靜力觸探技術(shù)的發(fā)展分析概述

張青青　劉旭　陳宇　齊琛森

【摘 要】靜力觸探的發(fā)明和應(yīng)用對(duì)于工程地質(zhì)勘探和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義，靜力觸探目前已成為巖土工程行業(yè)原位測(cè)試中最基本的試驗(yàn)手段之一。本文在介紹了靜力觸探測(cè)試的發(fā)展歷程與基本原理的基礎(chǔ)上，分析了靜力觸探現(xiàn)有存在的優(yōu)缺點(diǎn)，概括了目前實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛的幾種靜力觸探測(cè)試新技術(shù)，總結(jié)了各種新技術(shù)的特點(diǎn)及其工程應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】靜力觸探；原位測(cè)試；雙橋探頭；發(fā)展

1. 前言

巖土工程原位測(cè)試[1～2]能夠測(cè)得天然結(jié)構(gòu)條件下巖土體的工程性質(zhì)，在工程建設(shè)中起到十分重要的作用，而靜力觸探（Cone Penetration Test，簡(jiǎn)稱CPT）是應(yīng)用最廣和最成熟的手段之一。目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的工程界非常重視對(duì)靜力觸探的應(yīng)用和機(jī)理方面的研究。一方面希望通過(guò)這種手段獲得更多的參數(shù)，致力于多功能探頭的研究，同時(shí)也不斷擴(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，對(duì)靜力觸探進(jìn)行分析研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。

2. 靜力觸探測(cè)試的發(fā)展歷程與基本原理

2.1 靜力觸探測(cè)試的發(fā)展歷程。

早在1917年，瑞典鐵路工程中就正式采用了螺旋錐頭式靜力觸探，1930年荷蘭開始采用尖錐試驗(yàn)，國(guó)際上稱為荷蘭靜力觸探，這個(gè)方法較瑞典更為簡(jiǎn)捷，在國(guó)際上廣為流傳。1974年在瑞典召開了第一次歐洲觸探會(huì)議，實(shí)際上其規(guī)模遠(yuǎn)超出歐洲，屬國(guó)際學(xué)術(shù)交流會(huì)議。1982年在荷蘭阿姆斯特丹召開了第二次歐洲觸探會(huì)議，1984年在法國(guó)巴黎召開了第一次世界性的土工原位測(cè)試會(huì)議[3]。

法國(guó)1949年研制出第一臺(tái)靜力觸探儀。在1965年以后才大量應(yīng)用靜力觸探，許多著名建筑和重大工程都采用觸探法勘察地基。挪威1952年研制成電測(cè)式靜力觸探儀，1973年研制成用于海底勘探的靜力觸探儀，且認(rèn)為海底勘探的最好方法是靜力觸探。美國(guó)、前蘇聯(lián)在月球的勘察中研究和使用了宇宙宇航員操作的自動(dòng)記錄靜力觸探儀。新型靜力觸探儀的不斷出現(xiàn)，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際上受到廣泛的重視。

在我國(guó)解放初期的土力學(xué)課程中就有靜力觸探的內(nèi)容。1954年中國(guó)科學(xué)院土木建筑研究所利用研制的雙層管式靜力觸探設(shè)備，在黃土中進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4]；1965年原建工部綜合勘察院自行設(shè)計(jì)制造了電阻應(yīng)變式靜力觸探儀[5]，創(chuàng)制了我國(guó)第一個(gè)電測(cè)探頭，并通過(guò)近百組對(duì)比試驗(yàn)建立了貫入阻力與天然地基承載力的統(tǒng)計(jì)公式，為靜力觸探在我國(guó)的推廣使用打下了基礎(chǔ)。1967年中南勘察院和武漢城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院研制成功了機(jī)械傳動(dòng)靜力觸探儀[5～6]；1969年鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院研究成功了雙缸靜力觸探儀，促進(jìn)了我國(guó)靜力觸探的發(fā)展。目前，靜力觸探這次測(cè)試技術(shù)是我國(guó)原位測(cè)試技術(shù)中應(yīng)用最廣泛與和最成熟的測(cè)試手段之一。

2.2 靜力觸探測(cè)試的基本原理。

用靜力將一個(gè)內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受阻力自然也不會(huì)一樣，探頭附近一定范圍內(nèi)的土體受到壓縮和剪切破壞，如圖1所示。同時(shí)，土對(duì)探頭產(chǎn)生貫入阻力，其中包括端阻qc和側(cè)壁摩阻力fs，如圖2所示。在這一過(guò)程中，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過(guò)電信號(hào)輸入到記錄儀表中記錄下來(lái)。再通過(guò)貫入阻力與土的工程性質(zhì)之間的關(guān)系，從而取得土層剖面、估算地基承載力、選擇樁端持力層和預(yù)估單樁承載力等測(cè)試目的[7]。

3. 靜力觸探技術(shù)的發(fā)展

在傳統(tǒng)靜力觸探（CPT）的基礎(chǔ)上，在探頭上加各種不同用途的傳感器，便形成新的靜力觸探技術(shù)。應(yīng)用比較多的測(cè)試主要包括：孔隙水壓力靜力觸探測(cè)試（CPTU）、旁壓靜力觸探測(cè)試（CPT-PMT）、波速靜力觸探測(cè)試（SCP-TU）、電阻率靜力觸探測(cè)試（R-CPTU）、振動(dòng)靜力觸探測(cè)試（Vibro CPT）與放射性同位素靜力觸探測(cè)試（RI-CPT）等技術(shù)[9]。下面將分別介紹這幾種靜力觸探新技術(shù)與傳統(tǒng)靜力觸探的測(cè)試參數(shù)、特點(diǎn)及其主要應(yīng)用情況。

3.1 傳統(tǒng)靜力觸探測(cè)試。

傳統(tǒng)靜力觸探包括單橋靜力觸探與雙橋靜力觸探兩種。單橋靜力觸探所測(cè)參數(shù)為比貫入阻力ps，其特點(diǎn)為快速便捷；主要工程應(yīng)用為分層、評(píng)定地基承載力、確定壓縮模量和變形模量。雙橋靜力觸探所測(cè)參數(shù)為錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs，其特點(diǎn)為分層方便、經(jīng)濟(jì)、可測(cè)試土力學(xué)參數(shù)等；其主要工程應(yīng)用為修正錐尖阻力并使其真正反映土的性質(zhì)、評(píng)定滲流、固結(jié)特性、評(píng)定地基土的容許承載力、確定壓縮模量和變形模量等。

圖1 探頭貫入作用示意圖

圖2 探頭阻力分布圖

3.2 孔隙水壓力靜力觸探測(cè)試。

孔隙水壓力靜力觸探測(cè)試的所測(cè)參數(shù)為錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦阻力fs、孔隙水壓力u。其特點(diǎn)為靈敏度與分辨率高；主要工程應(yīng)用為判別土類和分層、修正孔隙水壓力對(duì)錐尖阻力qc和側(cè)壁摩擦阻力fs的影響、分析有效應(yīng)力、估算土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)、評(píng)定土的應(yīng)力歷史、評(píng)定砂土和粉土的液化勢(shì)和估算土的靜止側(cè)壓力系數(shù)等。

3.3 旁壓靜力觸探測(cè)試。

旁壓靜力觸探測(cè)試的所測(cè)參數(shù)為錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦阻力fs、孔隙水壓力u、固結(jié)系數(shù)和旁壓曲線。其特點(diǎn)為靈精度高且可在不同深度進(jìn)行試驗(yàn)；主要工程應(yīng)用為繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和評(píng)價(jià)孔周土體的承載力及變形性質(zhì)等。

3.4 波速靜力觸探測(cè)試。

波速靜力觸探測(cè)試可同時(shí)獲取靜探和波速資料。其特點(diǎn)為靈精度高且費(fèi)用低；主要工程應(yīng)用為確定地基土的波速和動(dòng)力參數(shù)、評(píng)定地基土類別、確定場(chǎng)地類別及土的工程性質(zhì)指標(biāo)等。

3.5 電阻率靜力觸探測(cè)試。

電阻率靜力觸探測(cè)試可測(cè)得多孔介質(zhì)及孔隙水的總電阻率。其特點(diǎn)為快速、經(jīng)濟(jì)、一孔多用等；主要工程應(yīng)用為研究地下介質(zhì)電阻率隨深度變化規(guī)律，解決地下水流速、流向及受污染的分布范圍等地質(zhì)問(wèn)題并可定量解釋層狀介質(zhì)等。

3.6 振動(dòng)靜力觸探測(cè)試。endprint

振動(dòng)靜力觸探測(cè)試所測(cè)參數(shù)為剪切波。其特點(diǎn)是具備多種功能；主要工程應(yīng)用為模擬地震時(shí)的剪切波、評(píng)定砂土的液化勢(shì)、分析對(duì)比振動(dòng)與不振動(dòng)時(shí)探頭的貫入阻力等。

3.7 放射性同位素靜力觸探測(cè)試。

放射性同位素靜力觸探測(cè)試所測(cè)參數(shù)包括隱伏構(gòu)造、巖體界線與介質(zhì)物理參數(shù)。其特點(diǎn)是不受電磁場(chǎng)的干擾；主要工程應(yīng)用為分清地層、研究和預(yù)測(cè)一些緩慢變化的動(dòng)力地質(zhì)過(guò)程及探測(cè)是否有放射性污染等。

4. 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，靜力觸探技術(shù)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用靜力觸探的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)各種不同靜力觸探測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)及其工程應(yīng)用范圍，采取相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)。同時(shí)，加強(qiáng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，廣泛吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的方法與理論，結(jié)合巖土工程實(shí)際情況進(jìn)一步的開發(fā)利用新型測(cè)試儀器，使原位測(cè)試手段更加先進(jìn)、可靠、便捷和準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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[文章編號(hào)]1619-2737（2014）10-11-283

[作者簡(jiǎn)介] 張青青（1984-），女，籍貫：湖北荊門人，碩士研究生，主要從事巖土工程理論研究與工程應(yīng)用。endprint