静力触探

　　静力触探是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测土的贯入阻力，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探加压方式有机械式、液压式和人力式三种。静力触探在现场进行试验，但不适于卵石、砾石地层。将静力触探所得比贯入阻力（Ps）与载荷试验、土工试验有关指标进行回归分析，可以得到适用于一定地区或一定土性的经验公式，可以通过静力触探所得的计算指标确定土的天然地基承载力。静力触探的贯入机理与建筑物地基强度和变形机理存在一定差异性，故不常使用。测定砂的地基承载力，一般采用标准贯入试验法。

　　静力触探的基本原理就是用准静力（相对动力触探而言，没有或很少冲击荷载）将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。

　　1 静力触探的适用条件 静力触探主要适用于粘性土、粉性土、砂性土。就黄河下游各类水利工程、工业与民用建筑工程、公路桥梁工程而言，静力触探适用于地面以下50m内的各种土层，特别是对于地层情况变化较大的复杂场地及不易取得原状土的饱和砂土和高灵敏度的软粘土地层的勘察，更适合采用静力触探进行勘察。

　　2 静力触探的特点 静力触探既是一种原位测试手段，也是一种勘探手段，它和常规的钻探——取样——室内试验等勘探程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等特点。此外，在采用桩基工程勘察中，静力触探能准确地确定桩端持力层等特征也是一般常规勘察手段所不能比拟的。

　　1 探头的尺寸和加工精度，直接影响着触探资料的准确性。

　　统一探头几何尺寸的目的是为了使触探试验资料能够相互引用与对比。规定的加工精度是为了保证探头的几何尺寸，限制探头几何尺寸的误差，同时也是为了使探头各部件能够正常工作。选用的探头几何尺寸及加工精度必须符合我国规定的标准。 探头各部件的机械性能影响着探头的测试精度及使用寿命。探头各部件中材质要求较高的是传感器，传感器是探头的心脏，对探头的测试精度、使用寿命起着决定性的作用。传感器应使用高强度钢材制作，最好采用60Si2Mn钢，并进行热处理。探头其余部件的材质要求并不高，用40Cr或45钢均可，也要经过热处理。

　　2 探头的线性误差 探头的线性误差是指探头在率定时，荷载P和输出电压V本应是线性关系，如有偏离即为线性误差。

　　线性误差是影响探头测试精度的主要因素之一。线性误差的大小可用端点连线法确定，如图1。以零载和满载时输出电压值所连直线OA作标准，求得测点最大误差ΔV即为最大的线性误差。我国规定探头的线性误差应小于量程的±1%，也就是ΔV/Vm＜±1%，否则为不合格探头。 线性误差的大小主要与传感器空心柱的材质有关。在其它条件相同的情况下，用60Si2Mn钢制成的传感器要比用40Cr或40CrNi钢制成的传感器线性误差小得多。 影响线性误差的其它因素有传感器空心柱的加工精度(如同轴度、粗糙度等)、应变片及贴片质量的好坏等，但这几种因素的影响相对较小。 探头的线性误差越小，说明探头的线性越好。有些探头加荷时与卸荷时的线性误差有较大区别，因此，探头的线性误差要在加荷与卸荷2种情况下进行检验，都应满足线性误差要求。

　　3 探头的归零及重复性误差 探头的归零及重复性误差均影响探头的测试精度。

　　其误差大小主要与传感器空心柱的材质、应变片及贴片质量的好坏等有关。2种误差均应小于1%，在检验时必须排除仪器本身的误差影响，一般可用线性好、归零及重复性误差小的探头先校核仪器，确认仪器正常后再去检验探头归零及重复性误差的大小。

　　4 探头的绝缘度 探头的绝缘度是指应变片电阻丝及外接引线与探头金属件间的绝缘电阻。

　　新探头的绝缘电阻应大于500 MΩ，探头使用后绝缘电阻衰减是允许的，但不能低于100 MΩ。绝缘电阻过小将使零漂增大，严重时电桥不能平衡，测试工作无法进行。绝缘电阻的主要影响因素是探头的密封质量。密封效果不好，会使探头内部传感器受潮而降低其绝缘电阻。其次，受贴片胶、贴片、外接引线等质量好坏的影响，如贴片胶本身质量差，贴片时胶层太薄，引线本身绝缘不好等。

　　5 探头的密封质量 探头的密封质量是影响探头使用寿命的主要因素。

　　笔者在探头的修理过程中发现，损坏的探头约有80%是由于探头密封质量不好造成的，尤其是双桥探头。在触探过程中，由于地下水有水头压力，当探头密封不好时，土中的水就会进入探头内部，使传感器受潮，严重时应变片被水浸泡，时间长了就会使传感器表面生锈，应变片与空心柱开始脱胶，致使传感器不能正常工作，探头报废。

　　6 探头的使用寿命 探头的使用寿命是探头质量的重要方面。

　　探头最终是用于工程勘察中，如果仅有较高的测试精度而不具有耐用性，也不能说探头质量好。在实际工程中，一个探头触几个孔便坏了也是常有的事。因此探头在满足精度要求的同时，应该具有较长的使用寿命。频繁地更换探头，既影响工程进度又增加了触探试验成本。 影响探头使用寿命的主要因素是密封质量，其次是应变片、贴片质量的好坏及电桥引线焊接牢固程度、探头装配质量、机械性能等。

　　7 探头的维修性能 探头的结构应满足维修的要求，应该具有拆装简单、维修方便的性能。

　　质量再好的探头也可能出现偶然性的毛病，如探头内部引线接点开焊，或探头某一部位密封件损坏而使探头内部进水。这些小毛病也同样使探头不能继续使用。在探头的外部并没有多大磨损的情况下，只要拆开探头稍加修理便可以使用。^[2]

　　定义和适用范围

　　将圆锥形探头按一定速率匀速压入土中量测其贯入阻力锥头阻力侧壁摩阻力的过程称为静力触探试验 　　静力触探是工程地质勘察中的一项原位测试方位可用于：

　　1．划分土层判定土层类别查明软硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性 　　2．评价地基土的工程特性容许承载力压缩性质不排水抗剪强度水平向固结系数饱和砂土液化势砂土密实度等

　　3．探寻和确定桩基持力层预估打入桩沉桩可能性和单桩承载力

　　4．检验人工填土的密实度及地基加固效果

　　5本规程适用于粘质土和砂质土

　　引用标准

　　1．《静力触探仪》

　　2．《土工仪器的基本参数及通用技术条件》第二篇原位测试仪器

　　3．《岩土工程勘察规范》静力触探试验

　　B1 划分土层、确定土名

　　B1.1 采用单桥探头实测比贯入阻力PS不超过表B1所列变动幅度者可并为一层，按比贯入阻力PS进行分类见表B2。

　　表B1 PS变动幅度

　　实测PS范围值 变动幅度

　　PS≤10 ±（1～3）

　　10<PS≤30 ±（3～5）

　　30<PS≤60 ±（5～10）

　　表B2 按PS进行土的分类

　　土层分类 软粘土 一般性粘土 老粘土

　　PS范围值 PS <10 10≤PS <30 PS ≥30

　　B1.2 采用双探头分层时，以锥尖阻力qa为主，综合考虑册壁摩阻力fn和摩阻比n进行分类见表B3、表B4。

　　表B3 各种土类的摩阻比n参考值

　　土类名称 n=fn/qa×100%

　　软质岩、贝壳或疏松卵石层 0～0.5

　　砂  或   砂  卵  石   层 0.5～2.0

　　粘土——砂土混合体和粉土 2.0～5.0

　　粘                    土 >5.0

　　表B4 不同密度砂类土的摩阻比n参考值

　　砂土的相对密度Dr（%） q0（kg/Cm2） f0（kg/Cm2） n（%）

　　疏松（30%） 20 0.33 1.7

　　中等密度（60%） 80 0.67 0.8

　　紧密（90%） 220 1.33 0.3

　　B2 确定地基土的允许承载力[R]

　　根据比贯入阻力PS与载荷试验成果进行相关分析，得出适用于一定地区及一定土层的经验公式，直接用PS确定地基的允许承载力[R]。

　　B2.1 粘性土PS与[R]经验公式见图B1，表B5、表B6。

　　图B1 PS与[R]相关曲线

　　表B5 粘性土PS与[R]经验关系式

　　分类 编号 公式来源 经验公式 适用条件

　　高值 1 武汉联合小组  [R]=0.2664+0.1044PS     适用于第四纪晚更新世（Q3）及其以前沉积的超压密老粘性土

　　2 广东航运规划设计院 [R]=0.30+0.101PS

　　中值 3 东北电力设计院 [R]=0.58-0.31

　　适用于正常压密的一般粘性土（Q4）

　　4 铁道部第三设计院 [R]=0.58-0.46

　　5 四川省综合勘察院 [R]=2.49lgPS-0.912

　　低值 6 北京地形地质勘测处 [R]=0.0173PS+1.59（老土）     适用新近沉积的欠压密的砂性土及粘性土

　　7 北京地形地质勘测处 [R]=1.48lgPS+0.098

　　8 交通部一航局 [R]=PS/[2.15PS0.584]

　　9 天津市建筑设计院 [R]=0.479PS0.387

　　表B6 砂性土PS与[R]经验关系式

　　编号 公式来源 经验公式 适用条件

　　1 湖北电力设计院 [R]=0.2381PS0.84-0.12     中粗砂

　　2 湖北电力设计院 [R]=0.0197PS+0.6559     粉细砂

　　3 武汉冶金勘察公司 [R]=0.02PS+0.5     长江中下游地区地下水位以下轻亚粘土，粉细砂层

　　4 铁道部第一设计院 δ0=0.25-0.21     西北地区内陆盆地饱和粉细砂层

　　5 铁道部第三设计院 δ0=0.16PS0.63+0.14     粉细砂及饱和砂土PS<240

　　B3 确定地基土的变形模量与压缩模量

　　B3.1 PS与E0经验关系式，见表B7。

　　表B7 PS与E0经验关系式

　　编号 公式来源 经验公式 适用条件

　　1   工业与民用建筑工程地质勘察规范 E0=8.87PS-13.3   3≤PS<30,淤泥、淤泥质粘土及一般粘性土

　　2   工业与民用建筑工程地质勘察规范 E0=10.103PS+15.1   30≤PS<60，老粘土、碎石含量<20%

　　3     综合勘察院 E0=6.06PS-9.03   PS<16，淤泥、淤泥质粘土及一般粘性土

　　4     综合勘察院 E0=6.90PS-67.93   PS>16,一般第四纪冲击层

　　5     武汉联合小组 E0=9.5186PS-21.7973   粘性土，3≤PS≤30

　　6     武汉联合小组 E0=11.78PS-46.87   老粘性土，30≤PS≤60

　　7     湖北综合勘察院 E0=6.37PS+0.88   一般粘性土，10≤PS≤35

　　B3.2 PS与Es经验关系,见表B8。

　　表B8 PS与Es经验关系

　　编号 公式来源 经验关系 适用条件

　　1   武汉联合小组 Es=3.72PS+12.62   软土及一般性粘土3≤PS≤60

　　2   湖北综合勘察院及武汉城市规划设计院 Es=4.695PS-6.27   一般粘性土10≤PS≤35

　　3   交通第一航局 Es=3.63PS+11.98   粘性土，PS<50

　　4   天津建筑设计院 Es=2.94PS+13.38   一般性粘土2.4

　　5   四川综合勘察院 Es=1.9PS+32.32   一般性粘土，4≤PS≤30

　　6   交通部第三航局 Es=3.77PS+8.21   淤泥质土及一般性粘土

　　7   广东航运规划设计院 Es=2.968PS+13.363   老粘土及砂层

　　8   江苏省建筑设计院 Es=2.35PS+18.83   粘性土，3.5≤PS≤57

　　9   河南建筑研究设计院 Es=8.987+3.622PS   轻亚粘土，3≤PS≤48

　　表B4 确定饱和粘性土的不排水抗剪强度（Cu）,见图B2、表B9。

　　图B2 确定不饱和粘性土的不排水抗剪强度图

　　表B9 确定不饱和粘性土的不排水抗剪强度表

　　编号 公式来源 经验公式 适用范围

　　1 武汉联合小组  Cu=0.0696PS-0.027 3≤PS≤12

　　2 四川建筑研究所 Cu=0.0543PS+0.048 1≤PS≤8

　　3 铁四院一总队 Cu=0.0564PS+0.018 PS<7

　　4 铁四院 Cu=0.05PS+0.016 PS>5

　　5 综合近似值 Cu=PS/20 PS<15

　　B5 判定饱和砂层的液化

　　当饱和砂层的贯入阻力PS的计算值Psca小于下式算出的临界贯入阻力PS值，则认为它可能液化。

　　PS′=Ps0[1-0.065（Hw-2）][1-0.05（H0-2）]

　　式中 Hw——地下水位埋藏深度，m；

　　H0——饱和砂土层上的粘性非液化土层的厚度，m；

　　Ps0——当Hw=2m，H0=2m时，砂土的临界贯入阻力按表B10确定。

　　表B10 砂土的临界贯入阻力值（Hw=2m,H0=2m）

　　设计烈度 七 八 九 十

　　Ps0(kg/Cm2) 60～70 120～135 180～200 220～250

　　饱和砂层的贯入阻力计算值Psca按下述方法确定:

　　（1）当砂层厚度大于1m时,取该层贯入阻力PS的平均值作为该层的Psca值。

　　（2）当砂层的厚度小于1m时，且上下土层均为阻值较小的土层时，取其大值作为该层的Psca值。

　　（3）当砂层厚度较大，且力学性质显著不同，可明显分层时，应分别计算分层的平均PS值进行计算。

　　静力触探成果应用很广，主要可归纳为以下几方面：

　　划分土层；求取各土层工程性质指标；确定桩基参数。

　　1．划分土层及土类判别 　　根据静力触探资料划分土层应按以下步骤进行

　　(1)将静力触探探头阻力与深度曲线分段。分段的依据是根据各种阻力大小和曲线形状进行综合分段。如阻力较小、摩阻比较大、超孔隙水压力大、曲线变化小的曲线段所代表的土层多为粘土层；而阻力大、摩阻比较小、超孔隙水压力很小、曲线呈急剧变化的锯齿状则为砂土。

　　(2)按临界深度等概念准确判定各土层界面深度。静力触探自地表匀速贯入过程中，锥头阻力逐渐增大(硬壳层影响除外)，到一定深度(临界深度)后才达到一较为恒定值，临界深度及曲线第一较为恒定值段为第一层；探头继续贯入到第二层附近时，探头阻力会受到上下土层的共同影响而发生变化，变大或变小，一般规律是位于曲线变化段的中间深度即为层面深度，第二层也有较为恒定值段，以下类推。

　　(3)经过上述两步骤后，再将每一层土的探头阻力等参数分别进行算术平均，其平均值可用来定土层名称，定土层(类)名称办法可依据各种经验图形进行。还可用多孔静力触探曲线求场地土层剖面。

　　2．求土层的工程性质指标 　　用静力触探法推求土的工程性质指标比室内试验方法可靠、经济，周期短，因此很受欢迎，应用很广。可以判断土的潮湿程度及重力密度、计算饱和土重力密度γsat、计算土的抗剪强度参数、求取地基土基本承载力f0、用孔压触探求饱和土层固结系数及渗透系数等。

　　3．在桩基勘察中的应用 　　用静力触探可以确定桩端持力层及单桩承载力，这是由于静力触探机理与沉桩相似。双桥静力触探远比单桥静力触探精度高，在桩基勘察中应优先采用。