完整岩土工程原位测试技术.docx

1、完整岩土工程原位测试技术岩土工程原位测试技术xx大学岩土工程系绪 论 1第1章 地基静载荷试验 51.1 试验设备和方法 51.2 基本测试原理 81.3 试验成果的整理分析 101.4 螺旋板载荷试验要点 121.5 复合地基载荷试验要点 131.6 岩石地基载荷试验要点 141.7 小 结 15第2章 静力触探试验 162.1 试验设备和方法 172.2 基本测试原理 222.3 试验成果的整理 232.4 静力触探成果的应用 242.5 小 结 27第3章 圆锥动力触探和标准贯入试验 283.1 试验设备和方法 283.2 基本测试原理 333.3 试验成果的整理分析 343.4 试验成

2、果的应用 373.5 小 结 39第4章 旁压试验 414.1 试验设备和方法 414.2 基本测试原理 414.3 试验成果的整理分析 414.4 试验成果的应用 414.5 小 结 41第5章 波速试验 425.1 试验设备和方法 425.2 基本测试原理 455.3 试验成果的整理分析 465.4 试验成果的工程应用 48第6章 基桩静载荷试验 496.1 基桩竖向抗压静载试验 506.2 基桩竖向抗拔静载试验 646.3 基桩横向静载试验 68第7章 基桩动荷载试验 777.1 概 述 777.2 反射波法 807.3 CASE法 86第8章 锚杆抗拔试验 1018.1 概 述 101

3、8.2 锚杆抗拔试验的设备和方法 102第9章 深基坑工程的监测与检测 1079.1 概 述 1079.2 基坑侧壁的安全等级与监测项目 1099.3 基坑开挖监测 1109.4 围护结构的监测与质量检测 1119.5 基坑周边环境的监测 1129.6 若干问题的讨论 113主要参考书目 116绪 论一. 岩土工程的发展历史岩土工程（Geotechnical Engineering）一词使用得很广泛，但迄今尚无统一的定义。按大百科全书土木工程卷：岩土工程各项土木工程中涉及岩石或土的利用、整治或改造的科学技术。以土力学、工程地质学及岩体力学为理论基础，通过各种勘测技术和专门计算机及数值分析等方法

4、并结合工程设计、施工条件及在动力地质作用下的场地地质性状，以及开挖、支护、降水等特殊工程要求，提出对岩土体的评价，并指导工程的设计和施工。除此之外，在国内外的各类文献中还可以见到一些定义。例如美国地质学术语辞典：岩土工程为解决工程问题，将科学方法和工程原理应用于对地壳物质知识的获得、阐明和利用，使地球更适于人类居住的科学。它包含土力学、岩石力学以及地质学、地球物理学、水文学等有关学科的诸多方面。在岩土工程的性质、研究对象、研究方法和工作范围等基本属性上，各种文献给出的解释有一些重要差别。比如：是科学还是技术（工程）？是指导设计与施工，还是本身就包括设计与施工？检测及其地位等等。岩土工程是否是一

5、门独立的学科？学术界的看法是不一致的。三个条件：独立的研究对象，独特的研究方法与一个大学科的归属。可以认为，岩土工程是一个隶属于土木工程的分支学科。建议采用下述定义：以土力学、岩石力学和工程地质学为理论基础的土木工程中与岩土体直接相关的工程。岩土工程的工程属性。它是处理工程问题，以工程问题为工作对象的学科。作为一门工程，应包括勘察、设计、施工和检测4个方面才是完整的。岩土工程隶属于土木工程学科，是由地基与基础工程、边坡工程、深基坑工程、路基工程、地下洞室工程、岩土爆破工程、灌浆工程和地质灾害防治工程等分支构成的，其涉及到的领域有：能源、交通、城市建设、矿山、江河海洋和环境工程等等。随着经济建设

6、的发展和学科间的交叉渗透，岩土工程的工作内容和所涉及到的领域还在扩大。岩土工程是一门年轻的学科，它只有几十年的发展历史。1925年，太沙基的经典著作土力学问世，这既是现代土力学的诞生之年，也奠定了岩土工程的理论基础。1948年，英国的岩土工程杂志（Geotechnique）创刊。以后，岩土工程才作为一个专门的名词术语在技术文献中广泛地使用。当时该杂志的封面上标注有国际土力学杂志的副标题，而且一直保留了24年之久。从杂志的内容看，所发表的主要是土力学和地基基础方面的文章。显然，当时的编辑部是把土力学作为岩土工程的基础，并把地基基础作为岩土工程的核心内容的。20世纪60年代以后，澳大利亚、新西兰和

7、印度等国家相继把他们的土力学地基和基础学会改名为岩土工程学会。美国的ASCE杂志的土力学基础工程分册也于1974年改名为岩土工程分册。名称的改变意味着其研究内容、活动范围以及要解决的问题也有了相应的变化。近二十年来，岩土工程在科学理论和工程技术方面有了很大进展，如在土力学理论和土工测试中，从对饱和土的研究进展到对非饱和土的研究，从室内常规测试到原位测试新技术的应用，在软土地基变形的控制技术方面从静态设计进展到动态设计的考虑土体在施工中时空效应的研究，在物理模型试验中土的离心机模型试验的应用与发展，以及在地基处理技术等方面的新进展等都令人瞩目。岩土工程是一门实践性很强的学科，由于岩土体构成的复杂

8、性、地域性和易受施工扰动的多变性，与其他学科相比，它还处于不够成熟和不够完善的状况。一方面，在岩土工程中解决问题的技术难度很大，而另一方面，在岩土工程中科技发展的潜力也很大。目前，在岩土工程中仍采用以工程试验为基础，理论为指导，借助施工监测等手段，不断地反馈和修正设计施工方案的方法来解决工程实际问题。二. 岩土工程原位测试的内容及在工程建设中的地位一般而言，岩土工程测试包含了室内试验和原位测试两大部分。室内试验包含了常规的土工试验和模型试验，其主要优点是可以控制试验条件，而其根本性的缺陷则在于试验对象难以反映其天然条件下的性状和工作环境，抽样的数量也相对有限，以至于所测的结果严重失真，一般地，

9、也费时费力。岩土工程的原位测试一般是指在工程现场通过特定的测试仪器对测试对象进行试验，并运用岩土力学的基本原理对测试数据进行归纳、分析、抽象和推理以判断其状态或得出其性状参数的综合性试验技术。原位测试技术的优点在于：（1）不用取样；（2）样本数量大；（3）快速、经济。岩土工程中的原位测试技术可用于岩土工程的各个分支工程中，它贯穿于工程的各个阶段，在不同的阶段中有着不同的功能。岩土工程中的原位测试技术包含如下种类：1基本测试技术：（1）载荷试验（平板、螺旋板）；（2）静力触探试验；（3）圆锥动力触探试验；（4）标准贯入试验；（5）十字板剪切试验；（6）旁压试验；（7）现场剪切试验；（8）波速试验

10、；（9）基桩的静力测试和动力测试；（10）锚杆抗拔试验；2工程应用：（1）岩土工程勘察；（2）地基基础的质量检测；（3）基坑开挖的检测与监测；（4）岩体原位应力测试；（5）公路、隧道、大坝、边坡等大型工程的监测和检测。除上列种类外，近年来还发展起来一些新的原位测试技术。本讲义分为9章，主要介绍载荷试验等通用（基本）测试技术。岩土工程原位测试技术是岩土工程的重要组成部分。无数实践经验和理论计算表明，岩土的工程性质试验成果和精度，会因其种类、状态、试验方法和技巧的不同而有较大的出入。和室内试验相比，原位测试的代表性好、测试结果精度较高，因而较为可靠。在岩土工程中，选用正确的参数远比选用计算方法重要

11、，因而岩土工程的原位测试在岩土工程中占据了重要的地位。沈珠江院士认为，可靠的土质参数只能通过原位测试取得。近20年来，岩土工程原位测试技术受重视的程度愈来愈高，以全国性的地基基础设计规范和勘察规范为例，在工业与民用建筑地基基础设计规范TJ7-74中只在附录中列入了触探试验与单桩静载荷试验要点，而在建筑地基基础设计规范GBJ7-89的附录中则增加了地基土载荷试验要点、岩基载荷试验要点、标准贯入和轻便触探试验要点，与TJ7-74相比，原位测试的份量加重了，到了95年的岩土工程勘察规范，已将原位测试单独列为了一章，包含了载荷试验等十种在勘察、设计阶段常用的原位测试方法。由此可见，岩土工程原位测试技术

12、的地位是愈来愈重要了。而且，岩土工程原位测试技术的应用范围并不限于勘察设计阶段，在施工和施工验收阶段，原位测试也有重要的应用。岩土工程多为隐蔽性工程，由于岩土性质的复杂多变，加之结构体与岩土体之间的相互作用难以把握，故岩土工程中发生事故的机率很大而且难于发现和补救。因此，重视和强化岩土工程中的监测和检测工作是十分必要的，而原位测试（检测）是实际工作中最常用也是最直观可靠的技术手段。三. 本课程的内容和学习要求本课程的教学目的在于培养研究生：（1）了解岩土工程中各种测试技术的最新进展；（2）掌握岩土工程中各种测试技术的基本方法；（3）掌握测试结果的基本分析方法；（4）能较为熟练地运用各种测试方法

13、解决工程实际问题。本课程的主要内容：除绪论外共十章，包含了岩土工程测试的主要方面，以通用的测试技术为主，同时纳入了一些应用于特定工程领域的测试技术。学习上基本每周一章，也就是一种测试方法，以课堂讲授与自学讨论相结合，尽可能安排一些现场参观考察。应该说，岩土工程原位测试技术是岩土工程中发展最快和最具应用价值的领域，在这里还有很多工作要做，也是一个同学们可以大展身手的广阔舞台。思 考 题1什么是岩土工程，它与哪些工程领域有关？2岩土工程原位测试在岩土工程中处于何种地位？它与室内试验的关系如何？3岩土工程原位测试所包含的测试技术，除了本课程所论及的以外，据你所知还有那一些？第2章 地基静载荷试验试验

14、目的，确定地基的承载力和变性特性，螺旋板载荷试验尚可估算地基土的固结系数。地基静载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验。载荷试验相当于在工程原位进行的缩尺原型试验，即模拟建筑物地基土的受荷条件，比较直观地反映地基土的变形特性。该法具有直观和可靠性高的特点，在原位测试中占有重要地位，往往成为其他方法的检验标准。载荷试验的局限性在于费用较高，周期较长和压板的尺寸效应。2.1 试验设备和方法一. 试验设备平板载荷试验因试验土层软硬程度、压板大小和试验面深度等不同，采用的测试设备也很多。除早期常用的压重加荷台试验装置外，目前国内采用的试验装置，大体可归纳为由承压板、加荷系统、反力系统、观测系统四部分

15、组成，其各部分机能是：加荷系统控制并稳定加荷的大小，通过反力系统反作用于承压板，承压板将荷载均匀传递给地基土，地基土的变形由观测系统测定。（一）承压板类型和尺寸承压板材质要求承压板可用混凝土、钢筋混凝土、钢板、铸铁板等制成，多以肋板加固的钢板为主。要求压板具有足够的刚度，不破损、不挠曲，压板底部光平，尺寸和传力重心准确，搬运和安置方便。承压板形状可加工成正方形或圆形，其中圆形压板受力条件较好，使用最多。（二）承压板面积我国勘察规范规寇一般宜采用0.250.50m2，对均质密实的土，可采用0.1m2，对软土和人工填土，不应小于0.5m2。但各国和国内各部门采用的承压板面积不尽相同，如日本常用方形

16、900cm2，苏联常用0.5m2，我国铁道部第一设计院则根据自己的经验，按如下原则选取：（1）碎石类土：压板直径宜大于碎、卵石最大粒径的10倍；（2）岩石地基：压板面积1000cm2；（3）细颗粒土：压板面积10005000cm2，（4）视试验的均质士层厚度和加荷系统的能力、反力系统的抗力等确定之，以确保载荷试验能得出极限荷载。（三）加荷系统加荷系统是指通过承压板对地基施加荷载的装置，大体有：（1）压重加荷装置一般将规则方正或条形的钢绽、钢轨、混凝土件等重物，依次对称置放在加荷台上，逐级加荷，此类装置费时费力且控制困难，已很少采用。（2）千斤顶加荷装置根据试验要求，采用不同规格的手动液压千斤顶

17、加荷，并配备不同量程的压力表或测力计控制加荷值。（四）反力系统一般反力系统由主梁、平台、堆载体（锚桩）等构成。（五）量测系统量测系统包括基准梁，位移计，磁性表座，油压表（测力环）。机械类位移计可采用百分表，其最小刻度0.01mm，量程一般为530mm，为常用仪表。电子类位移计一般具有量程大、无人为读数误差等特点，可以实现自动记录和绘图。油压表一般为机械式，人工测读。测试用的仪表均需定期标定，一般一年标定一次或维修后标定，标定工作原则上送具有相应资质的计量局或专业厂进行。二. 设备的现场布置当场地尚未开挖基坑时，需在研究的土层上挖试坑，坑底标高与基底设计标高相同。如在基底压缩层范围内有若干不同性

18、质的土层，则对每一土层均应挖一试坑，坑底达到土层顶面，在坑底置放刚性压板。试坑宽度不小于压板宽度的三倍。设备的具体布置方式有如下两种：1.堆载平台方式：2.锚桩反力梁方式。设备安装时应确保荷载板与地基表面接触良好且反力系统和加荷系统的共同作用力与承压板中心在一条垂线上。当对试验的要求较高时，可在加荷系统与反力系统之间，安设一套传力支座装置，它是借助球面、滚珠等，调节反力系统与加荷系统之间的力系平衡，使荷载始终保持竖直传力状态。三. 测试方法与数据采集平板载荷试验适用于浅层地基，螺旋板载荷试验适用于深层地基或地下水位以下的地基。压板形状和尺寸的选择：一般用圆形刚性压板；一般地基0.250.5m2

19、，岩石地基根据节理裂隙的密度，圆形，直径300mm（建筑地基基础设计规范GB 50007-2002，以下简称地基规范），复合地基根据加固体的布置。试验用的加载设备，最常见的是液压千斤顶加载设备。位移测试可采用机械式百分表或电测式位移计，测试时将位移计用磁性表座固定在基准梁上。液压加载设备和位移量测设备要定期标定，以最大可能地消除其系统误差。试验的加载方式可采用分级维持荷载沉降相对稳定法（慢速法）、沉降非稳定法（快速法）和等沉降速率法，以慢速法为主。载荷试验较费时费力，在勘测设计阶段，一般是根据工程设计要求，在一条线路或一个工程地质分区内，选择具有代表性的均质地层（厚度大于2倍压板直径）进行试验

20、。而在施工检验阶段，以下列出地基规范对于慢速法加载过程的规定：荷载分级：不少于8级，总加载量不应少于荷载设计值的两倍；稳定标准：当连续两小时内，每小时内沉降增量小于0.1mm时，则认为沉降已趋稳定，可施加下一级荷载。数据测读：每级加载后，按间隔10、10、10、15、15min，以后每半小时读一次沉降，直至沉降稳定。加载终止标准：1承压板周围的土明显的侧向挤出；2沉降急骤增大，荷载-沉降曲线出现陡降段；3在某一级荷载的作用下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；4s/b0.06（b：承压板宽度或直径）。卸载：该规范没有对卸载过程做出规定，但完整的试验应包含卸载过程。注意各规范的规定有一些差别。试

21、验操作过程：（1）正式加荷前，将试验面打扫干净以观测地面变形，将百分表的指针调至接近于最大读数位置；（2）按规定逐级加荷和记录百分表读数，达到沉降稳定标准后再施加下一级荷载，一般在加荷五级或已能定出比例界限点后，注意观测地基土产生塑性变形使压板周围地面出现裂纹和土体侧向挤出的情况，记录并描绘地面裂纹形状（放射状或环状、长短粗细）及出现时间。（3）试验过程的各级荷载要始终确保稳压，百分表行程接近零值时应在加下一级荷载前调整，并随时注意平台上翘、锚桩拔起、撑板上爬、撑杆倾斜、坑壁变形等不安全因素，及时采取处置措施，必要时可终止试验。快速法加载：特点是加荷速率快、试验周期短，一般情况下试验过程仅数小

22、时至十多个小时，但其测试成果和适用条件与常规方法略有差异。快速载荷试验仍是逐级加荷，但前后两级加荷的间隔时间是固定的，一般为1030min，有规定为60min的。根据研究结果，在比例界限点以内的弹性变形阶段，快速载荷试验的沉降量s一般偏小，当荷载超过pl后地基土已处于塑性变形阶段，快速载荷试验的沉降量s一般增幅较快，当荷载接近或超过地基土的极限荷载时，快速与常规两种试验p-s曲线逐渐接近，所定极限荷载值相同或差一个荷载级。因此，两种试验方法确定的pl、pz和基本承载力0值基本相近，其极差（最大与最小值间）不会超过平均值的30%，符合规范要求。快速载荷试验主要适用于沉降速率快的地层，如岩石、碎石

23、类土、砂类土等，对毋须作沉降检算的建筑物，结合施工时限也可对粘性土地层采用快速试验。2.2 基本测试原理平板载荷试验（Plate Loading Test，简称PLT）是一种最古老的、并被广泛应用的土工原位测试方法。平板载荷试验是指在板底平整的刚性承压板上加荷，荷载通过承压板传递给地基，以测定天然埋藏条件下地基土的变形特性，评定地基土的承载力、计算地基土的变形模量并预估实体基础的沉降量。平板载荷试验的理论依据，一般是假定地基为弹性半无限体（具有变形模量E0和泊松比v），按弹性力学的方法导出表面局部荷载作用下地基土的沉降量s计算公式。一. 半无限空间表面作用局部荷载时的弹性理论解假定地基为各向同

24、性半无限体，在地表荷载作用下，地基中所引起的应力，可用弹性理论求解。1竖直集中荷载作用时当竖直集中荷载P作用在地表面上，在地基中任一点N所引起的应力已于1885年为布辛纳斯克（Boussinesq）所解出。设坐标原点选在着力点上，如采用圆柱坐标，如图1-2所示，则z轴向下为正，土中任一点N（r， ，z）离原点o的距离为R，R矢径与z的夹角为 。可以看出，这是一个轴对称问题，只要z和r不变，在任何 位置上之一点的应力状态都应是相等的。布辛纳斯克的解答为： （1-1）k为地基应力系数，无量纲，可直接计算或查表。类似的可以写出其它应力分量。通过物理方程转换后可得到应变表达式，对整个地基积分后得到地基

25、表面的变形分布。当地基表面作用有局部分布荷载时，可对上式改写后进行积分求解。2刚性压板下的地基反力分布考虑圆形刚性压板，在中心荷载的作用下，压板的沉降将是均匀的，压板下的地基反力的分布必然对称于竖直中心轴。这是一个轴对称问题。因为地基中的位移分布复杂且未知，难于用函数表达，可用拟合法求解，也就是假设一个地基反力分布，该应力分布的合力的大小与作用的荷载相同，运用上述过程求解压板的沉降，然后根据计算结果对地基反力分布进行修正，再进行新一轮试算，直到计算的压板沉降接近于均匀时为止。计算所得的压板下的应力分布形式如下图所示。图1-2 竖直集中荷载作用下的计算图式 图1-3 压板沉降与压板下的应力分布压

26、板的沉降可以图示为图1-3。理论表达式为： （1-2）式中，各符号的含义如上图。方形刚性压板下的应力分布还要复杂一些，但其形状与此类似。3刚性压板的平均沉降与荷载的关系上述计算过程除了能获得压板下的应力分布以外，还可以得到压板下的平均沉降。从总体来看，该问题可以归结为一个非线性数学规划问题。在土力学教材中已经列出了刚性压板的沉降与压板下平均应力之间的关系式。圆形刚性压板（D为直径）： 方形刚性压板（B为边长）： 上述式中的 为泊松比，E0为地基土的变形模量。上列公式说明，当地基的特性确定时，压板的沉降与荷载集度及板的宽度成正比。根据上列公式，可以根据载荷试验确定地基土的变形模量，式中的泊松比根

27、据经验或手册的建议值确定。上述结果所依据的是弹性理论，而实际上土体并不是理想弹性体，所以实际的地基反力分布并不完全如此。二. 荷载板的刚度效应压板的刚度会对地基反力的分布产生显著的影响。当压板的刚度有限时，在中心荷载的作用下，基底压力视压板刚度而又不同的分布特征。但实际上，根据圣文南原理，当一个力系作用于弹性介质上，如其总量保持不变而仅只分布形式发生变化，那么受影响的部位仅局限于力系作用点的附近。所以，压板刚度对地基变形的影响是有限的，但压板刚度对位移测试结果的影响是显而易见的。故荷载板必须有足够的刚度。三. 影响深度鉴于加荷能力和刚性压板的假设，压板的尺寸一般较小，其影响深度也是有限的。一般

28、认为，平板载荷试验只能反映2倍压板宽度的深度以内的土性。所以，压板试验的压板尺寸也不宜过小。特别是当场地内含有软弱下卧层时。四. 荷载板的尺寸效应由于载荷试验具有缩尺模型和反映土的变形特性的直观特点，国内外多将平板载荷试验作为确定地基承载力的基本方法，地基规范规定：对破坏后果很严重的如高层建筑等一级建筑物，应结合当地经验采用载荷试验、理论公式计算及其它原位试验等方法综合确定；以静力触探、旁压仪及其它原位试验确定地基承载力时，应与载荷试验进行对比后确定。但荷载板的尺寸一般远小于建筑物的基础尺寸，故其影响深度极为有限，由试验得出的ps曲线具有模型试验的特征，决不能代表基础的荷载与沉降之间的关系，所

29、求得的变形模量也决不能盲目地用于整个压缩层。一般而言，当荷载集度p相同时，基础的面积越大，所产生的总沉降也越大。特别是当基底下含有软弱下卧层时更需注意。2.3 试验成果的整理分析一. 试验成果的整理（一）原始读数的计算复核对位于承压板上百分表的现场记录读数，求取其平均值，计算出各级荷载下各观测时间的累计沉降量，对于监测地面位移的百分表，分别计算出各地面百分表的累计升降量。经确认无误后，可以绘制所需要的各种实测曲线，供进一步分析之用。（二）异常数据处理大量实测结果表明，当地基土的均匀性尚可且测试过程正常时，测试得出的主要曲线（ps曲线）是比较光滑的。所谓异常数据是指背离这一规律性的数据。比如ps

30、曲线上的某一点背离曲线很多，或随着加载的进行压板变形过小甚至产生反方向的位移，油压表或百分表的读数产生跳跃，等等。最好的办法是防止出现异常数据。其措施是仪器仪表的保养维修、定期标定并经常检查，试验过程中要经常观察，及时发现问题，尽早排除设备故障，同时，压板的选择，基准梁的选择安装等等都非常重要。在资料分析阶段发现个别点据异常时，只要不对结果的判释有太大的影响，可以将其舍去。若测试中的异常点过多，则该次试验为不合格，应重新进行试验。（三）曲线绘制一般地，地基静载试验主要应绘制p-s曲线，但根据需要，还可绘制各级荷载作用下的沉降和时间之间的关系曲线以及地面变形曲线。完整的p-s曲线包含了3个阶段，

31、例如下图所示：图1-4 某地基静载试验的荷载位移曲线（ps曲线）OA段为弹性阶段，曲线特征为近似线性，基本上反映了地基土的弹性性质，A点为比例界限，对应的荷载称为临塑荷载；AB段为塑性发展阶段，曲线特征为曲率加大，表明地基土由弹性过渡到弹塑性，并逐步进入破坏；BC段为破坏阶段，曲线特征为产生陡降段，C点对应的荷载称为破坏荷载，在该级荷载作用下压板的沉降通常不能稳定或总体位移太大，C点荷载的前一级荷载（不一定是B点）称为极限荷载。若绘出的ps曲线的直线段不通过坐标原点，可按直线段的趋势确定曲线的起始点，以便对ps曲线进行修正。二. 地基承载力的判断就总体而言，建筑物的地基应有足够的强度和稳定性，这也就是说地基要有足够的承载能力和抗变形能力。确定地基的承载力时既要控制强度，一般至少确保安全系数不小于2，又要能确保建筑物不致产生过大沉降。但具体到各类工程时侧重点有所不同，这与工程的使用要求和使用环境有关。铁路建筑物一般以强度控制为主、变形控制为辅；工业与民用建筑则一般以变形控制为主、强度控制为辅。地基规范附录C对于确定地基承载力的规定如下：1.