靜力觸探儀器做什麼試驗

① 如何用靜力觸探試驗測試垃圾強度

靜力觸探試驗
定義和適用范圍
將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中量測其貫入阻力
錐頭阻力側壁摩阻力的過程稱為靜力觸探試驗
靜力觸探是工程地質勘察中的一項原位測試方位可用
於
劃分土層判定土層類別查明軟硬夾層及土層在水平和
垂直方向的均勻性
評價地基土的工程特性容許承載力壓縮性質不排水抗
剪強度水平向固結系數飽和砂土液化勢砂土密實度等
探尋和確定樁基持力層預估打入樁沉樁可能性和單樁承
載力
檢驗人工填土的密實度及地基加固效果

② 靜力觸探試驗的試驗目的是什麼

驗人工填土的密實度及地基加固效果

③ 靜力觸探與動力觸探

一、相同點：

下陷觀測是歸屬於測量學的范疇，都歸屬於靜力或動力觸探。
靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸分析儀的觸探桿壓入試驗土層，通過量測系統測土的貫入阻力，可確認土的某些基本物理力學特性。
動力觸探是利用一定質量的重錘，將與探桿相連接的標准規格的分析儀打地里中，根據分析儀貫地里中一定深度所必須的錘擊數，辨別土的力學特性。

二、不同點：

1、試驗頻率：

動力觸探試驗頻率：控制在 15～30 擊/min。 靜載壓板試驗的頻率：試樁數量為單位工程樁數的3%，不得少於3根，總樁數不足50的，不少於兩根。

2、錘重：

輕型動力觸探錘重10kg，計每貫入30cm錘擊數。落距500mm，探頭直徑40mm，錐角60度。重型動力觸探錘重63.5kg，計每貫入10cm錘擊數，落距760mm，探頭直徑74mm，錐角60度。

3、計算公式：

多組統計資料得要計算公式為輕型：qpa=29.29n-132.9，重型qpa=160n。

(3)靜力觸探儀器做什麼試驗擴展閱讀：

原位測試：在岩土層原來所處的位置，基本保持的天然結構,天然含水量以及天然應力狀態下，測定岩土的工程力學性質指標。

原位測試包括靜力觸探、動力觸探、標准貫入試驗、十字板剪切、旁壓試驗、靜載試驗、扁板側脹試驗、應力鏟試驗、現場直剪試驗、岩體應力試驗、岩土波速測試等。 用載荷試驗確定地基承載力時，承壓板面積不宜小於0.5平米 。承載力基本值的選用，應根據壓力和沉降、沉降與時間關系曲線的特徵，結合地區經驗取值。

④ 靜力觸探測試法的程序和要求

一、探頭率定

應根據測試要求和土層軟硬情況選用觸探頭。在使用前，必須先率定新探頭或使用一段時間(如3個月)後的探頭都應進行標定。其目的是求出測量儀表讀數與荷載之間的關系——確定率定系數。將率定系數乘以儀表讀數，就可求出各貫入阻力值的大小。

率定工作應在專門的標定裝置上進行(圖3-15)。

率定所用記錄儀表，同測試用儀表。探頭率定曲線應為一直線(圖3-16)。

探頭率定方法，可根據TBJ37-93規定進行，按供橋電壓對儀表、探頭的輸入和輸出關系，分為以下兩種：

1.固定橋壓法(正標定)

固定儀器的供橋電壓，率定施加於探頭的荷載與儀表輸出值之間的對應關系。此方法適用於電阻應變儀、數字顯示儀及帶電壓表的自記式儀器。

用固定橋壓法率定探頭時，首先按圖組裝好標定設備並接通儀表。選定好供橋電壓；然後，加荷、卸荷三次以上，以釋放空心樁由於機械加工而產生的殘余應力，減少應變片的滯後和非線性，就可正式加壓標定。荷載的大小，可根據測力計的變形與荷載的關系確定。逐級加荷，開始可細一點，以後採取等間距加荷，直至設計額定荷載或儀表滿量程，然後卸荷。記錄各級荷重下儀表的毫伏輸出(mV)或微應變(με)，並記錄卸荷後回零讀數。平行標定三、四次，每次標定時將頂柱轉動一個角度，以便檢查。

改變供橋電壓，注視在各個方向上讀數是否一致，並重復上述步驟，以便得出各種橋壓下的標定系數。計算出每級荷載下毫伏輸出數或微應變的平均值，以荷載為縱標，輸出值為橫標，標點並連線即得標定曲線。在正常情況下，各點連線呈直線並通過零點。

圖3-15 鋼環側力式探頭率定裝置圖

圖3-16 探頭率定曲線

探頭標定系數K按下式確定：

土體原位測試與工程勘察

式中：K為探頭標定系數，P_s、q_c和f_s感測器的標定系數可分別用K_p、K_q、K_f表示；P為標定曲線上直線部分終點的荷重(MPa)；A為錐尖投影面積或側摩擦筒表面積(cm²)；ε為輸出電壓或應變數。

應當注意的事項有：

(1)在固定的供橋電壓下，對探頭加荷和卸荷最大載入量的1/10～1/7；但在第一級荷載區間內，宜進一步細分成三級。

(2)每級加荷或卸荷均應記錄儀表輸出值。探頭率定記錄格式，可參照表2-6製作。

(3)每次率定，其加、卸荷不得少於3個循環。

(4)對於頂栓式感測器或感測器與傳力墊可以相對轉動探頭，每加、卸荷一個循環後，應轉動頂栓或傳力墊90°～120°，再進入下一個加、卸荷循環過程。

2.固定系數法(反標定，標定供橋電壓法)

根據儀器性能和使用要求，先定探頭的率定系數為某一整數值(稱令定系數)，率定探頭在該標定系數時，對應於所施加的荷載及儀器所需要的供橋電壓值。此法適用於橋壓連續可調的自記式儀器。

該法適合於供橋電壓連續可調的自動記錄儀，具有便於在現場直讀記錄曲線和室內資料整理的優點。標定方法和實例如下：

(1)先指令一個標定系數，如指令錐底面積為15cm²的q_c感測器的標定系數 K_q=1.2MPa/mV。由於一般記錄儀輸出電壓范圍為0～10mV，因此記錄筆達滿量程的q_c測量范圍為0～12MPa；又如果記錄紙帶寬度是120mm，即12mm/mV，那麼自然記錄紙每毫米寬度表示的q_c值為0.1MPa。各種K_q(或K_p)和K_f下的測量范圍如表3-3所示。

表3-3 各種標定系數的測量范圍

(2)按下式求出標定系數所對應的滿量程荷載：

P=K·ΔU·A (3-14)

式中：P為滿量程荷載(MPa)；K為指令的感測器標定系數；ΔU為儀表滿量程輸出毫伏值(一般為10mV)；A為探頭錐尖投影面積或側摩擦筒表面積(cm²)。

各種感測器的滿量程荷載P見表3-4和表3-5。

按上式計算或查表得錐底面積為15cm²的q_c感測器在K_q=1.2MPa/mV時的滿量程荷載為18kN。

表3-4 q_c或P_s感測器標定時所加滿量程荷載P/kN

表3-5 f_s感測器標定時所加滿量程荷載P/kN

(3)標定操作。將儀器q_c橋壓先調至10V左右，然後調好零位，開始加荷9kN，看此時記錄是否指示在5mV。若不是，可把拱橋電壓調高或調低，使指針為5mV，然後卸荷至零，再次校正零位，再加荷到9kN，重新校正輸出，使之穩定在5mV 標尺上。然後加荷至18kN，再仿上法校正滿量程10mV的供橋電壓。經過反復幾次校正之後，此時(數字電壓表)所顯示的電壓就是錐底面積為15cm²的q_c感測器在K_q=1.2所對應的標定電壓。將標定系數K_q=1.2及所對應的標定電壓。將標定系數K_q=1.2及所標定的供橋電壓記錄下來，在貫入前把q_c供橋電壓調到標定值，則在觸探曲線上，正如前述，1mV信號寬度的q_c值就等於1.2MPa，1mm紙帶寬度代表的q_c值等於0.1MPa。

f_s感測器及p_s感測器的標定方法，基本同上。

應該指出：對一定的感測器，由式(3-10)可知，選擇小的K值即提高工作電壓，可以增加輸出，也就是提高量測的靈敏度。但是電壓用得過高，一是有時記錄筆打到頭(尤其是f_s感測器)，乃無法記錄到貫入阻力值；二是容易使應變片線柵燒毀(一般要求不超過16V)。因此，應結合土層軟硬情況，選擇適當的K值或供橋電壓。當然，材質相同而截面尺寸不同的感測器，在同一K值下的供橋電壓也不一樣。實際上首先應根據地區土層的軟硬情況，選擇好適當額定荷載的感測器，然後，選擇適當的K值或供橋電壓。

二、儀器安裝、檢查與調試

將測量電纜穿入各節探桿，探桿根數或總長度要滿足所測地層的最大深度要求。後將探頭通過電線與測量儀表連接起來。注意檢查各部件應符合質量要求。檢查內容如下：

1.探頭、探桿和信號電纜檢查

探頭錐尖、頂柱和摩擦筒應滑動靈活。否則，將其拆下擦洗、上油或換新。久用的探頭，其尺寸會變小，其誤差超過1%時應換新。探桿應平直無損傷。電纜外皮應無損壞，如局部有輕微損傷，可塗防水膠，並用防水膠布包裹。

2.測量記錄儀表檢查

(1)自動記錄儀檢查：①接通外電源，打開儀器電源開關，如指示燈不亮，主要是電源線路有故障，應及時排除；②記錄筆出水是否流暢；③將角機發訊機與儀表接通，按貫入方向撥動角機滾輪，記錄紙應跟著轉。如記錄紙不動、撥動角機時角機內也無「嗡嗡」響聲，則可能角機有問題；如記錄紙轉動方向相反，可調換一根信號線；④接上探頭，檢查整個測試系統工作是否正常。轉動調壓旋鈕，直流電壓表，表隨之變化；外接數字電壓表有數字顯示並穩定。轉動調零旋鈕，記錄筆應在紀錄紙整個寬度范圍內自由移動，如調節旋鈕，記錄筆不動，則先用「自校探頭」檢查探頭或電纜有無問題。如探頭或電纜無問題，可判定是儀器內出了故障，再打開儀器進行檢查；⑤經常擦洗滑線電阻盤。檢查滾子與滑線電阻絲接觸是否良好。

(2)測量記錄儀表檢修及故障的排除方法——詳見鐵路規范(TBJ37-93)。

3.其他准備工作

(1)現場作業前應了解以下情況：①工程類型、名稱、孔位分布和孔深要求；②測試區地形、交通、地層情況；③測試區地表有無雜物及地下設施，以及它們的使用外接電源工作時，了解其供電情況。

(2)使用觸探車進行測試時，須做以下准備工作：①檢查、維修汽車，重點是剎車、方向盤，輪胎的狀態；②對油路系統，主要是檢查油泵、觸探油缸和支腿油缸、各換向閥、油馬達等是否正常；各接頭、管路有無漏油現象；壓力表是否完好等。

(3)使用(可測)孔隙水壓力探頭時，須做以下准備工作：①在測試開始前，應對孔隙水壓力探頭進行飽和。這是保證孔壓測量正確的關鍵；②孔壓靜探探頭量測系統的檢驗與標定——孔壓靜探探頭測力感測器的檢驗與標定(非線性誤差、滯後誤差、歸零誤差，q_c與f_s測力感測器的相互干擾、絕緣電阻等)，與常規的靜探探頭相同。

三、現場操作要點

1.貫入、測試及起拔要點

(1)將觸探機就位後，應調平機座，並使用水平尺校準，使貫入壓力保持垂直方向，並使機座與反力裝置銜接、鎖定；當觸探機不能按指定孔位安裝時，應將移動後的孔位和地面高程記錄清楚。

(2)探頭、電纜、記錄儀器的接插和調試，必須按有關說明書要求進行。

(3)觸探機的貫入速率，應控制在1～2cm/s內，一般為2cm/s；使用手搖式觸探機時，手把轉速應力求均勻。

(4)在地下水埋藏較深的地區用探頭觸探時，應先使用外徑不小於孔壓探頭的單橋或雙橋探頭開孔至地下水位以下，而後向孔內注水至與地面平，再換用孔壓探頭觸探。

(5)探頭的歸零檢查，應按下列要求進行：①使用單橋或雙橋探頭時，當貫入地面以下0.5～1.0m後，上提5～10cm，待讀數漂移穩定後，將儀表調零即可正式貫入。在地面以下1～6m內，每貫入1～2m提升探頭5～10cm，並記錄探頭不歸零讀數，隨即將儀器調零。孔深超過6m後，可根據不歸零讀數之大小，放寬歸零檢查的深度間隔。終孔起拔時和探頭拔出地面後，亦應記錄不歸零讀數；②使用孔壓探頭時，在整個貫入過程中不得提升探頭。終孔後，待探頭剛一提出地面時，應立即卸下濾水器，記錄不歸零讀數。

(6)使用記讀式儀器時，每貫入0.1m或0.2m應記錄一次讀數；使用自記式儀器時，應隨時注意橋壓、走紙和劃線情況，做好深度和歸零檢查的標注工作。

(7)若計探標尺設置在觸探主機上，則貫入深度應以探頭、探桿入土的實際長度為准，每貫入3～4m校核一次。當記錄深度與實際貫入長度不符時，應在記錄本上標注清楚，作為深度修正的依據。

(8)當在預定深度進行孔壓消散試驗時，應從探頭停止貫入之時起，用秒錶記時，記錄不同時刻的孔壓值和錐尖阻力值。其計時間隔應由密而疏，合理控制。在此試驗過程中，不得松動、碰撞探桿，也不得施加能使探桿產生上、下位移的力。

(9)對於需要作孔壓消散試驗的土層，若場區的地下水位未知或不確切，則至少應有一個孔孔壓消散達到穩定值，以連續2h內孔壓值不變為穩定標准；其他各孔、各試驗點的孔壓消散程度，可視地層情況和設計要求而定。達60%～70%時，即可終止消散試驗。

(10)遇下列情況之一者，應停止貫入，並應在記錄表上註明：①觸探主機負荷達到其額定荷載的120%時；②貫入時探桿出現明顯彎曲；③反力裝置失效；④探頭負荷達到額定荷載時；⑤記錄儀器顯示異常。

(11)起拔最初幾根探桿時，應注意觀察、測量探桿表面上的干、濕分界線距地面的深度，並填入記錄表的備注欄內，或標注於記錄紙上。同時，應於收工前在觸探孔內測量地下水位埋藏探度；有條件時，宜於次日核查地下水位。

(12)將探頭拔出地面後，應對探頭進行檢查、清理。當移位於第二個觸探孔時，應對孔壓探頭的應變腔和濾水器，重新進行脫氣處理。

(13)記錄人員必須按記錄表要求，用鉛筆逐項注記清楚項目的製作內容。

2.注意事項

(1)保證行車安全，中速行駛，以免觸探車上儀器設備被顛壞。

(2)觸探孔要避開地下設施(管路、地下電纜等)，以免發生意外。

(3)安全用電，嚴防觸(漏)電事故。工作現場應盡量避開高壓線、大功率電機及變壓器，以保證人身安全和儀表正常工作。

(4)在貫入過程中，各操作人員要相互配合，尤其是操縱台人員，要嚴肅認真、全神貫注，以免發生人身、儀器設備事故。司機要堅守崗位，及時觀察車體傾斜、地錨松動等情況，並及時通報車上操作人員。

(5)精心保護好儀器，必須採取防雨、防潮、防震措施。

(6)觸探車不用時，要及時用支腿架起，以免汽車彈簧鋼板過早疲勞。

(7)保護好探頭，嚴禁摔打探頭；避免探頭暴曬和受凍；不許用電纜線拉探頭；裝卸探頭時，只可轉動探桿，不可轉動探頭；接探桿時一定要擰緊，以防止孔斜。

(8)當貫入深度較大時，探頭可能會偏離鉛垂方向，使所測深度不準確。為了減少偏移，要求所用探桿必須是平直的，並要保證在最初貫入時就不應有側向推力。當遇到硬岩土層以及石頭、磚瓦等障礙物時，要特別注意探頭可能發生偏移的情況。國外已把測斜儀裝入探頭，以測其偏移量。這對成果分析很重要。

(9)錐尖阻力和側壁摩阻力是同時測出的，但所處的深度是不同的。當對某一深度處的錐頭阻力和摩阻力作比較時(例如計算摩阻比時)，須考慮探頭底面和摩擦筒中點的距離，如貫入第一個10cm時只記q_c；從第二個10cm開始，才同時記q_c和f_s。

(10)在鑽孔、觸探孔、十字板試驗孔旁邊進行觸探時，離原有孔的距離應大於原有孔徑的20～25倍，以防土層擾動。如要求精度較低時，兩孔間距離可適當小些。

⑤ 靜力觸探測試法的儀器設備

靜力觸探設備，俗稱靜力觸探儀，一般由三部分構成，即：

(1)靜力觸探頭：地層阻力感測；

(2)量測記錄儀表：測量與記錄探頭所受各種阻力；

(3)貫入系統：包括觸探主機與反力裝置，共同負責將探頭壓入土中。

觸探主機藉助探桿將裝在其底端的探頭壓入土中；反力裝置則提供主機在貫入探頭過程中所需之反力。

目前，廣泛應用的靜力觸探車集上述三部分為一整體。靜力觸探車具有貫入深度大(貫入力一般大於10t)、效率高和勞動強度低的優點。但它僅適用於交通便利、地形較平坦及可開進汽車的勘測場地使用。貫入力等於5t或小於5t者，一般為輕型靜力觸探儀。使用時，一般都將上述三部分分開裝運到勘測現場，進行測試時再將三部分有機地連接起來。在交通不便、勘測深度不大或土層較軟的地區，輕型靜力觸探應用很廣。它具有便於搬運、測試成本較低及靈活方便之優點。靜力觸探儀的貫入力一般為2～20t，最大貫入力為20t，因為細長的探桿受力極限不能太大，太大易彎曲或折斷。貫入力為2～3t者，一般為手搖鏈式電測十字板-觸探兩用儀。貫入力大於5t者，一般為液壓式主機。現介紹幾種主要的和常用的觸探儀。

一、一些常用的靜力觸探儀介紹

1.輕便觸探機

2Y-5A型觸探機(圖3-11)，額定貫入力：50kN；起拔力：80kN；80kN貫入速度：1.2m/min主機質量：350kg；起拔速度：2.5/min動力匹配：5.5千瓦電機或180柴油機。

圖3-11 2Y-5A輕便型觸探機

2.靜力觸探-十字板剪切兩用機

CLD-1型觸探機(圖3-12)，貫入力：2t；貫入速度：0.8～1.2m/min，主機質量：200kg。CLD-3型觸探機，貫入力：3t；貫入速度：0.8～1.2m/min，主機質量：210kg。

3.靜力觸探工程車

目前，我國生產靜力觸探工程車的廠家較多，主要有浙江寧波勘215機械廠、江蘇省如皋勘測機械廠、大連拉伸機廠、沈陽探礦機械廠及上海地質儀器廠等。各廠生產的觸探工程車的貫入能力都已達到20t，都有封閉式車廂，可以在不受氣候條件影響下進行野外作業。觸探車的結構形式：客車型，蓬車型；平衡形式：液壓支腿手動調平；外形尺寸：9.8m×2.5m×2.8m；下錨形式：液壓下錨機自動下錨；動力匹配：汽車動力；全車質量：8500kg。

圖3-12 CLD3-型觸探機

圖3-13 靜力觸探工程車

二、探頭

(詳見第二節第二部分)

三、量測記錄儀表

我國的靜力觸探工程幾乎全部採用電阻應變式感測器。因此，與其配套的記錄儀器主要有以下4種類型：①電阻應變儀；②自動記錄繪圖儀；③數字式測力儀；④數據採集儀(微機)。

1.電阻應變儀

從20世紀60年代起直到70年代中期，一直是採用電阻應變儀。電阻應變儀具有靈敏度高、測量范圍大、精度高和穩定性好等優點。但其操作是靠手動調節平衡，跟蹤讀數，容易造成誤差。而且不能連續讀數，只能間隔進行(一般5～10 s，即每貫入10～20cm讀一次)，不能得到連續變化的觸探曲線。經過改進，出現了數字式測力儀，如上海新衛機器廠生產的數字測力儀和新達電訊廠生產的JC-X2靜力觸探測量儀。

2.自動記錄繪圖儀

為了實現自動記錄，就出現了自動記錄儀。我國現在生產的靜力觸探自動記錄儀都是用電子電位差計改裝的。這些電子電位差計都只有一種量程范圍。為了在阻力大的地層中能測出探頭的額定阻力值，也為了在軟層中能保證測量精度，一般都採用改變供橋電壓的方法來實現。

早期的儀器為可選式固定橋壓法，一般分成4～5檔，橋壓分別為2、4、6、8、10V，可根據地層的軟硬程度選擇。這種方式的優點是電壓穩定，可靠性強；但資料整理工作量大。現已有可使供橋電壓連續可調的自動記錄儀。

圖3-14 ZSJ-2型雙筆自動記錄儀工作原理圖

(1)自動記錄儀工作原理：圖3-14所示為ZSJ-2型雙筆自動記錄儀工作原理圖，由感測器送來的被測直流信號，經測量電路與儀表內補償電壓進行比較後，產生一不平衡電壓，經放大器放大10^5～6倍後獲得足夠大的功率驅動可逆電機轉動。可逆電機經過一套機械傳動裝置，一面帶動測量電路中的滑線電阻的滾動觸點，使補償電壓與被測信號平衡；一面帶動指針和記錄筆沿著有分度的標尺左右移動。此時放大器中無信號輸入和輸出，電機停止轉動，指針在分度尺上的指示值即為被測信號的電壓值。如果被測信號發生變化，則新產生的電位差值信號又被送至放大器，使滑線電阻的滾動觸點又移動到一個新的平衡點，被測信號與補償電壓又達到新的平衡，指針又移到新的位置……。與此同時，自整角機通過一套傳動機構，以一定速度卷動記錄紙。這樣，隨著指針移動和記錄紙卷動，記錄筆便在記錄紙上連續地記錄出各深度被測信號的大小，此即靜力觸探曲線。

(2)儀器主要組成部分：除走紙機構外，雙筆記錄儀各部分都由兩(雙)套組成：它包括①測量電路；和應變儀一樣，也是採用雙電橋電路，所不同的是自動記錄儀採用的是直流內橋，傳輸的是直流信號；為對外橋路提供穩定的直流電壓，自動記錄儀專門增設了橋路穩壓電源：穩壓范圍一般為0～20V，連續可調，以適應標定探頭和貫入不同軟硬地層的需要；②晶體管放大器：在記錄儀中，放大器的作用是把測量電路送來的直流信號ΔU放大成足以驅動可逆電機轉動的交流信號，並且當直流信號ΔU的極性改變時，輸出交流信號的相位也隨之改變，從而能帶動可逆電機正反轉動，使測量系統達到自動平衡；③可逆電機；④儀表的走紙機構：靜力觸探自動記錄儀除了要把被測信號顯示出來外，還必須將信號隨深度變化的情況記錄在紙帶上，才能及時准確地記錄出地層各位置的阻力值。為此，記錄儀用一對自整角機取代了原電位差計走紙系統中的同步電機。同時發訊角機和摩擦輪通過齒輪組連在一起，並安裝在觸探主機的底盤上，使摩擦輪緊貼觸探桿。當觸探桿下壓時，摩擦輪便隨著轉動。帶動發訊機的轉子旋轉。接收機固定在儀器內，並和走紙機構的齒輪組相連接。當發訊機旋轉時它也跟隨旋轉，帶動記錄紙按1：100(或其他)比例移動，這樣就把觸探深度記錄下來。

3.數字式測力儀

數字式測力儀是一種精密的測試儀表。這種儀器能顯示多位數，具有體積小、重量輕、精度高、穩定可靠、使用方便、能直讀貫入總阻力和計算貫入指標簡單等優點，是輕便的鏈式十字板-靜力觸探兩用機的配套量測儀表，國內已有眾多廠家生產。這種儀器的缺點是間隔讀數，手工記錄。

數字式測力儀與過去使用的應變儀比較，其優點是：體積小、重量輕，不用手動跟蹤，而用數字顯示不容易看錯，還可以把率定系數輸入儀器內直接讀取阻力值。由武漢市勘測院設計、由武漢無線電廠生產的數字式測力儀即具有上述功能。

此外，自動記錄儀與應變儀相比，靈敏度不如應變儀，它的量程小。但是，自動記錄儀有深度控制裝置，可以連續自動地記錄土層的貫入阻力曲線，從而提高了野外工作效率和質量，因而目前使用最廣。

4.數據採集儀(微機)在靜探中的應用

以上介紹的量測記錄儀表的功能均不夠完善，有的只能人工間隔讀數，不能畫圖；有的只能畫圖，但不能顯示列印數據。這些儀器雖還能滿足一般生產的需要，但資料整理時工作量大，效率低。故用微型計算機採集和處理數據，已在靜力觸探測試中得到了廣泛應用。

四、貫入系統

靜力觸探貫入系統由觸探主機(貫入裝置)和反力裝置兩大部分組成。

觸探主機的作用是將底端裝有探頭的探桿一根一根地壓入土中。觸探主機按其貫入方式不同，可以分為間歇貫入式和連續貫入式；按其傳動方式的不同，可分為機械式和液壓式；按其裝配方式不同可分為車裝式、拖斗式和落地式等。

反力裝置的作用是平衡貫入阻力對貫入裝置的反作用。從設備角度來說，靜力觸探貫入深度的大小主要取決於三方面因素：①貫入設備能力的大小；②觸探頭截面的大小及其與探桿的配合；③反力大小。反力不夠，整個貫入設備的能力就得不到充分發揮，可見反力裝置是很重要的。反力的取得，一般有下地錨和利用汽車自重兩種。現在的觸探車都綜合利用這兩種方法，效果良好。

擰錨機有液壓、電動、手搖三種類型。

五、探桿

探桿有一定的規格和要求。探桿應有足夠的強度，應採用高強度無縫管材，其屈服強度不宜小於600MPa。

探桿與接頭的連接要有良好的互換性。用錐形螺紋連接的探桿，連接後不得有晃動現象；用圓柱形螺紋連接的探桿，絲扣之間、皆應能擰緊密貼。

探桿應平直，不得有裂紋和損傷。每根探桿的長度一般為1m，其直徑應和探頭直徑相同；但單用探頭探桿直徑應比探頭直徑小。

六、電纜

電纜的作用是連接探頭和量測記錄儀表。由於探頭功能不同，相應電纜的芯數也不同，最少的為配單橋探頭的四芯電纜，多則幾十芯，各芯之間應互相屏蔽，在場出訊號時不能互相干擾。電線應有良好的防水性和絕緣性，接頭處應密封。其直徑應比探桿內徑小，以便能將其順利穿過探桿，連接探頭和儀表。

⑥ 什麼是靜力觸探試驗

靜力觸探試驗是以靜壓力將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中,量測其貫入阻力(包括錐頭阻力和側壁摩阻力或摩阻比),並按其所受阻力的大小劃分土層,確定土的工程性質。 該實驗是工程地質勘探中一項原位測試方法,主要適用於粘性土、粉土及砂性土層。

⑦ 靜力觸探測試法的基本原理

一、靜力觸探機理

靜力觸探自問世以來，儀器幾經更新換代，觸探機理研究也很活躍。如：1974年和1978年召開了二屆歐洲觸探會議(ESOFT)；1988年又召開了第一屆國際觸探會議(ISOPT)。同時，歷屆國際土力學與基礎工程會議、國際工程地質大會，以及近年來的國際地質大會的論文集中，都有原位測試及觸探機理的研究文章；20世紀80年代以來，國內也有不少單位進行了這方面的工作，如：同濟大學、鐵道部科學研究院、第四勘測設計院、長沙鐵道學院、原長春地質學院^[2]、中國地質大學^[3]及武漢水利水電大學等，都進行了大量的研究工作，發表了論文，出版了專著或教材。

靜力觸探機理的試驗和理論研究，對其測試方法和成果應用，都有直接的關系。因此觸探機理研究是很有意義的。但由於土的性質的不確定性和復雜性，以及觸探時產生的土層大變形等，都對機理研究帶來很大困難。因此，到目前為止，觸探機理的理論研究成果遠不盡人意，仍然處於探索階段中。目前，大部分已知的理論都是在飽和粘土中、且於不排水貫入條件下或在純砂中排水貫入條件下得到的。這些理論可歸並成以下幾類：①承載力理論；⑦孔穴擴張法；③應變路徑法；④其他方法。下面將簡單分析和評價這些方法。

1.承載力理論

由於CPT類似於樁的作用過程，很早就有人嘗試借用深基礎極限承載力的理論，來求解CPT的端阻q_c，這就是所謂的承載力理論(bearing capacitytheory)，簡稱BCT。該法把土體作為剛塑性材料，根據邊界受力條件給出滑移線場，或根據試驗或經驗假定滑動面，用應力特徵線法或按極限平衡法求出極限承載力。BCT得到的q_c一般可以表達為：

土體原位測試與工程勘察

式中：C_u為土的不排水抗剪強度；

為上覆壓力；它和土層深度有關：

=γh；N_c，N_q為量綱為一的承載力系數，依賴於滑動(面)的選擇。

BCT承載力理論(Bearing capacitytheories)思路的發展是從平面應變、修正平面應變到軸對稱承載力理論。

對該方法可做如下的評價：

(1)BCT和穩定貫入有差別，前者是用於極限破壞狀態的理論；後者是破壞已發生的過程。

(2)滑移線法、極限平衡法都是應力靜定的。求q_c時沒有直接考慮塑性區內的變形，也就不能考慮壓縮性、剪脹和壓碎效應。兩者考慮的都是靜態載入，並且沒有涉及貫入所產生的高的垂直和水平應力。

(3)只有在整體剪切破壞的土體中，才能出現完整的破壞面，才能用滑移線法或極限平衡法求解。對於大多數深貫入，土體破壞都包含局部剪切和壓縮，難以觀察到明顯的滑動面。研究者往往採用β等參數來描述這種非完整滑動面，以進行修正。

(4)據剛塑性滑移線法，在塑性破壞之前，土作為剛體無變形，當受力加到極限時，滑移線場內整體塑性流動。顯然，這與實際不符，土本構關系的剛塑性簡化會帶來誤差，但若要考慮彈性變形和應變硬化、軟化效應的關系，將引起數學上的極大困難，就失去了滑移線法的簡捷性了。

(5)可以根據流動法則求出塑性區內土的速率場，並能考慮體積變化的情況復雜。也無人做過，原因是興趣在於q_c，而問題是應力靜定的。

(6)BCT不能求解出孔壓。

2.孔穴擴張法

孔穴擴張法(cavities expansionmethods，簡稱CEM)是源於彈性理論中無限均質各向同性彈性體中圓柱形(或球形孔穴)受均布壓力作用問題而形成的觀點。該理論最初用於金屬壓力加工分析，隨後引入土力學中，用柱狀孔穴擴張來解釋夯壓試驗機理和沉樁；用球形孔穴擴張來估算樁基礎的承載力和沉樁對周圍土體的影響。CEM在土力學中已有較深入的應用。

圖3-2 圓孔的擴張

柱(球)穴在均布內壓P作用下的擴張情況，如圖3-2所示。當P增加時，孔周區域將由彈性狀態進入塑性狀態。塑性區隨P值的增加而不斷擴大。設孔穴初始半徑為R_f，擴張後的半徑為R_u及塑性區最大半徑為R_p，相應的孔內壓力最終值為P_u，在半徑R_p以外的土體仍保持彈性狀態。CEM類似於彈塑性力學問題的一般提法，即：列出三組基本方程(平衡微分方程、幾何方程及土本構關系)，配以破壞准則及邊界條件求解。各研究者獲得的解之間的差別主要在於問題所涉及的變形程度和本構關系的選擇上。本構關系(含塑性階段流動法則)的選擇是CEM的關鍵，隨土力學理論及計算方法的發展，從簡單到考慮土的許多復雜性質，主要有多個模型。

CEM的主要優點在於：採用柱穴擴張或球穴擴張，把探頭貫入的三維問題簡化模擬成平面應變和球對稱問題；應力、應變和位移僅是徑向坐標變數r的函數，邊界條件極簡單，採用數值方法可以納入各種土本構模型，並可以考慮土的許多復雜性質。它在得到孔壓和考慮在高壓縮性土中貫入時，明顯比BCT具有優勢。可以看出，CEM的思路源於把探頭貫入看作是錐面的連續擴張，並近似用柱面或球面擴張來替代，大大簡化了邊界條件。

CEM的主要缺點在於：①很明顯，在固定位置的孔穴擴張不能模擬垂直向貫入的以下兩個重要特徵：a.土體變形與垂向坐標有關。特別是柱擴不能模擬此點，它得到的位移都在水平面內，而球擴也不能說明位移反向的情況。b.穩定貫入的連續性。因為CEM描述的總是在一個固定位置的擴孔。因此，甚至在最簡單的均質各向同性土中，CEM也不能正確模擬貫入時土中各單元的變形過程(應變路徑)。②目前的CEM方法，沒有考慮到貫入速率的影響，盡管它對Δu(超孔壓)和q_c的影響是存在的。

3.應變路徑法

應變路徑法(strain pathmethods，簡稱SPM)是由Baligh領導的小組經過10多年的研究，於1985年正式提出的。SPM旨在為合理解釋和預估樁的貫入、靜力觸探、取土器取土等深層岩土工程問題(相對淺基而言)提供一套集成化、系統化的分析方法。

(1)SPM的基本思想

通過觀察探頭在飽和軟粘土中的不排水貫入，Baligh(1975年)假設，由於深貫入過程中存在嚴格的運動限制(上覆壓力大，探頭周圍土體在高應力水平下深度重塑、強制性流動及不排水條件下土體不可壓縮等)，探頭周圍土體的應變受土的抗剪性質影響很小，於是，Baligh稱該類問題是由應變控制的(strain controlled)。後來的理論和試驗也證實了這一假設。

因此，用相對簡單的土性(如各向同性)來估算貫入引起的變形和應變差，在預期合理的范圍內。再利用估算的應變，採用符合實際情形的本構模型條件，就可以計算出近似的應力和孔壓。

對於軸對稱探頭在飽和粘性土中的准靜力貫入，忽略粘性、慣性效應，可將這類由不排水剪切造成的塑性破壞，看作是定向流動問題，即視探頭為靜止不動，土顆粒沿探頭周圍分布的流線向探頭貫入的反方向流動，不同流線上每個單元的變形、應變、應力和孔壓可用一些步驟求出。

(2)SPM對貫入問題的模擬

SPM對穩定貫入問題的模擬的關鍵在於正確預估應變場。目前，都是將土體視為無粘性不可壓縮流體，通過求解土顆粒繞流探頭來估計應變場。這可分兩種情況，即：探頭以速度為u(一般2cm/s)在靜止流體中運動；或速度為u的無窮遠均勻束流零攻角繞流靜止探頭。

解決流體對軸對稱體的繞流，有兩種方法，即：Bankine法和保角映射法。該方法的評價如下：

其優點為：SPM法的優點主要在於首次比較真實地考慮並模擬到了垂向貫入的特徵，克服了CEM的兩個主要缺點。根據基本假設，用錐體繞流的方法獲得應變場，避開了復雜的邊界條件，和在復雜應力路徑下結合本構關系計算的困難。而SPM法的主要缺點在於其基本假設的適用性上。Clark和Meverhof(1972年)及steenfellt(1981年)現場觀測到沉樁對周圍土的徑向位移場影響范圍分別是4倍和8倍樁徑。一些研究者得到的Δu影響范圍為4～25倍樁徑。因此，貫入產生的應變依賴於土性。而目前SPM法實際把其基本假設更推進一步，將貫入時土中的流場，同無粘性不可壓縮流體繞流錐體的流場等同起來。眾所周知，無粘性流不能抵抗任何剪力(無論多麼小)，而且土的粘性一般比水大8～16個數量級。所以，用無粘性不可壓縮無旋流體繞流錐體來模擬深貫入產生的流場，只有對於完全飽和的軟粘土才可能有效(指一級近似)。對於OCR(超固結化)＞4的硬粘土，貫入時容易產生不連續滑動面，仍用連續的流體運動來模擬就不適合了。若要考慮到粘性和可壓縮性及樁-土界面的摩擦，流動方程的解就很困難。

雖有上述困難，SPM法在構思上還是很巧妙的，它把應變場和應力場分開計算，為解決深貫入問題開辟了一條新途徑，故很有發展前景。運用它已得到了不少有用成果，如在估算q_c的承載力系數和估算Δu，這方面可參考Baligh的文章。

二、靜力觸探探頭的工作原理

1.探頭——地層阻力感測器

靜力觸探探頭亦稱地層阻力感測器，它是量測地基土貫入阻力的關鍵部件。是貫入過程中直接感受土的阻力，將其轉變成電信號，然後再由儀表顯示出來的元件。為實現這一過程，可採用不同型號的感測器，其中電阻應變式感測器最為常用。電阻應變式感測器應用了虎克定律、電阻定律和電橋原理製成。

2.靜力觸探測試地的機電原理

(1)P→e轉換 探頭(圖3-3)被壓入土中，受地層阻力作用要引起裝在探頭內部的空心柱(變形柱4)的變形；如將空心樁視為一個桿件，則其阻力與變形的關系，可用虎克定律表達為：

土體原位測試與工程勘察

或

σ=Eε (3-3)

式中：E是材料的彈性模量；F是空心柱的截面積；P為探頭所受的壓入阻力；ε為在壓力P下空心柱產生的應變；L為空心柱有效變形長度。對於給定探頭，兩者均已給定。因此，只要測得應變ε就可以求得應力σ的大小，進而也就知道受力P的大小了。

(2)ε→ΔR 轉換為了測得 ε，在空心樁的外周貼上一個阻值為 R 的電阻應變片(圖3-4)。空心樁受拉力而產生變形，電阻絲也隨之變長。根據電阻定律的公式知：

土體原位測試與工程勘察

式中：L為電阻絲的長度；ρ為電阻絲的電阻率。由於空心樁受力產生ΔL的變化，那麼相應電阻R值也將引起ΔR的變化，其關系可表達成：

土體原位測試與工程勘察

式中：K為電阻應變片的靈敏系數。

圖3-3 單橋探頭結構示意圖

圖3-4 應變與電阻變化的轉換

(3)ΔR→ΔU轉換 公式(3-5)表明：已實現了由非電量ε 到電量ΔR 的轉換。但是鋼材在彈性范圍內的變形很小，因而引起的電阻變化ΔR值也是很小的。利用微小的電阻變化去精確計量力的變化很困難，故轉而需要利用電橋原理，在空心樁上貼上一組應變片，再經放大器放大，來實現微電壓的測量。

下面分析一下電橋原理：電橋線路如圖3-5所示。電橋電壓為U，R₂上的電壓降為U_BC。在ABC或ADC迴路中，電阻R₁、R₂串聯，電流為I₁，由歐姆定律可知：

土體原位測試與工程勘察

因此，BC電位差為：

土體原位測試與工程勘察

同理，在ADC迴路上，DC的電位差U_DC：

土體原位測試與工程勘察

電橋的輸出電壓ΔU為U_BC與U_DC之差，即：

土體原位測試與工程勘察

圖3-5 電橋原理

顯然，為了使電橋平衡，即輸出電壓為零(檢流計無電流)，應有：

R₂·R₄-R₁·R₃=0； 或 R₁·R₃=R₂·R₄ (3-7)

式(3-7)即為電橋平衡條件。

下面進一步分析輸出電壓ΔU與電阻變化ΔR，進而與變形ε之間的關系。

分析的對象是等橋臂全橋測量電路，每臂一片，即R₁=R₂=R₃=R₄。顯然，不受力時，滿足電橋平衡條件。四片的貼法如圖3-6所示，即：R₂和R₄順著空心柱軸線方向貼，使之有正的變化；R₁和R₃橫著空心柱貼，使之有負的變化，四片互為補償。這樣組成的電橋，經推導得知，其輸出ΔU的表達式為：

土體原位測試與工程勘察

很顯然，式中Kε(1-μ)是非線性項，就是說上式中ΔU並不與ε成正比。對於阻值不大的常規應變片，由於K值較小(2左右)，即使應變較大，Kε(1-μ)項也是很小的，故可將其略去，這樣式(3-8)就變成為：

土體原位測試與工程勘察

對於兩片受拉、兩片不受力的全橋測量電路，不難證明其輸出電壓ΔU與應變ε的關系為：

土體原位測試與工程勘察

分析以上兩式，可看出：在K、ε和U都相同的條件下，僅由於應變片貼法不同，前者輸出電壓是後者的(1-μ)倍。為獲得較大的輸出，目前靜探頭里的應變片都採用前一種貼法。

由式(3-9)或式(3-10)可知，電橋輸出電壓ΔU與應變片靈敏系數K，應變數ε及供橋電壓U成正比。對一定的感測器，組橋方式已經確定，K、ε都是常數，在選定工作電壓U的情況下，ΔU只隨空心柱應變ε的大小而變化。再聯繫到式(3-2)，容易看出，由於E、F也已確定，輸出電壓ΔU就只隨空心柱受力P的大小而變化了。

綜上所述，靜力觸探通過地層阻力→空心柱變形→電阻變化→電壓變化→施入電子記錄儀表等一系列轉換，可實現測定土的強度等目的。

3.探頭的結構類型

探頭是靜力觸探儀測量貫入阻力的關鍵部件，有嚴格的規格與質量要求。一般分圓錐形的端部和其後的圓柱形摩擦筒兩部分。目前國內、外使用的探頭可分為三種形式：

(1)單用(橋)探頭：是我國特有的一種探頭型式，只能測量一個參數，即比貫入阻力p_s，解析度(精度)較低，見圖3-3和圖3-8。

(2)雙用(橋)探頭：它是一種將錐頭與摩擦筒分開，可以同時測量錐頭阻力q_c和側壁摩阻力f_s兩個參數的探頭，解析度較高，見圖3-7和見圖3-8。

圖3-6 四壁工作的全橋電路

圖3-7 雙橋探頭示意圖

圖3-8 靜力觸探探頭類型

(3)多用(孔壓)探頭：它一般是將雙用探頭再安裝：一種可測觸探時所產生的超孔隙水壓力裝置——透水濾器和一種測量孔隙水壓力的感測器。解析度最高，在地下水位較淺地區應優先採用。

探頭的錐頭頂角一般為60°，底面積為10cm²，也有15cm²或者20cm²。錐頭底面積越大，錐頭所能承受的抗壓強度越高；探頭不易受損；且有更多的空間安裝其他感測器，如：測孔斜、溫度和密度的感測器。在同一測試工程中，宜使用統一規格的探頭，以便比較。建標(CECS 04：88)《靜力觸探技術標准》中的有關規定，見表3-1和表3-2所列。

圖3-9展示的是一組實物探頭，有10cm²單雙橋探頭、15cm²單雙橋探頭和50×100mm²電測十字板頭感測器(Probe andVane Sensor)。

表3-1 單橋和雙橋探頭的規格

表3-2 常用探頭規格

4.有關探頭設計的問題

對此問題扼要說明幾點：

(1)探頭空心柱與其頂柱應有良好接觸，採用頂柱接觸最好，可使感測器受力均勻，也容易加工。

(2)加工空心柱(彈性元件)的鋼材應具有強度高、彈性好、性能穩定、熱膨脹系數小及耐腐蝕等特徵。國內一般選用60 Si₂Mn(彈簧鋼)和40 CrMn鋼製作空心柱。其他部件可採用40 Cr或45號鋼，需作好熱處理。

(3)由式(3-2)可知，空心柱應變數的大小和地層阻力及空心柱環形截面積有關。在相同地層阻力的情況下，應變數越大(也就是越靈敏)，它能承受的最大荷載也就會愈小。要兼顧這兩者，如前所述，可以選擇好的鋼材。但這還不夠，為適應不同地區、不同軟硬土層貫入的需要，目前廠家一般均生產幾種不同額定荷載(當空心柱材料一定時，就相當於不同截面積)的探頭選用。一般在軟土地區可選用額定荷載小一些的比較靈敏的探頭；反之，則選用額定荷載大一些的探頭。

圖3-9 實物探頭照片

(4)鐵道部《靜力觸探技術規則(TBJ37-93》規定：探頭規格、各部加工公差和更新標准應符合該規則的要求。

(5)探頭的絕緣性能，應符合下列規定；探頭出廠時的絕緣電阻應大於500MΩ，並且在500kPa水壓下恆壓2h後，其絕緣電阻仍不小於500MΩ。用於現場測試的探頭，其絕緣電阻不得小於20MΩ。

(6)對於各種探頭，自錐底起算，在1000mm長度范圍內，任何與其連接的桿件直徑不得大於探頭直徑；為降低探桿與土的摩擦阻力而需加設減摩阻器時，亦只能在此規定范圍以上的位置設置。

(7)探頭貯存應配備防潮、防震的專用探頭箱(盒)，並存放於乾燥、陰涼的處所。

5.電阻應變片及粘合劑

圖3-10 箔式電阻應變片

目前普遍用箔式電阻應變片(圖3-10)製作感測器，這種片子具有放熱性好、允許通過電流較大(因而可使用較大的輸入電壓。從而得到較大的輸出電壓)、疲勞壽命長、柔性好、蠕變性小等優點。絲式膠基電阻應變片也可採用，但半導體應變片用的很少，因它存在非線性大、溫度穩定性差等嚴重缺點，不能滿足對感測路的有關質量要求。

用電阻應變儀量測時，可選用120Ω的片子。利用自動記錄儀時，可選用240Ω或360Ω的片子。四片阻值盡量相等，差值最大不要越過0.1Ω，否則對電橋初始平衡不利。可使用直流單電橋等儀器來測量應變片阻值大小。

適合粘貼應變片的粘合劑的種類繁多。目前使用酚醛類粘合劑1720膠較普遍；聚醯亞胺粘合劑也在使用。選用粘合劑應注意使其與應變片膠基相一致。

有關具體貼片工藝這里就不介紹了，因為目的國內已有多種規格型號的商品化感測器由工廠生產出來，供廣大工程技術人員選用，其質量一般較好，價格也不貴，除特殊情況外，已不必由使用者去製作它了。

6.溫度(t)對感測器的影響及補償方法

感測器在不受力的情況下，當溫度變化時，應變片中電阻絲(亦稱線柵)的限值也會發生變化。與此同時，由於線柵材料與空心柱材料的線膨脹系數不一樣，使線柵受到附加拉伸或壓縮，也會使應變片的阻值發生變化。綜合起來，一個貼在空心柱上的應變片因溫度(t)變化而引起阻值變化的關系可表達成：

土體原位測試與工程勘察

式中：α_t為貼在空心柱上的應變片的電阻溫度系數。聯繫到式(3-5)，應變片由於溫度變化而產生的熱輸出ε_t為：

土體原位測試與工程勘察

這種熱輸出是和地層阻力無關的，因此必須設法消除才會使測試成果有意義。在靜探技術中，通過採用以下兩種辦法，基本上可以把溫度對感測器的影響，控制在測試精度允許之內。除此之外，溫度自補償應變片在有條件時也可積極使用。

(1)橋路補償法 就是在製作感測器時精選四片為一批次、規格、阻值、靈敏系數的應變片，以相同的粘接劑和貼片工藝，貼在空心柱上，組成全橋四臂測量電路(四個工作片互為補償，或兩個工作片，兩個補償片)，使溫度變化時，補償片和工作片的(ΔR/R)相等，這就起到了溫度補償作用。

(2)溫度校正方法 就是在野外操作時測初讀數的變化，內業資料整理時，將其消除。

⑧ 靜力觸探的觸探試驗

將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中量測其貫入阻力、錐頭阻力及側壁摩阻力的過程稱為靜力觸探試驗。
靜力觸探是工程地質勘察中的一項原位測試方法，可用於：
1．劃分土層，判定土層類別，查明軟硬夾層及土層在水平和垂直方向的均勻性；
2．評價地基土的工程特性、容許承載力、壓縮性質、不排水抗剪強度、水平向固結系數、飽和砂土液化度、砂土密實度等；
3．探尋和確定樁基持力層，預估打入樁沉樁可能性和單樁承載力；
4．檢驗人工填土的密實度及地基加固效果。
本規程適用於粘質土和砂質土。 1．《靜力觸探儀》
2．《土工儀器的基本參數及通用技術條件》第二篇原位測試儀器
3．《岩土工程勘察規范》靜力觸探試驗

⑨ 靜力觸探儀的主要技術指標

1.貫入阻力：20KN/30KN
2.貫入深度：20米-30米
3.貫入速度：0.5-1M/MIN
4.探頭截面：10cm²、15cm²
5.十子板剪切：小於132Kpa

⑩ 靜力觸探儀的注意事項

1.使用靜力觸探儀時，要認真閱讀技術說明書，熟悉技術指標、工作性能、使用方法、注意事項，嚴格遵照儀器使用說明書的規定步驟進行操作。 2.初次使用靜力觸探儀人員，必須在熟練人員指導下進行操作，熟練掌握後方可進行獨立操作。 3.實驗時使用的靜力觸探儀，要布局合理，擺放整齊，便於操作，觀察及記錄等