静力触探测试法的仪器设备

　静力触探测试法的程序和要求~

（一）准备工作
1.探头率定（probe calibration）
应根据测试要求和土层软硬情况选用触探头。在使用前，必须先率定，新探头或使用一段时间（如3个月）后的探头都应进行率定。其目的是求出测量仪表读数与荷载之间的关系——率定系数。将率定系数乘以仪表读数，就可求出各贯入阻力值的大小。
率定工作应在专门的标定装置上进行（图2—28），首先按图2—28装好率定设备及探头，并接通仪表，然后加荷、卸荷三次以上，以释放掉空心柱由于机械加工而产生的残余应力，减少应变片的滞后和非线性；随后就可正式加压率定。率定所用记录仪表同测试用仪表。探头率定曲线应为一直线（图2—29）。
率定方法可根据TBJ 37-93规定进行。
探头的率定方法，按供桥电压对仪表、探头的输入和输出关系，分为以下两种：
（1）固定桥压法：固定仪器的供桥电压，率定施加于探头的荷载与仪表输出值之间的对应关系。此方法适用于电阻应变仪、数字显示仪及带电压表的自记式仪器。
（2）固定系数法：根据仪器性能和使用要求，先令定探头的率定系数为某一整数值（称令定系数），率定探头在该令定系数时对应于所施加的荷载及仪器所需要的供桥电压值。此法适用于桥压连续可调的自记式仪器。
用固定桥压法率定探头时，应符合下列要求：
（1）在固定的供桥电压下，对探头加荷和卸荷，应逐级进行。每级荷载增量可取探头最大加载量的1/10—1/7；但在第一级荷载区间内，宜进一步细分成三级。

图2—28　钢环测力式探头率定装置图

1—活动架上梁；2—顶帽；3—探头；4—活动架；5—底座；6—百分表；7—钢环；8—传动箱；9—手柄；10—顶针
（2）每级加荷或卸荷均应记录仪表输出值。探头率定记录格式可参照表2—6制作。
（3）每次率定，其加、卸荷不得少于3个循环。
对于顶柱式传感器或传感器与传力垫可以相对转动的探头，每加、卸荷一个循环后，应转动顶柱或传力垫90°—120°，再进入下一个加、卸荷循环过程。
用固定系数法率定探头，应按下列步骤进行：
（1）按下式计算记录纸中点荷载：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：DM——笔尖自记录纸零位线到中位线所需的荷载（即中点荷载）（kN）;
K——探头的令定系数；
A——探头的锥尖投影面积或侧壁摩擦筒表面积（cm2）;
L——记录纸的有效宽度（cm）。
（2）在2—8V范围内先输入一个假定桥压，施加荷载为Pm，调整桥压使笔尖对准中线，然后卸荷，转动调零旋钮使笔尖对准零位线。复加Pm。重复上述操作过程，直至探头在空载和中点荷载两种状态下，笔尖能一道指零和对中为止。此时的供桥电压值，即为在该令定系数下的率定桥压。
（3）在率定桥压下，以Pm/5为一级，逐级对探头加荷，直至纸带满幅荷载（2Pm）。然后逐级卸荷回零，完成一个加、卸荷循环过程。与此同时，启动走纸机构，使率定曲线成梯状，以便读取数据。
在分级加荷（或卸荷）过程中，当出现加荷（或卸荷）过量时，应将荷载回复到预定荷载的前一级荷载，再加（或卸）至预定荷载。

图2—29　探头率定曲线


表2—6　探头率定记录表

对一批检测精度合格的探头，应抽出其总数的10%—20%，进行如下两种检验性率定。
（1）对探头进行时漂检验，应在恒温条件下，将探头与仪器接通工作电源，待其预热并统调平衡后，记录探头在空载状态下仪表的零输出随时间而变化的过程值。记录的时间间隔由密而疏，累计观测时间不宜少于2h。然后点绘零输出值与时间的关系曲线，即为探头的时漂修正曲线。
（2）对探头进行温漂检验，应利用温度可调和可控的热处理装置，在－10—45℃范围内，分级测定探头在各级温度下仪器的零输出值，点绘零输出值与温度的关系曲线（即探头的温漂修正曲线）。连同探头时漂检验结果一并记入表格（表2—7）。

表2—7　探头技术卡片

2.探头率定结果计算
（1）探头经率定后，应按下列步骤计算其率定系数：
①按表2—6要求，分别计算同级荷载下各次加荷和卸荷的仪表平均输出值。
②以荷载为横轴，以仪表输出值为纵轴，根据各级荷载下算得的平均输出值，点绘荷载（P）-输出值（x）的关系曲线。此曲线应是一条过原点的直线。
③按下式计算探头的率定系数：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：K——率定系数；
Pi——第i级荷载（kN）;
A——探头的工作面积（cm2）；
——第i级荷载下，仪表的平均输出值，
——第i级荷载加上后，仪表的平均输出值；
——卸至第i级荷载时，仪表的平均输出值；

图2—30　探头率定曲线及其误差

（2）探头各项检测误差计算，应符合下列要求：
①以过原点的公式（2—52）所确定的直线，定为“最佳直线”。
②探头的检测误差统一采取极差值，以满量程输出值的百分数表示（图2—30）。
③按公式（2—53）至（2—56）计算探头的各项误差：
非线性误差　
重复性误差　
滞后误差　
归零误差　
式中： ——加荷（或卸荷）至第i级荷载时仪表的平均输出值；
——重复加荷（或卸荷）至第i级荷载时仪表输出值的极差；]]0——卸荷归零时仪表的平均不归零值。
FS——在额定荷载下仪表的满量程输出值；
其它符号同前。
④上列计算的检验误差及总误差均满足下列要求时，该探头即符合精度要求，即测力传感器的检测总误差不应大于3%FS，其中非线性误差、重复性误差、滞后误差、归零误差均应小于1%FS。
（3）探头的灵敏度可根据起始感量（Y0）按表2—8规定标准分级；工作中应视场地地层情况和勘察要求，合理使用探头。

表2—8　探头灵敏度分级

（4）起始感量应按下式计算：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：Y0——起始感量；
K——探头的率定系数，按公式（2—52）计算；
△x——仪表的有效（最小）分度值。
当计算出的Y0值超过表2—8规定的数值时，应提高供桥电压或换用薄壁传感器探头，重新率定、计算。
3.仪器安装、检查与调试
将测量电缆穿入各节探杆，探杆根数或总长度要满足所测地层的最大深度要求，后将探头通过电缆与测量仪表联接起来。注意检查各部件应附合质量要求。检查内容如下：
（1）探头、探杆和信号电缆检查：探头锥尖、顶柱和摩擦筒应滑动灵活；否则，将其拆下擦洗上油或换新。久用的探头，其尺寸会变小，其误差超过1%时应换新。探杆应平直无损伤。电缆外皮应无损坏，如局部有轻微损伤，可涂防水胶，并用防水胶布包裹。
（2）测量记录仪表检查：
①自动记录仪检查：a.接通外电源，打开仪器电源开关，如指示灯不亮，主要是电源线路有故障，应及时排除。b.记录笔出水是否流畅。c.将角机发讯机与仪表接通，按贯入方向拨动角机滚轮，记录纸应跟着转。如记录纸不动，拨动角机时角机内也无“嗡嗡”响声，则可能角机有问题；如记录纸转动方向相反，可调换一根信号线。d.接上探头，检查整个测试系统工作是否正常：转动调压旋钮，直流电压表应随之变化，外接数字电压表有数字显示并稳定。转动调零旋钮，记录笔应在纪录纸整个宽度范围内自由移动。如调节旋钮，记录笔不动，则先用“自校探头”检查探头或电缆有无问题。如探头或电缆无问题，可判定是仪器内出了故障，再打开仪器进行检查。e.经常擦洗滑线电阻盘，检查滚子与滑线电阻丝接触是否良好。
②测量记录仪表检修及故障的排除方法：详见表2—9和表2—10（摘自TBJ37-93）。

表2—9　电阻应变仪检修方法

4.其它准备工作
（1）现场作业前应了解以下情况：
①工程类型、名称、孔位分布和孔深要求。
②测试区地形、交通、地层情况。
③测试区地表有无杂物及地下设施，以及它们的确切位置，有无高压电线、强磁场源；使用外接电源工作时，了解其供电情况。
（2）使用触探车进行测试时，须做以下准备工作：
①检查、维修汽车，重点是刹车、方向盘，轮胎、电气及供油系统，使整个汽车处于良好状态。
②对油路系统，主要是检查油泵、触探油缸和支腿油缸、各换向阀、油马达等是否正常，各接头、管路有无漏油现象，压力表是否完好等。
（3）使用（可测）孔隙水压力探头时，须做以下准备工作：

表2—10　自动记录仪故障的排除

①在测试开始前，应对孔隙水压力探头进行饱和。这是保证孔压测量正确的关键。如果探头孔压量测系统含有1%的空气（在一个大气压下），则其压缩性为纯水的1000倍；如含有溶解空气的水，则其压缩性为纯水的100倍。如果探头孔压量测系统通道未被水饱和，测量孔压时，则有一部分孔隙水压力在传递过程中会消耗在压缩空气上，使所测孔隙水压力值比实际值小，且滞后。
排除水中空气的方法有加热排气法和真空排气法。加热排气的水在冷却过程中仍有空气溶解于水中；真空排气法是对充有水的透水滤器（也称滤水器）及空腔施加真空，同时施加振动，达到排气的目的。当室温为20℃时，排除5L水中的空气，一般需10—12h。
除了用水饱和孔压量测系统外，也可采用其他液体，如硅油、甘油和酒精等。使用硅油有以下好处：
a.可在真空要求较低条件下使滤水器等饱和，真空排气所需时间比用水短；
b.可以调制最佳粘滞度的油液；
c.与透水滤器有良好的表面粘着力，当探头穿过不饱和土层时，或探头暴露在空气中时，探头孔压量测系统不易进气失去饱和度。
d.有良好绝缘性，能防止滤水器氧化。
②孔压探头饱和装置如图2—31所示，此装置由同济大学研制，由浙江温岭南光地质仪器厂生产。

图2—31　孔压静探探头排气饱和装置

③孔压静探探头量测系统的检验与标定：孔压静探探头测力传感器的检验与率定（非线性误差、滞后误差、归零误差、qc与fs测力传感器的相互干扰、绝缘电阻等），与常规的静探探头相同。对孔压探头，还应进行以下检验与标定。
a.孔压量测系统饱和度检验，采用孔压响应试验。在排气饱和标定装置中（图2—31）的密封容器内设置一个孔压传感器，记录密封容器压力与探头孔压传感器的变化。如两者同步变化，无时间上滞后，幅值（大小）相等，即认为完全达到饱和；否则，应检查原因，重新对探头进行饱和。
b.测力传感器与孔压传感器之间相互干扰检验。
c.探头孔压传感器在高孔隙水压力下的绝缘性检验。
（二）现场操作要点
1.贯入、测试及起拔要点
（1）将触探机就位后，应调平机座，并使用水平尺校准，使贯入压力保持竖直方向，并使机座与反力装置衔接、锁定。当触探机不能按指定孔位安装时，应将移动后的孔位和地面高程记录清楚。
（2）探头、电缆、记录仪器的接插和调试，必须按有关说明书要求进行。
（3）触探机的贯入速率，应控制在1—2cm/s内，一般为2cm/s；使用手摇式触探机时，手把转速应力求均匀。
（4）在地下水埋藏较深的地区使用探头触探时，应先使用外径不小于孔压探头的单桥或双桥探头开孔至地下水位以下，而后向孔内注水至与地面平，再换用孔压探头触探。
（5）探头的归零检查应按下列要求进行：
①使用单桥或双桥探头时，当贯入地面以下0.5—1.0m后，上提5—10cm，待读数漂移稳定后，将仪表调零即可正式贯入。在地面以下1—6m内，每贯入1—2m提升探头5—10cm，并记录探头不归零读数，随即将仪器调零。孔深超过6m后，可根据不归零读数之大小，放宽归零检查的深度间隔。终孔起拔时和探头拔出地面后，亦应记录不归零读数。
②使用孔压探头时，在整个贯入过程中不得提升探头。终孔后，待探头刚一提出地面时，应立即卸下滤水器，记录不归零读数。
（6）使用记读式仪器时，每贯入0.1m或0.2m应记录一次读数；使用自记式仪器时，应随时注意桥压、走纸和划线情况，做好深度和归零检查的标注工作。
（7）若计深标尺设置在触探主机上，则贯入深度应以探头、探杆入土的实际长度为准，每贯入3—4m校核一次。当记录深度与实际贯入长度不符时，应在记录本上标注清楚，作为深度修正的依据。
（8）当在预定深度进行孔压消散试验时，应从探头停止贯入之时起，用秒表记时，记录不同时刻的孔压值和锥尖阻力值。其计时间隔应由密而疏，合理控制。在此试验过程中，不得松动、碰撞探杆，也不得施加能使探杆产生上、下位移的力。
（9）对于需要作孔压消散试验的土层，若场区的地下水位未知或不确切，则至少应有一孔孔压消散达到稳定值，以连续2h内孔压值不变为稳定标准。
其它各孔、各试验点的孔压消散程度，可视地层情况和设计要求而定，一般当固结度达60%—70%时，即可终止消散试验。
（10）遇下列情况之一者，应停止贯入，并应在记录表上注明。
①触探主机负荷达到其额定荷载的120%时；
②贯入时探杆出现明显弯曲；
③反力装置失效；
④探头负荷达到额定荷载时；
⑤记录仪器显示异常。
（11）起拔最初几根探杆时，应注意观察、测量探杆表面干、湿分界线距地面的深度，并填入记录表的备注栏内或标注于记录纸上。同时，应于收工前在触探孔内测量地下水位埋藏深度；有条件时，宜于次日核查地下水位。
（12）将探头拔出地面后，应对探头进行检查、清理。当移位于第二个触探孔时，应对孔压探头的应变腔和滤水器重新进行脱气处理。
（13）记录人员必须按记录表要求用铅笔逐项填记清楚，记录表格式，可按以上测试项目制作（见第八章）。
2.注意事项
（1）保证行车安全，中速行驶，以免触探车上仪器设备被颠坏。
（2）触探孔要避开地下设施（管路、地下电缆等），以免发生意外。
（3）安全用电，严防触（漏）电事故。工作现场应尽量避开高压线、大功率电机及变压器，以保证人身安全和仪表正常工作。
（4）在贯入过程中，各操作人员要相互配合，尤其是操纵台人员，要严肃认真、全神贯注，以免发生人身、仪器设备事故。司机要坚守岗位，及时观察车体倾斜、地锚松动等情况，并及时通报车上操作人员。
（5）精心保护好仪器，须采取防雨、防潮、防震措施。
（6）触探车不用时，要及时用支腿架起，以免汽车弹簧钢板过早疲劳。
（7）保护好探头，严禁摔打探头；避免探头暴晒和受冻；不许用电缆线拉探头；装卸探头时，只可转动探杆，不可转动探头；接探杆时，一定要拧紧，以防止孔斜。
（8）当贯入深度较大时，探头可能会偏离铅垂方向，使所测深度不准确。为了减少偏移，要求所用探杆必须是平直的，并要保证在最初贯入时就不应有侧向推力。
当遇到硬岩土层以及石头、砖瓦等障碍物时，要特别注意探头可能发生偏移的情况。国外已把测斜仪装入探头，以测其偏移量。这对成果分析很重要。
（9）锥尖阻力和侧壁摩阻力虽是同时测出的，但所处的深度是不同的。当对某一深度处的锥头阻力和摩阻力作比较时，例如计算摩阻比时，须考虑探头底面和摩擦筒中点的距离，如贯入第1个10cm时只记qc；从第2个10cm开始，才同时记qc和fs。
（10）在钻孔、触探孔、十字板试验孔旁边进行触探时，离原有孔的距离应大于原有孔径的20—25倍，以防土层扰动。如要求精度较低时，两孔距离也可适当小些。

依据建标(CECS 04：88)《静力触探技术标准》和铁道部的TBJ37-93规则的有关规定编写。静力触探资料整理，通常包括：①单孔原始资料的整理；②绘图及分层；③确定场地分层触探指标；④提交勘察报告书。
一、单孔原始资料整理
对原始记录出现下列现象时，宜分别进行处理：①记录数据或记录上出现的零点漂移超过满量程的±1%时，可按线性内插法校正；②记录曲线上出现脱节现象，应以停机前记录为准，并与开机后贯入10cm深度的记录连成圆滑的曲线；③记录深度与实际深度的误差超过±1%时，应查明原因。一般可在出现误差的深度范围内，等距离调整；④当有漏读、漏记而造成的差错时，应在遗漏处予以补全。当使用装有测斜仪的触探头时，测得的孔斜大于8°，应作深度校正。
1.电阻应变仪量测的原始资料的整理
(1)初读数控正：前已述及，初读数的变化主要是由于温度变化引起的。为消除其影响，外业工作中已每隔一定深度测记一次初读数。对于这种测记了初读数变化情况的原始记录，应变仪读数按下式校正：
ε=ε1-ε0 (3-15)
式中：ε为应变量；ε1为应变仪读数；ε0为应变仪初读数。
应变量的正、负，视空心桩的受力条件而定：受拉型，ε为正；受压型，ε则为负。
(2)贯入阻力的计算：各贯入阻力指标按下式计算：

土体原位测试与工程勘察

式中：ps为单桥探头的比贯入阻力；qc为双桥探头的锥头阻力；fs为侧壁摩擦力；Kp、Kq、Kf分别为ps、qc、fs传感器的标定系数(kPa/με或kPa/mV)；εp、εq、εf分别为ps、qc、fs传感器的应变量(με)或输出电压值(mV)；
(3)摩阻比Rf：是同一深度的侧摩阻力fs与锥尖阻力qc之比，以百分数表示：

土体原位测试与工程勘察

摩阻比通常可表示成某层平均的fs与平均的qc之比(详见图3-20右图所示)。
2.自动记录仪量测的原始资科整理
(1)零漂校正：当观察到零漂变化不太大时，可按线性内插法予以校正。即：把曲线上测出归零变化情况的各点连线作为零位线(图3-17)，将剖面图或柱状图上铅直的纵坐标线(初始零位线)，一段一段地对准原始记录曲线上的折线型零位线，描下曲线并把开口部分圆滑地连接起来，这种作法会使曲线有些失真，但不会太大。
(2)曲线形状修正：对于非连续贯入触探仪，往往会发现每一行程结束和新的行程开始时，曲线出现台阶状或喇叭口状，如图3-18所示。上述现象的出现，可能是由于停机后探头周围土的应力状态有了改变而引起的；也可能是由于开机有动应力作用或仪器的灵敏度差而引起的，原因比较复杂。对这种情况，一般以停机的曲线位置为准，顺应曲线变化趋势将曲线较圆滑地连接起来就可以了，如图3-18中虚线所示。

图3-17 零漂校正


图3-18 曲线形状修正


图3-19 变换拱桥电压的曲线脱节修正

(3)深度修正：实际贯入深度按下式计算：
D=nl+h-Δl (3-18)
式中：D为探头实际贯入深度(m)；n为贯入土中的探杆根数；l为探杆长度(m)；h为从锥底全断面处起算的探头长度(m)；Δl为未入土的探杆余长(m)。
(4)变换供桥电压而引起曲线脱节的校正：在正常情况下，贯入过程中是不应该变换供桥电压的。但如果事先对地层情况了解不够，采用了大的桥压贯入，指针达到了满量程(非障碍物引起)但还能继续贯入，这就需要减小桥压，因而就出现了曲线脱节现象。处理这类问题，可依据输出电压与供桥电压之间的近似线性关系，将下段曲线按深度每隔20cm比例放大，再将放大后的各点圆滑连接起来(图3-19)。这种处理方法不甚精确，但也是个实用的变通方法。
二、绘图及分层
当有特别必要或场地只有一个触探孔时，可画单孔触探曲线图(图3-20)，一般工程只画剖面图就可以了。

图3-20 单孔静力触探曲线

作剖面图时，先将剖面线上各触探孔(及钻孔)按孔口高程、孔深和孔距画在透明纸上，以深度为纵坐标，以比贯入阻力ps或锥尖阻力qc和侧摩阻力fs(及摩阻比Rf)为横坐标，绘出ps—H、qc—H、fs—H(或Rf-H)关系曲线，进行力学分层和连线，计算分层贯入阻力。这样就成了张静力触探剖面图(图3-21)。现将作图中的问题说明如下。

图3-21 静力触探剖面图

1.触探曲线坐标的比例
采用电阻应变仪和数字测力仪量测时，由于记录的是数字，所以绘制触探曲线时纵、横坐标的比例，可按表3-6选用。

表3-6 比例选用表

侧壁摩擦力和锥头阻力的比例，可匹配成1：100。
(1)采用自动记录仪时，由于记录本身就是触探曲线，所以绘图时的纵坐标就采用记录纸的比例(一般采用1：100)；至于横坐标则取决于探头的标定方法和标定系数。
(2)若采用标定供桥电压法标定探头，那么由上表可见，只要选定一个探头系数，横坐标1cm长度所代表的贯入阻力值就是固定的。
(3)若采用固定桥压法，那么横坐标1cm长度所代表的贯入阻力值就需要另外换算。如一单探头的Kp=1.25MPa/mV，输出电压1mV，在记录纸带上的宽度为1.2cm，则横坐标1cm所代表的ps=1.25/1.2=1.04MPa，等等。
2.分层方法
根据触探曲线划分土层，其划分的详细程度应满足工程建设的需要。对与地基强度、变形或场地稳定性有重大影响的土层应详细划分。当采用单桥探头测试时，应以比贯入阻力与深度的变化曲线进行力学分层；当采用双桥探头测试时，应以锥头阻力与深度变化曲线为主，再结合侧壁摩擦力和摩阻比随深度的变化曲线进行力学分层。进行力学分层时，每层中最大贯入阻力与最小贯入阻力之比，不应大于下表3-7中的规定。

表3-7 力学分层按贯入阻力变化幅度的分层标准

应用上述公式求每层触探参数平均值时，应注意以下几点：
(1)当分层厚度大于1m，且土质比较均匀时，应扣除其上部滞后深度和下部超前深度范围的触探参数值。
(2)对于分层厚度不足1m的均质土层，应取其最小值为分层平均值层；如为软层，应取其大值平均值(最大值上、下各20cm范围内的大值平均值)。
(3)分层曲线中，如遇特殊大值，应予剔除，不参与平均计算。
3.分层界线
划分分层界线时，应考虑贯入阻力曲线中的超前和滞后现象，一般以超前和滞后的中点作为分界点。触探结合钻探时，触探分层应与钻探记录综合考虑。
静力触探由软层进入硬层或由硬层进入软层时，曲线会出现一过渡段，此即所谓的“超前”和“滞后”问题(图3-22)。产生这种现象的原因可以是在变层附近探头所受的应力有所变化；也可以是由于变层附近土的性质(如含水量、粒度成分等)的渐变等因素而引起的。一般过渡段代表的土层厚度有10～30cm，分层界线可选在曲线过渡段的中点。如果过渡段较厚，由软变硬分层界线选在过渡段的中下方；由硬变软时则选在中上方；或考虑单独分层问题。具体方法：

图3-22 地层变化时的分层线


图3-23 临界深度示意图

(1)根据贯入曲线特征和参数值大小，结合下述土类划分的具体标准进行下一步工程地质分层，对每层土进行定名。
(2)用临界深度概念准确确定各土层分界面：探头前后一定范围内的土层性质，均对触探参数值有影响。因此，各参数是探头上下一定厚度土层的综合贯入阻力值。模型试验及实测表明：地表厚层均质土的贯入阻力，自地面向下是逐渐增大的，当超过一定深度后，阻值才趋于近似常数值。
这个土层表面下的“一定深度”，称为临界深度(Hcr)。如下层土硬，阻值随探头贯入深度增大而继续增大；如下层土软，则变小。这一变化称为滞后段。同样下层也有一个变化段，称为超前段，可统称为层面影响段。
因此，每一层的阻值曲线都有超前段、近似常数段及滞后段。显然，近似常数段的平均阻值，才是该层土的真实阻力值。土层分界面应基本位于层面影响段(滞后段和超前段曲线)的中间位置(图3-23)。
经过以上两步，即可按力学分层将各触探孔连成土层剖面。在有测试经验地区，精度也相当高；在无测试经验地区，或为慎重起见，应以少量钻孔取样，做室内试验进行验证。
4.单孔分层贯入阻力
在划定分层界线后，便可计算单孔分层的平均贯入阻力。计算时，变层附近过渡段以及较薄的贯入阻力峰谷值都不予以考虑。对一般地层，平均贯入阻力可用矩形面积代替曲边梯形面积法直接在图上量取(图3-24和图3-25)。

图3-24 单孔分层平均比贯入阻力


图3-25 单桥探头静力触探曲线

双桥探头在计算摩阻比时，可不考虑锥头阻力和侧壁摩擦阻力在同一测点深度上的差异。单孔各土层贯入阻力的计算方法，应根据所使用的量测仪器确定。当使用电阻应变仪或数字测力仪量测时，可采用算术平均法，当使用电子电位差计量测时，可采用面积法计算。
其格式可见图3-26所示。
在计算单孔分层贯入阻力时，应剔除记录中的异常点以及超前和滞后值。在判别砂土液化时，对贯入阻力变化较大、且较薄的夹层或互层，应分别计算其各自土层的贯入阻力。
三、场地触探指标
作为一个勘察场地，通常布置了若干触探孔。在提出的勘察报告中，应提出场地每一土层的触探指标，并以此为依据进行地基评价。
选择场地触探指标要考虑勘察阶段、场地复杂程度、工程重要性和指标分散程度等因素。勘察场地各土层的贯入阻力，可分为一般值和计算值两类。在选址或初勘阶段可提供一般值；详勘或施工勘察阶段则可提供一般值和计算值。可按下面的方法计算。
一般值：可采用场地单孔各土层贯入阻力的范围值(或算术平均值)。
计算值：应按土质均匀性和建筑物的类别确定。
当土质均匀、测试数据离散度较小，或为Ⅱ类建筑物时，应以各触探孔穿越该层的厚度为权，采用厚度的加权平均法，按下式来计算场地各土层的贯入阻力：

土体原位测试与工程勘察

式中： (或 、 )为场地各土层贯入阻力的平均值(kPa)；hi为第i孔穿越该层的厚度(m)；psi(或qci、fsi)为第i孔中该层的单孔贯入阻力(kPa)。

图3-26 双桥探头静力触探曲线

当土质不均，测试数据离散度较大，或为Ⅰ类建筑物时，根据指标所需解决的问题，可分别按下列公式计算其最大平均值或最小平均值：

土体原位测试与工程勘察


土体原位测试与工程勘察

式中： (或 、 )max和 (或 )min分别为场地各上层贯入阻力的最大平均值和最小平均值(kPa)； 为按厚度加权平均法计算的场地分层贯入阻力(kPa)； (或 )max和 (或 )min分别为场地各孔中该层的单孔贯入阻力的最大值和最小值(kPa)。
对于有特殊要求的工程，场地各土层的贯入阻力，必要时可按保证界限法提供计算值。
四、勘察报告书
由于静力触探既是一种原位测试手段，又是一种勘探手段，因此，在单独使用后或与钻探配合对场地勘察后，就可以对场地进行工程地质评价并提出报告书。其格式和内容与一般勘查报告相似。不同之处是：在图件上，提供静力触探剖面图或柱状图；在文字论述上，包括有：静力触探指标内容以及注明静力触探设备、探头规格等。

静力触探设备，俗称静力触探仪，一般由三部分构成，即：①静力触探头：地层阻力传感器；②量测记录仪表：测量与记录探头所受各种阻力；③贯入系统：包括触探主机与反力装置，共同负责将探头压入土中。触探主机借助探杆将装在其底端的探头压入土中；反力装置则提供主机在贯入探头过程中所需之反力。目前广泛应用的静力触探车集上述三部分为一整体。静力触探车具有贯入深度大（贯入力一般大于10t）、效率高和劳动强度低的优点。但它仅适用于交通便利、地形较平坦及可开进汽车的勘测场地使用。贯入力等于5t或小于5t者，一般为轻型静力触探仪。使用时，一般都将上述三部分分开装运到勘测现场，进行测试时再将三部分有机地联接起来。在交通不便、勘测深度不大或土层较软的地区，轻型静力触探应用很广。它具有便于搬运、测试成本较低及灵活方便之优点。静力触探仪的贯入力一般为2t—20t，最大贯入力为20t，因为细长的探杆受力极限不能太大，太大易弯曲或折断。贯入力为2t—3t者，一般为手摇链式电测十字板－触探两用仪。贯入力大于5t者，一般为液压式主机。现介绍几种主要的和常用的触探仪。

（一）常用静力触探仪介绍

1.CLD型静力触探－十字板剪切两用仪

由四川省建筑科学研究所与华东电力设计院研制，目前由上海市新卫机器厂、浙江南光地质仪器厂及江苏如皋工程勘测机械厂等生产（参见本书第六章图6—3）。

CLD-1型，最大贯入力为2t，总重（包括工具）0.2t，配用探头面积为10cm²，配用十字板尺寸为50mm×100mm×2mm，主机重50kg，最大外形尺寸为100cm×30cm×145cm。本机轻便，一机多用，特别适用于软土地区。

CLD-3型，最大贯入力为3t，主机重65kg，可两面手摇，主机架比CLD-1型坚固，其它规格同CLD-1型。本机贯入力比CLD-1型加大，轻便，贯入深度也相应提高。

2.托挂式静探仪

由铁道部科学研究院第三设计院设计，由浙江宁波勘测机械厂（现为镇海电讯厂勘测机械分厂）生产，型号为DY-5型。该机具有小巧轻便、结构紧凑等特点，属轻型静探仪。其主要技术参数如下：额定贯入力为5t，额定起拔力为7.6t，贯入速率为0.5—1.6m/min，起拔速率为3m/min，油缸行程为0.5m。

由中国船舶工业总公司勘察研究院研制，由杭州市富阳科学仪器厂生产的MJ-2型拖挂式静力触探机，具有轻便灵活、占地小、性能稳定等优点，属中等贯入能力的设备。其主要性能及技术规格如下：总贯入力为10t，贯入速度为1m/min，起拔速度为2m/min，最大行程为1.2m，整机重430kg，外形尺寸为385cm×135cm×230cm，动力为3.5/4.5kW，电源电压为380V，有地锚4—8个。

3.静力触探车

目前，我国生产静力触探车的厂家较多，主要有浙江宁波勘测机械厂、江苏省如皋勘测机械厂、大连拉伸机厂、沈阳探矿机械厂及上海地质仪器厂等。各厂生产的触探车贯入能力都已达到20t，都有封闭式车箱，可以在不受气候条件影响下进行野外作业。

现将浙江宁波勘测机械厂的产品规格列于表2—2中。

（二）探头

1.探头的种类及规格

探头是静力触探仪的关键部件。它包括摩擦筒和锥头两部分，有严格的规格与质量要求。目前，国内外使用的探头可分为三种类型（见图2—22）。

（1）单用（桥）探头：是我国所特有的一种探头类型。它是将锥头与外套筒连在一起，因而只能测量一个参数。这种深头结构简单，造价低，坚固耐用，是我国使用最多的一种探头。它对推动我国静力触探测试技术的发展和应用起到了积极的作用，自60年代初开始应用以来，积累了相当丰富的经验，已建立了关于测试成果和土的工程性质之间众多的经验关系式。由于测试成本低，被勘测单位广泛采用。但应指出，这种探头功能少，其规格与国际标准也不统一，不便于开展国际交流，其应用受到限制。

（2）双用（桥）探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可同时测锥头阻力和侧壁摩擦力两个参数的探头。国内外普遍采用，用途很广。

表2—2　宁波勘测机械厂生产的触探仪

（3）多用（孔压）探头：它一般是在双用探头基础上再安装一种可测触探时产生的超孔隙水压力装置的探头。70年代末，国外开始应用。国内已引进多种，如中国地质大学等引进的Fugro孔压静探仪。国内已研制成功，如上海同济大学研制的孔压探头，已由浙江温岭南光地质仪器厂生产。还有铁道部科学研究院研制的孔压探头。孔压探头最少可测三种参数，即锥尖阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力，功能多，用途广，在国外已得到普遍应用。在我国，也会得到越来越多的应用。

此外，还有可测波速、孔斜、温度及密度等的多功能探头，不再一一介绍。常用探头规格见表2—3。

探头的功能越多，测试成果也越多，用途也越广；但相应的测试成本及维修费用也越高。因而，应根据测试目的和条件，选用合适的探头。表2—3中所列探头的底面积不同，主要是为了适应不同的土层强度。探头底面积越大，能承受的抗压强度越高；另一个原因是可有更多的空间安装附加传感器。但在一般土层中，应优先选用具国际标准的探头，即探头顶角为60°，底面积为10cm²，侧壁摩擦筒表面积为150cm²的探头，以便开展技术交流，便于应用和集思广益。

图2—22　静力触探探头类型

a.单用探头；b.双用探头；c.多用探头

1—锥头；2—顶柱；3—电阻应变片；4—传感器；5—外套筒；6—单用探头的探头管或双用探头侧壁传感器；7—单用探头的探杆接头或双用探头的摩擦筒；8—探杆接头；L—单用探头有效侧壁长度；D—锥头直径；a—锥角

表2—3　常用探头规格

2.有关探头设计的问题

对此问题可扼要说明几点：①探头空心柱与其顶柱应有良好接触，采用顶珠接触最好，可使传感器受力均匀，也容易加工。②加工空心柱（弹性元件）的钢材应具有强度高、弹性好、性能稳定、热膨胀系数小及耐腐蚀等特征。国内一般选用60Si₂Mn（弹簧钢）和40CrMn钢制作空心柱。其它部件可采用40Cr或45号钢，需作好热处理。③由式（2—41）可知，空心柱应变量的大小和地层阻力及空心柱环形截面积有关。在相同地层阻力的情况下，应变量越大（也就是越灵敏），它能承受的最大荷载也就会愈小。要兼顾这两者，如前所述，可以选择好的钢材。但这还不够，为适应不同地区、不同软硬土层贯入的需要，目前厂家一般均生产几种不同额定荷载（当空心柱材料一定时，就相当于不同截面积）的探头选用。一般在软土地区可选用额定荷载小一些的比较灵敏的探头；反之，则选用额定荷载大一些的探头。④铁道部“静力触探技术规则（TBJ37-93）”规定：探头规格、各部加工公差和更新标准应符合表2—4、表2—5和图2—23、图2—24的要求，⑤探头的绝缘性能，应附合下列规定：探头出厂时的绝缘电阻应大于500MΩ，并且在500kPa水压下恒压2h后，其绝缘电阻仍不小于500MΩ。用于现场测试的探头，其绝缘电阻不得小于20MΩ。⑥对于各种探头，自锥底起算，在1000mm长度范围内，任何与其连接的杆件直径不得大于探头直径；为降低探杆与土的摩擦阻力而需加设减摩阻器时，亦只能在此规定范围以上的位置设置。⑦探头贮存应配备防潮、防震的专用探头箱（盒），并存放于干燥、阴凉的处所。

表2—4　单桥探头规格

表2—5　双桥探头及孔压探头规格

续表

注：①a=F_A/A,F_A=1/4πd²，对孔压探头a值不受限制。

②e₁、e₂为工作状态下的间距。

图2—23　单桥探头外形图

图2—24　双桥探头（上）及孔压探头（下）形状图

（三）量测记录仪表

我国的静力触探几乎全部采用电阻应变式传感器。因此，与其配套的记录仪器主要有以下4种类型：①电阻应变仪；②自动记录绘图仪；③数字式测力仪；④数据采集仪（微机）。

1.电阻应变仪

从60年代起直到70年代中期，一直是采用电阻应变仪。电阻应变仪具有灵敏度高、测量范围大、精度高和稳定性好等优点。但其操作是靠手动调节平衡，跟踪读数，容易造成误差；而且不能连续读数，只能间隔进行（一般5—10s，即每贯入10—20cm），不能得到连续变化的触探曲线。经过改进，出现了数字式测力仪，如上海新卫机器厂生产的数字测力仪和新达电讯厂生产的JC-X₂静力触探测量仪。数字式测力仪与过去使用的应变仪比较，其优点是：体积小、重量轻，不用手动跟踪，用数字显示不容易看错，还可以把率定系数输入仪器内直接读取阻力值。由武汉市勘测院设计，由武汉无线电厂生产的数字式测力仪即具有上述功能。上述两种仪表的主要缺点是需人工记录。

2.自动记录仪

为了实现自动记录，于是就出现了自动记录仪。我国现在生产的静力触探自动记录仪都是用电子电位差计改装的。这些电子电位差计都只有一种量程范围。为了在阻力大的地层中能测出探头的额定阻力值，也为了在软层中能保证测量精度，一般都采用改变供桥电压的方法来实现。早期的仪器为可选式固定桥压法，一般分成4—5档，桥压分别为2、4、6、8、10V，可根据地层的软硬程度选择。这种方式的优点是电压稳定，可靠性强；但资料整理工作量大。现在已有可使供桥电压连续可调的自动记录仪。图2—25是ZSJ-2型双笔自动记录仪工作原理图。

（1）自动记录仪工作原理：如图2—25所示，由传感器送来的被测直流信号，经测量电路与仪表内补偿电压进行比较后产生一不平衡电压，经放大器放大10^5—6倍后获得足够大的功率驱动可逆电机转动。可逆电机经过一套机械传动装置，一面带动测量电路中的滑线电阻的滚动触点，使补偿电压与被测信号平衡；一面带动指针和记录笔沿着有分度的标尺左右移动。此时放大器中无信号输入和输出，电机停止转动，指针在分度尺上的指示值即为被测信号的电压值。如果被测信号发生变化，则新产生的电位差值信号又被送至放大器，使滑线电阻的滚动触点又移动到一个新的平衡点，被测信号与补偿电压又达到新的平衡，指针又移到新的位置……。

与此同时，自整角机通过一套传动机构，以一定速度卷动记录纸。这样，随着指针移动和记录纸卷动，记录笔便在记录纸上连续地记录出各深度被测信号的大小——静力触探曲线。

（2）仪器主要组成部分：除走纸机构外，双笔记录仪各部分都由两套组成。

图2—25　ZSJ-2型双笔自动记录仪工作原理图

①测量电路：和应变仪一样，也是采用双电桥电路，所不同的是自动记录仪采用的是直流内桥，传输的是直流信号。为对外桥路提供稳定的直流电压，自动记录仪专门增设了桥路稳压电源。稳压范围一般为0—20V，连续可调，以适应标定探头和贯入不同软硬地层的需要。

②晶体管放大器：在记录仪中，放大器的作用是把测量电路送来的直流信号△U放大成足以驱动可逆电机转动的交流信号，并且当直流信号△U的极性改变时，输出交流信号的相位也随之改变，从而能带动可逆电机正反转动，使测量系统达到自动平衡。

③可逆电机：其作用前文已述及。

④仪表的走纸机构：静力触探自动记录仪除了要把被测信号显示出来外，还必须将信号随深度变化的情况记录在纸带上，才能及时准确地记录出地层各位置的阻力值。为此，记录仪用一对自整角机取代了原电位差计走纸系统中的同步电机。发讯角机和摩擦轮通过齿轮组联在一起，并安装在触探主机的底盘上，使摩擦轮紧贴触探杆。当触探杆下压时，摩擦轮便随着转动，带动发讯机的转子旋转。接收机固定在仪器内，并和走纸机构的齿轮组相联接，当发讯机旋转时它也跟随旋转，带动记录纸按1:100（或其它）比例移动，这样就把触探深度记录下来了。

（3）优缺点：自动记录仪与应变仪相比，灵敏度不如应变仪，它的量程小。但是，自动记录仪有深度控制装置，可以连续自动地记录土层的贯入阻力曲线，提高了野外工作效率和质量，因而目前使用最广。

3.数字式测力仪

数字式测力仪是一种精密的测试仪表。这种仪器能显示多位数，具有体积小、重量轻、精度高、稳定可靠、使用方便、能直读贯入总阻力和计算贯入指标简单等优点，是轻便链式十字板－静力触探两用机的配套量测仪表，国内已有多家生产。这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。

4.微机在静探中的应用

以上介绍的量测记录仪表的功能均不够完善，有的只能人工间隔读数，不能画图；有的只能画图，不能显示打印数据。这些仪器虽还能满足一般生产的需要，但资料整理时工作量大，效率低。用微型计算机采集和处理数据已在静力触探测试中得到了广泛应用。如上海地质仪器厂和长春地质学院共同研制成功的GCJW-1型静力触探微机实时处理系统，全部操作采用汉字人机对话方式，便于一般人员掌握和操作。触探时，可同时绘制锥尖阻力与深度关系曲线、侧壁摩阻力与深度关系曲线；终孔时，可自动绘制摩阻比与深度关系曲线。通过人机对话能进行分层，并自动绘制出分层柱状图，打印出各层层号、层面高程、层厚、标高以及触探参数值。该系统在工作参数选择、参数处理、公式选择及汉字绘制表头、图表等方面都比较灵活新颖，可与多种静力触探机配套使用。又如中国地质大学从荷兰引进的孔压触探仪，同时可测4个参数，即锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力及孔斜，可同时绘制各种曲线，进行数字显示、磁带记录和打印。其数据采集和处理完全由微机完成（见图2—26）。

（四）贯入系统

静力触探贯入系统由触探主机（贯入装置）和反力装置两大部分组成。触探主机的作用是将底端装有探头的探杆一根一根地压入土中。触探主机按其贯入方式不同，可以分为间歇贯入式和连续贯入式；按其传动方式的不同，可分为机械式和液压式（见图2—27）；按其装配方式不同可分为车装式、拖斗式和落地式等。

反力装置的作用是平衡贯入阻力对贯入装置的反作用。从设备角度来说，静力触探贯入深度的大小主要取决于三方面因素：①贯入设备能力的大小；②触探头截面的大小及其与探杆的配合；③反力大小。反力不够，整个贯入设备的能力就得不到充分发挥，可见反力装置是很重要的。反力的取得，一般有下地锚和利用汽车自重两种。现在的触探车都综合利用这两种方法，效果良好。拧锚机有液压、电动、手摇三种类型。

有关地锚锚片，目前多趋向单翼片式的，这样的地锚对土的扰动较小，下锚也容易些。叶片直径有φ200、φ250、φ300及φ400mm等几种，应根据所需反力大小和土层软硬选用不同直径的地锚。下锚深度为1.0—1.5m左右。在一般地层中每个锚可提供10—20kN的反力。一般下锚2—4个，多则6—8个。

当估算地锚反力不能满足触探深度要求，而采用增加地锚数量或改用其它反力方案又有困难时，可考虑在探杆上加设减摩器。减摩器外径要较探杆大，加在离探头摩擦筒上方1m靠外处。它可削弱土对探杆的摩阻力，达到在同样设备条件下增大触探深度的效果。

（五）探杆

它也有一定的规格和要求，探杆应有足够的强度，应采用高强度无缝管材，其屈服强度不宜小于600MPa。探杆与接头的连接要有良好的互换性。用锥形螺纹连接的探杆，连接后不得有晃动现象；用圆柱形螺纹连接的探杆，丝扣之间、肩应能拧紧密贴。探杆应平直，不得有裂纹和损伤。每根探杆的长度一般为1m，其直径应和探头直径相同；但单用探头探杆直径应比探头直径小。

（六）电缆

电缆的作用是连接探头和量测记录仪表。由于探头功能不同，相应电缆的蕊数也不同，最少的为配单桥探头的四蕊电缆，多则几十蕊，各蕊之间应互相屏蔽，在输出讯号时不能互相干扰。电缆应有良好的防水性和绝缘性，接头处应密封。其直径应比探杆内径小，以便能将其顺利穿过探杆，连接探头和仪表。

图2—26　孔压触探数据采集系统

图2—27　常用触探主机类型

1—油缸；2—活塞杆；3—支架；4—探杆；5—底座；6—高压油管；7—垫木；8—防尘罩；9—探头；10—丝杆；11—螺母；12—变速箱；13—导向器；14—电动机；15—电缆线；16—摇把；17—链轮；18—齿轮皮带轮；19—加压链条；20—长轴销；21—山形压板；22—垫压块

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云岩区15758551891： 什么牌子的静力触探机好 - ？
台李派威： fugro上海辉固

云岩区15758551891： 能不能推荐一下,静力触探试验的试验目的是什么? ？
台李派威： 该仪器适用于在一般粘性土、软土、黄土和密砂土地区的土木建筑工程、市政、公路、工程地基土原位测试.结构形式主机(整机)、地锚、手摇式、双桥、单桥.整机各部件重量轻,体积小搬运方便,安装方便,工作效率高,能配用不同直径的探杆、

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