基于静力触探技术的土层及土类划分方法.doc

基于静力触探技术的土层及土类划分方法.doc 研 究 生 课 程 论 文 (2009-2010学年第二学期) 土工测试原理与技术课程论文 研究生:周森 提交日期: 2010年9月1日 研究生签名: 学 号 学 院 土木与交通学院 200920105032 S0814004 课程编号 课程名称 土工测试原理与技术 学位类别 硕士 任课教师 刘叔灼 教师评语: 成绩评定: 分 任课教师签名: 年 月 日 基于静力触探技术的土层及土类划分方法 周 森 (华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640) 摘 要:静力触探是一种在工程中广泛应用的原位测试方法。介绍了静力触探的国内、外发展状况、基本原理及成果应用，对单桥静力触探、双桥静力触探和孔压静力触探三种测试方法进行了比较，着重探讨了静力触探曲线在划分土层土类中的应用并总结了划分土层土类的三种方法，即目测经验法、分类图法和变量统计分析方法。通过比较分析得出:双桥静力触探可 qfq,h同时测得锥尖阻力和侧壁摩阻力，因此较单桥静力触探具有较高的准确度;孔压静力触探方法综合运用、ccs f,hu,h和曲线划分土层，进一步提高了区分精度;随着计算机运算技术的发展，基于变量统计理论为基础的静力触s 探方法是今后的一个发展趋势。 关键词:静力触探技术;测试方法;土层土类划分 中图分类号:TU432 文献标识码:A 文章编号: 作者简介:周森(1986,)，男，河南南阳人，华南理工大学岩土工程专业硕士研究生，主要从事于风险分析方法在岩土工程中的应用及地下结构设计方法的研究。E-mail:beihai_1986@163.com。 Classifications of Soil Layer and Soil Properties on the Basis of CPT Technique Zhou Sen (College of Civil Engineering & Transportation,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China) Abstract: Cone Penetration Test is a widely-used in-situ measurement in practical project. The development, basic principle and application of CPT technique are discussed, three methods----Single bridge static CPT, double bridge static CPT and pore pressure CPT are analyzed and compared. The methods used to classify soil layer and soil properties are focused on. Conclusions are drawn as qffollows: Both resistance awland side frictioncan be obtained by double bridge static CPT, thus double bridge static CPT has cs q,hf,hu,hhigher accuracy than that of single bridge static CPT; The curves ,and can be comprehensively used by cs pore pressure CPT, which improves the accuracy more; The CPT technique based on statistical theory is an evolution trend in the future. Key words: CPT technique; in-situ measurement; classification 1 静力触探的国内、外发展状况 静力触探(Cone Penetration Test，简称CPT)是20世纪40年代随着实用土力学和理论土力学的建立， ,1,在欧洲一些软土分布较为广泛的国家发展起来的一种原位测试方法。1932年荷兰工程师P.Barentsen进行了世界上第一个静力触探试验，随后荷兰Delft土力学实验室设计出10t的荷兰锥贯入装置并将其用于桩承载力试验研究。1948年，Vermiciden和Plantema对荷兰锥进行了改进，以阻止土从套管和钢杆之间进入。1949年荷兰Delft土力学实验室开始应用电测探头开展了大量的试验研究工作。1953年，Begemann设计出可量测侧阻力的摩擦套，进一步完善了静力触探技术。1965年荷兰Fugro和TNO联合推出了一种电测式探头，为后来ISSMFE标准的建立奠定了基础。从70年代后期，陆续出现了孔压静力触探(CPTU)、 ,2,环境静力触探及其它多功能探头等，静力触探技术得到了广泛应用和进一步发展。挪威土工研究所(NGI)首次研制了电测式孔压静力触探。1980年以后，出现了不少同时测孔压和测阻力的研究成果并在工程实践中得以应用。 我国在30年代出现了机械式的荷兰静力触探仪。1954，陈宗基教授用该技术在黄土地区进行了相关试验研究。1964年，王钟琦等独立成功研制出我国第一台电测式触探仪。但在80年代后期，对探头传感器技术的改进较少，目前应用较多的是“单桥”探头和“双桥”探头，探头规格与国际通用不尽相同，一定程度上给国内外测试成果的比较和学术交流带来了困难和不便。 2 静力触探技术及其成果应用 2.1 静力触探技术的基本原理及适用条件 静力触探就是用准静力(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 ,,3预估单桩承载力等工程地质勘察目的。 静力触探主要适用于粘性土、粉性土、砂性土。对于各类水利工程、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。 2.2 静力触探技术成果应用 目前，国内工程界使用的静力触探探头有三种:单桥探头、双桥探头和孔压触探头。单桥静力 ,4,触方法功能简单，在我国占主导地位，但是存在分辨率低，而且和国际标准不接轨等问。双桥静力触探虽已应用，但发展比较缓慢，孔压静力触探应用则相对较少。静力触探在工程上的应用主要体现在三个方面:划分土层判别土类、确定土的工程性质指标和岩土工程的设计参数。就勘察精度与功能来说，孔压静力触探优于双桥静力触探，双桥静力触探优于单桥静力触探，三种技术对比如下: 1)单桥探头法 单桥探头静力触探由于应用历史较长相关经验公式较多而且已经列入相关规范，故在目前的工 PP,h程勘察界被广泛应用。单桥静力触探只能测试比贯入阻力，因此只能根据(深度)曲线形ss P态变化和值的大小对土体进行定名、分层。工程实践中，对同一层土，由于其形成年代、成因、s PPP受荷历时不同，其值可相差很多。另外，不同土层也可能具有相同的值。因此只用一个指标sss对土层定名分层的分辨率是比较低的。工程实践中往往借助于钻孔取样来对比分析。 2)双桥探头法 qfR双桥静力触探可测得两个参数及锥尖阻力和侧摩阻力。又可以计算出摩阻比csf fsq,hf,hR()，由此可划分土类。根据该项测试资料可获得两条曲线，即和关系,，100%csfqc f曲线。两相对比，精度较高。侧摩阻力也是划分土层的极好的参数。 s 3)孔压静力触探法(CPTU) 孔压静力触探可以测得三个指标，即比双桥探头多测一个孔隙水压力u，因而其对土层的分辨率要比双桥静力触探高得多。据CPTU的测试成果，在岩土领域已得到广泛应用，其中主要包括四个方面:?修正锥尖阻力，使锥尖阻力真正反映土的性质;?渗流、固结特性;?区分排水、部分排水、不排水贯入方式，以满足不同需要;?提高土分层与土质分类的可靠性。 孔压静力触探在划分土层土类方面优于单桥、双桥静力触探外，在求取土性指标方面同样优于其他两种方法。如孔压静力触探可求取土层的固结系数和渗透系数，而另外两种方法是不能做到的。从勘察费用来看，孔压静力触探最高，按其价格效应来看，孔压静力触探则是最低的。因此大量推广使用孔压触探，从而提高静力触探的测试精度，并与国际接轨。 3 静力触探曲线在划分土层土类中的应用 确定地基承载力、评价地基土地震液化特性、确定拟挖土层的厚度，尤其是对某一土层的工程性质指标进行统计分析，都需要准确的划分土层及确定土的名称。当把孔压探头借助机械力量匀速压入土中时，探头受到来自于土体的阻力，这个阻力通过探头中的传感器以电信号的形式输入到记录仪并记录下来，然后通过率定系数换算成压力，由此可得各种随深度变化的曲线。由于不同土层强度不同，而同层土强度相 q,hf,h似，因此反映到和曲线上就呈现出成层分布的规律。静力触探测试精度高、功能齐全，兼具cs 勘探与测试双重作用。测试中不取样，其成果的可靠性与再现性均好，且采用电测技术，便于实现测试与成果处理的微机化和自动化。它还可以比较连续地获得地层强度和其他方面的信息，不受取样扰动等人为因素的影响，因此得到了广泛应用。静力触探的重要用途之一是划分土层，准确确定土层界面信息，这对于土层的工程性质指标的统计计算具有重要意义。 从单桥静力触探发展到现在的孔压静力触探，划分土层和土类的方法也在不断地改进和完善，主要分为以下三种方法。 3.1 目测经验法 它是通过检验静探原始数据，根据经验辨认土类、划分土层。目测经验法主要是指运用单桥静力触探 P曲线的方法。因为单桥静力触探仪只能获得一个单数，单凭这一参数不足以准确判定土的种类，它s 仅适用于城市、工矿区等对当地底层已有概略了解的地方，且在规范或在规程中已建立了比贯入阻PI力与土的塑性指数的相关关系的地区。如天津地区可利用交通部一航局提供的经验关系确定sp 地基土的名称，如表1所示。也有工程师在实践中根据自己的经验，结合对触探曲线形态的理解， ,5,以及比贯入阻力并层标准，进行定性的对比分层，分别如表2、3所示。 P,I表1 交通一航局的关系 sp P 1.0 5.5 10.0 14.0 20.0 27.0 30.0 35.0 40.0 s I 28.4 17.0 12.0 10.0 8.3 7.0 6.6 6.1 5.6 p 表2 力学分层按贯入阻力变化幅度的并层标准 Pq或(Mpa) 最大贯入阻力与最小贯入阻力之比 sc 1.0,1.5 ?1.0 1.0,3.0 1.5,2.0 ,3.0 2.0,2.5 P表3 不同土层的曲线特征 s 淤泥及 粘土 土 粉 淤泥质 及粉质 砂 杂填土 基岩风化层 层 土 粘性土 粘土 曲线 P值 起伏 s曲线 较大 较大， 起伏 曲线 ，其波 曲线 较大 起伏 峰及 曲线 平缓， P值 ，类似 较大 sP 波谷 变化 s有缓慢 粉土 ，波峰 较小， 呈圆形 无规律 曲 的波形 的变化 、波谷 曲线 (地下 ，往往 线 起伏， ，变化 呈现 平缓， 水位 出现 特 当土层 频率大 圆形， 无突变 以下 突变 征 中有结 ，波峰 变化 现象 起伏 现象 核存在 及波谷 频率 较小) 时，存 呈现 较大 ，变化 在个别 尖形 频率 突变现象 不大 P s 线 型 P由此看见，由单一的静力触探曲线参数值来划分土层很容易造成土层划分的不统一，以及土质s 分类的不统一。我国虽然在土质分类的原则上是基本一致的，但在具体指标的界限及土的名称上仍 II很不一致。比如粘性土的划分界限，国标中以,10为标准，而有的规范以,7为标准。另外对软pp 土的定义及认识也存在着差异。所以由于资料标准的不统一，使得单桥静力触探划分土层的进展受到限制。 3.2 分类图法 触探参数与土类的关系受多种因素的相互影响，是触探参数交替重叠，但在复杂的关系中还是可以找出主要的趋势和规律。人们对双桥静力触探和孔压静力触探所测得的参数进行了大量的研究，得出了以下 ,5,几种划分土层的分类图法。 3.2.1双桥静力触探曲线 双桥探头的使用使得静力触探可以同时测得锥尖阻力及侧壁摩阻力两个参数，因此采用双桥参数划分 q土层及土类比单桥触探曲线提高了精度与准确性。当触探过程中遇到相同的，而土性不同时，可以再用c fqffq加以区分土类，因为不同土的相同时，会不同;反之，相同时，不同。 scssc fqf从很多比例尺相同的双桥探头曲线图上可以看到，砂土的曲线在曲线的内侧，黏性土的曲线scs fsqfq在曲线的外侧，因此、及其比值的大小与土的成因、种类及物理力学性质有密切的关系。 cscqc 触探参数与土类的关系受多种因素的相互制约，使触探参数交替重叠，但在复杂的关系中还是可以找 fs出主要的趋势和规律。此时，是一个很重要的判别值，用它不但可以划分出粘性土和砂类土这两大qc 类，而且还可以划分出两大类之间的过渡带即粉土等。当前，利用双桥静力触探参数划分土层和土类的方法标准主要有:北京铁路局标准、铁道部标准和施莫特曼标准。 a)北京铁路局标准 北京铁路局在北京、天津、唐山和石家庄等地区对70个静力触探孔及相应的钻孔资料共270组进行 f/q,qf/q,ff,q了分类整理，绘制了，，等三种散点图，如图1所示。根据图上的分区即可sccscssc 确定土的种类，对图上某些重叠区，则结合地区经验曲线及曲线形态变化分析确定，基本上可把土分为三类:砂性土、粉土和粘性土。 (%) c/qsf q/Mpa c 图1 f/q——q散点分布图 scc b)铁道部标准 铁道部在多年从事触探研究的基础上，分析整理出《静力触探技术规则》(1989)。对使用双桥探头的 R触探曲线，归纳出如图2所示的划分土类方法，图中为摩阻比。 f 1514/%q13=2.5fcR12R=0.2973q+1.6f1c11Rf110Rf2粘性土9粉土8I,10pI,10p765R=0.1013q+0.32f 2c432砂土10051015202530354045 q/Mpac 图2 双桥探头参数划分土类 c)施莫特曼标准 qf/q施莫特曼标准采用及两个指标，归纳出划分土层的模型，其各类土的摩阻比如下:?一般软csc f/qf/q石、贝壳或松散砾石填土:=0.0,0.5%;?砂或砾石:=0.5,2.0%;?粘土与砂混合物或粉scsc f/qf/q土:=2,5%;?粘土:,5%。 scsc qR此外还有蔡守章提出的以为主、以最大值为辅、一般曲线形态、特异曲线和土类等四因素综合fc ,6,qf确定土类的方法。用双探头测得的及曲线划分土层可以显著减少或避免用钻孔取土定土名的工作cs 方法，因而减少了工作量，也进一步提高了精度。 3.2.2孔压静力触探曲线 q静力触探技术的更新也带来了划分土层和土类的方法的完善。孔压静力触探在获得锥尖阻力、侧摩c q,hf,hR阻力的同时，还测得了孔隙水压力u这个参数。利用及曲线划分土层，当相邻的两层土csf q,hf,h性性质不同而强度却相差不大时，在及曲线上很难区分开而往往合为一层。若采用孔压静力cs u,h触探，还可同时利用曲线来判别土层，大大提高了区分不同土层的精度。 q应用孔压静力触探时，不同性质的土层会有不同的锥尖阻力值和孔隙水压力值，反过来说不同的和c qu值又反映了性质不同的土体，因此土体与其和u之间存在着一定的相关关系，因而可以通过这种相关c 关系来判断土体类型。 ,7,q许多学者对土体与和u之间的相关关系进行了大量研究，归纳起来有典型的四种方法。 c a) Senneset,Janbu分类 定义孔隙压力比 ，，B,,u/q,,(1) qtv0 ,u,u,uq,B其中，为超静孔隙水压力;为校正后的总圆锥阻力;为总上覆压力。以为横坐v00tq q,u标、为纵坐标作图，不同土类分别落在图上的不同区域。该分类法未考虑到有些超固结土及剪胀土出t 现负值的情况。 b) Jones,Rust分类 ，，q,,,u,u它是以为横坐标、为纵坐标作图来划分土类，此法考虑了出现负值的情况，但坐标tv0 原点附近区域的土类难以区分。 c) Robertson,Campanella分类 qqBRq,B它即采用和作图，又采用和摩阻力作图，在进行土分类时，有时会出现某些土类在、tqtftq q,R中落在不同区域内，这时需要根据经验判断才能进行正确分类。 tf d)张成厚，G.Greeuw，J.Jekel,W.Rosenbrand分类 q,u此法以校正后的锥尖阻力和超孔隙水压力为主要分类参数，考虑了试验深度的影响，引进参考t ,10hq,u,u,,压力(，h为深度)对和进行归一化出来，使其成为无量纲数。对超孔隙压力采用eet B超孔隙压力系数表达: q ,uB,(2) qq,,te q,q，u，，1,a式中，为校正后的锥尖阻力，净面积比值a为0.84。 tc q,,t将分布于世界各地的52孔试验资料绘于图上，发现砂、粉质粘土及黏性土的试验点log,B,,q,e,, NN，，B/logq/2,分别落于图上不同的区域。由分界线可定义出土分类参数值，=500，各种土类的hhqteNNNf/q界限值为:?粘性土:220,,?;?粉质土:313,,220;?砂:=2,5%;?粘土:0hhhsc ,8,N,,313。 h 前三种方法在应用上有些困难，最大缺点是没有考虑深度对参数的影响。此法在国外土分类及国内某些地区高速公路土分类的应用中取得满意效果。 众所周知，钻探取样及室内土工实验不失为详细了解地基土的分层、分类的一种准确有效的方法。然而，对于像公路、地铁这样呈线性分布、范围广泛的工程，要想通过钻孔取样来详细了解沿线地层的变化情况，就显得过于费时费力，且费用欠经济合理。静力触探曲线能够获得地层的连续数据，因此为辨认土层界限、划分土类提供了一个简捷、经济的方法。孔压静力触探特别适合于地下水埋藏浅的饱水软粘土地区的勘察，它快速准确、不需取样，恰好能够弥补钻探取样的不足。进一步提高了用静力触探曲线划分统计均匀土层和土类的精度以及有效性。 3.3 单变量或多变量统计方法 计算机技术的发展使得地质数学统计方法应用于土类分层成为可能。目前这方面的研究还在不断深入，已取得的研究成果包括以下几个方面。 3.3.1最优分割法划分统计均匀土层 上文介绍的静力触探资料划分土层界限的方法是根据大量的静力触探资料，得出土类的某项分类系数，然后用实得静探曲线数据计算分类系数，并结合工程勘察资料进而划分土层的界限。这种方法人工计算量大，且受经验数据影响大，同时还受钻孔资料的限制，极易漏掉厚度不大的夹层。另一方面，静力触探曲线数据充分反映地面以下地基土力学性质的变化特征，因而可把地基土力学性质相近或稳定的地质单元划分为一层，采用多变量统计分析中的最优分割理论，对静力触探的多个力学指标进行综合分析，聚类分割，从而划分统计均匀的土层界限。静探数据是一个随深度变化的有序数列，前后数据不可调换。最优分割法就是把这种有序数列进行有序分割，及分层，是的层内数据差别尽量的小，层间数据差别尽量的大。 ,9,qfR杨树荣基于最优分割法理论，以双桥静探所测得的三个力学指标、和为例用C语言编制csf ,10,了计算程序，计算各分割的总变差，选择最优分割点，最后确定分层界限。当一个地区的地层既有粘性土也有砂土时，往往砂土内变差较大，这样反映不出黏性土的变化，致使分层效果不好，因此一般采用二级(或多级)分层的方法。这样每次分层不会超过5层，其分层效果比较好，基本上反映了地基土的力学性质变化特征。该方法使得静力触探数据的采集和整理全部自动化，不仅提高了工作效率，减少了大量的人为错误，使处理过程更加科学化、自动化，并能充分发挥静探的特性。 3.3.2系统聚类法划分土层 聚类分析是研究分类问题的一种多元统计方法。Hegazy等运用聚类分析(hierarchical clustering method)对静探试验数据进行统计分析从而划分土层，归纳了聚类分析划分土层和土类的步骤:选择变量?数据标 ,11,准化?计算相似矩阵?选择聚类方法?确定类的个数?聚类结果的分析。文献,11,选择静探的锥尖阻 ,，，，，，，qQq/,,,,B,u,u/q,,力和孔压力u的正规化形式、作为变量，进行标准化后计tv0v0tq20tv0 算其相似系数矩阵，选择最近分等级法进行分类，通过定义最小层厚和确定土层标准，确定类的个数，进而划分土层。该法能够检验出一般方法或凭观察无法察觉到的相邻土层间的微妙变化，并可以检验到可能存在的危险情况或特殊土层，如岩溶地区、液化砂土或流沙等。 3.3.3统计模糊方法划分土层 Zhongjie Zhang和Mehmet T.Tumay考虑土的组成和土的力学性质的不确定相关性，根据CPT数据进 ,12,行土分层和分类。首先从CPT原始数据中定义与土类指标SI有统计关系的分类指标U，U是一个呈正态分布的随机变量。根据统一土分类系统中的各类土(七类，包括:GP、SP、SM、SC、ML、CL、CH)关于U的正态分布，运用区域估测和点估测等统计方法计算各类土的概率曲线。根据各点属于某类土的概率大小来判定土的分类和分层。另一方面，为了评价不同土类的性质，根据力学性质，定义了三个模糊土类(高概率粘性土HPC、高概率混合土HMS以及高概率砂土HPS)，并有经验数据给出了三类土关于U的概率密度函数，从而得出模糊土类指标曲线来确定土层。这种方法定义的土分类指标U在传统土分类和模糊法土分类中建立起了桥梁，从统计方法和模糊方法两方面来确定校核土的分层和分类，很大程度上保证土分层的合理性，但由于其需要大量的关于土的经验统计分布函数，而不易在工程上直接应用。 4 结论 本文较全面地介绍了静力触探原位测试技术在国内外的应用和发展，归纳总结了用单桥静力触探、双桥静力触探和孔压静力触探曲线数据辨认土类、划分土层的方法，并对各种方法进行了对比分析，所得主 Ps要结论如下:单桥静力触探只能获得一个单一指数，不足以准确判定土的种类，双桥静力触探可同时测 qfcs得锥尖阻力和侧壁摩阻力，因此较单桥静力触探具有较高的准确度。孔压静力触探方法综合运用q,hf,hu,hcs、和曲线划分土层，进一步提高了土层区分的精度和效率。随着计算机运算技术的发展，基于变量统计理论为基础的静力触探方法是今后的一个发展趋势。 参考文献 ,1,黄仕香.土性指标及地基沉降概率统计分析,D,.华南理工大学硕士学位论文，2005，6. ,2-3,刘松玉，吴燕开.论我国静力触探技术(CPT)现状与发展,J,.岩土工程学报，2004，26(4):553-556. 4,谢国瑞，郝志峰，汪国强等.概率论与数理统计,M,.北京:高等教育出版社，2002. , ,5,朱长歧等.WR-?型海洋静力触探(SCPT)数据处理系统中的岩土力学分层模型,J,.岩土力学，1994， 15(2):78-88. ,6,蔡守璋.静力触探采用综合法划分土类的探讨,J,.工程勘察，1987，3:16-19. ,7-8,张诚厚，施键，戴济群.孔压静力触探试验的应用,J,.岩土工程学报，1997，19(1):50-57. ,9,王学仁.地质数据的多变量统计分析,M,.科学出版社，1982. ,10,杨树荣.利用微机对静力触探资料进行力学分层,J,.电力勘测，1996，10(2):6-10. ,11,Yasser A Hegazy, Paul Mayne.Objective site characterization using clustering of piezocone data,J,.Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering，2002，128(12):986-996. ,12,Zhongjie Zhang，Mehmet T Tumay.Statistical to fuzzy approach toward CPT soil classification,J,. 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