)由上而下按回次順序放進芯樣箱中，芯樣側(cè)面上應(yīng)清晰標(biāo)明回次數(shù)、塊號、本回次總塊數(shù)；對芯樣和標(biāo)有工程名稱、樁號、孔號、芯樣試件采取位置、樁長、孔深、檢測單位名稱的標(biāo)示牌進行拍照。

⑦采用0．5～1．0 MPa壓力，水泥漿回灌封閉

⑧對樁身混凝土芯樣的描述包括混凝土鉆進深度，芯樣連續(xù)性、完整性、膠結(jié)情況、表面光滑情況、斷口吻合程度，混凝土芯是否為柱狀，骨料大小分布情況，氣孔、蜂窩麻面、溝槽、破碎、夾泥、松散的情況，以及取樣編號和取樣位置。

⑨對持力層的描述包括持力層鉆進深度、巖土名稱、芯樣顏色、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度、堅硬程度及風(fēng)化程度，以及取樣編號和取樣位置，或動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的位置和結(jié)果。分層巖層應(yīng)分別描述。

⑩應(yīng)先拍彩色照片，后截取芯樣試件。

3）芯樣試件截取、加工和試驗要點

（1）試件截取要點

①當(dāng)樁長為10～30 m時，每孔截取3組芯樣；當(dāng)樁長小于10 m時，可取2組；當(dāng)樁長大于30 m時，不少于4組。

②上部芯樣位置距樁頂設(shè)計標(biāo)高不宜大于1倍樁徑或1 m，下部芯樣位置距樁底不宜大于1倍樁徑或1 m，中間芯樣宜等間距截取。

③缺陷位置能取樣時，應(yīng)截取一組芯樣進行混凝土抗壓試驗。

④如果同一基樁的鉆芯孔數(shù)大于一個，其中一孔在某深度存在缺陷時，應(yīng)在其他孔的該深度處截取芯樣進行混凝土抗壓試驗。

⑤當(dāng)樁底持力層為中、微風(fēng)化巖層且?guī)r芯可制作成試件時，應(yīng)在接近樁底部位截取一組巖石芯樣。

（2）試件加工要點

①應(yīng)采用雙面鋸切機加工芯樣試件，鋸切過程中應(yīng)淋水冷卻金剛石圓鋸片。

②芯樣補平，水泥砂漿（或水泥凈漿）厚度不宜大于5 mm，硫磺膠泥（或硫磺）不宜大于1．5 mm。

③芯樣試件的幾何尺寸測量：芯樣高度、平均直徑、垂直度、平整度。

④試件不得試驗：裂縫或有其他較大缺陷、含有鋼筋、試件尺寸偏差超過以下限值：高度小于0．95d或大于1．05d；直徑相差達2 mm以上；不平整度在100 mm長度內(nèi)超過0．1 mm；不垂直度超過2°；直徑小于2倍表觀粗骨料最大粒徑。

（3）試件抗壓強度試驗要點

制作完畢可立即進行試驗，抗壓強度試驗應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GB/T 50081—2002）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

若發(fā)現(xiàn)芯樣平均直徑小于2倍粗骨料最大粒徑，且強度值異常，不參與評定；混凝土芯樣試件抗壓強度計算，折算系數(shù)取1．0。

樁底巖芯單軸抗壓強度試驗可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2002）附錄J執(zhí)行。

4）樁基鉆芯成樁質(zhì)量評定

成樁質(zhì)量評價應(yīng)結(jié)合鉆芯孔數(shù)、現(xiàn)場混凝土特征、芯樣單軸抗壓強度試驗結(jié)果按表3．11和表3．12的特征進行綜合判定。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時應(yīng)判定該樁不滿足設(shè)計要求：

①樁身完整性類別為Ⅳ類。

②受檢樁混凝土芯樣試件抗壓強度代表值小于混凝土設(shè)計強度等級。

③樁長、樁底沉渣厚度不滿足設(shè)計或規(guī)范要求。

④樁底持力層巖土性狀（強度）或厚度未達到設(shè)計或規(guī)范要求。

表3．11　樁身完整性分類表

表3．12　樁身完整性判定

用鉆孔取芯法檢測樁身質(zhì)量，其優(yōu)點突出。但該法取樣部位有局限性，只能反映鉆孔范圍內(nèi)的小部分混凝土質(zhì)量，存在較大的盲區(qū)，容易以點代面造成誤判或漏判。鉆芯法對查明大面積的混凝土疏松、離析、夾泥、孔洞等比較有效，而對局部缺陷和水平裂縫等判斷就不一定十分準(zhǔn)確。另外，鉆芯法還存在設(shè)備龐大、費工費時、價格昂貴這些缺點。因此鉆芯法不宜用于大批量檢測，而只能用于抽樣檢查，或作為對無損檢測結(jié)果的驗證手段。實踐經(jīng)驗表明，采用鉆芯法與超聲法聯(lián)合檢測、綜合判定的方法評定大直徑灌注樁的質(zhì)量是十分有效的。

本章小結(jié)

本章介紹了常用的土體原位測試技術(shù)，即：靜力載荷試驗、靜力觸探試驗、動力觸探試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等，主要介紹了原位測試技術(shù)的工作原理、儀器設(shè)備、試驗方法、成果整理及影響試驗成果的主要因素，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合實例，分析各種測試成果在工程實踐中的應(yīng)用。

應(yīng)該說，巖土工程原位測試技術(shù)是巖土工程中發(fā)展最快和最具應(yīng)用價值的領(lǐng)域，無論從科研和工程實踐，都有很多的工作要做，是同學(xué)們可以展示動手能力和創(chuàng)新能力的一個平臺。

思考題

3．1 為什么說地基靜載荷試驗是最直觀可靠的地基測試方法？它的主要缺陷是什么？

3．2 在天然地基和復(fù)合地基上做靜載荷試驗時，應(yīng)如何選取壓板尺寸？

3．3 某建筑場地的地基土為較均勻的硬塑狀粉質(zhì)黏土，現(xiàn)采用面積為0．5 m2的剛性圓形壓板進行測試，所得3個試驗點在各級荷載作用下的沉降觀察數(shù)據(jù)如表所示。試?yán)L出3個點的p-s曲線，并計算該場地的地基承載力特征值f ak。

3．4 靜力觸探的一般測試工作如何進行？

3．5 土層劃分后如何用平均法求各土層的測試參數(shù)？

3．6 動力觸探有哪幾種類型，各適用于什么樣的土層？標(biāo)貫適用于什么樣的地層條件？

3．7 動力觸探的一般測試過程如何？怎樣繪制動探的擊數(shù)-深度關(guān)系曲線？

3．8 何謂樁的低應(yīng)變動力測試法，其適用范圍如何？

3．9 反射波法的測試過程和基本要求是什么？

3．10 CASE法和反射波法各自的假設(shè)是什么？

3．11 動測法的優(yōu)勢何在，如何提高樁的動測質(zhì)量？

3．12 簡述抽芯檢測的要點。