静力触探仪器做什么试验

① 如何用静力触探试验测试垃圾强度

静力触探试验
定义和适用范围
将圆锥形探头按一定速率匀速压入土中量测其贯入阻力
锥头阻力侧壁摩阻力的过程称为静力触探试验
静力触探是工程地质勘察中的一项原位测试方位可用
于
划分土层判定土层类别查明软硬夹层及土层在水平和
垂直方向的均匀性
评价地基土的工程特性容许承载力压缩性质不排水抗
剪强度水平向固结系数饱和砂土液化势砂土密实度等
探寻和确定桩基持力层预估打入桩沉桩可能性和单桩承
载力
检验人工填土的密实度及地基加固效果

② 静力触探试验的试验目的是什么

验人工填土的密实度及地基加固效果

③ 静力触探与动力触探

一、相同点：

下陷观测是归属于测量学的范畴，都归属于静力或动力触探。
静力触探是指利用压力装置将有触分析仪的触探杆压入试验土层，通过量测系统测土的贯入阻力，可确认土的某些基本物理力学特性。
动力触探是利用一定质量的重锤，将与探杆相连接的标准规格的分析仪打地里中，根据分析仪贯地里中一定深度所必须的锤击数，辨别土的力学特性。

二、不同点：

1、试验频率：

动力触探试验频率：控制在 15～30 击/min。 静载压板试验的频率：试桩数量为单位工程桩数的3%，不得少于3根，总桩数不足50的，不少于两根。

2、锤重：

轻型动力触探锤重10kg，计每贯入30cm锤击数。落距500mm，探头直径40mm，锥角60度。重型动力触探锤重63.5kg，计每贯入10cm锤击数，落距760mm，探头直径74mm，锥角60度。

3、计算公式：

多组统计资料得要计算公式为轻型：qpa=29.29n-132.9，重型qpa=160n。

(3)静力触探仪器做什么试验扩展阅读：

原位测试：在岩土层原来所处的位置，基本保持的天然结构,天然含水量以及天然应力状态下，测定岩土的工程力学性质指标。

原位测试包括静力触探、动力触探、标准贯入试验、十字板剪切、旁压试验、静载试验、扁板侧胀试验、应力铲试验、现场直剪试验、岩体应力试验、岩土波速测试等。 用载荷试验确定地基承载力时，承压板面积不宜小于0.5平米 。承载力基本值的选用，应根据压力和沉降、沉降与时间关系曲线的特征，结合地区经验取值。

④ 静力触探测试法的程序和要求

一、探头率定

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)后的探头都应进行标定。其目的是求出测量仪表读数与荷载之间的关系——确定率定系数。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3-15)。

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3-16)。

探头率定方法，可根据TBJ37-93规定进行，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(正标定)

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。

用固定桥压法率定探头时，首先按图组装好标定设备并接通仪表。选定好供桥电压；然后，加荷、卸荷三次以上，以释放空心桩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，就可正式加压标定。荷载的大小，可根据测力计的变形与荷载的关系确定。逐级加荷，开始可细一点，以后采取等间距加荷，直至设计额定荷载或仪表满量程，然后卸荷。记录各级荷重下仪表的毫伏输出(mV)或微应变(με)，并记录卸荷后回零读数。平行标定三、四次，每次标定时将顶柱转动一个角度，以便检查。

改变供桥电压，注视在各个方向上读数是否一致，并重复上述步骤，以便得出各种桥压下的标定系数。计算出每级荷载下毫伏输出数或微应变的平均值，以荷载为纵标，输出值为横标，标点并连线即得标定曲线。在正常情况下，各点连线呈直线并通过零点。

图3-15 钢环侧力式探头率定装置图

图3-16 探头率定曲线

探头标定系数K按下式确定：

土体原位测试与工程勘察

式中：K为探头标定系数，P_s、q_c和f_s传感器的标定系数可分别用K_p、K_q、K_f表示；P为标定曲线上直线部分终点的荷重(MPa)；A为锥尖投影面积或侧摩擦筒表面积(cm²)；ε为输出电压或应变量。

应当注意的事项有：

(1)在固定的供桥电压下，对探头加荷和卸荷最大加载量的1/10～1/7；但在第一级荷载区间内，宜进一步细分成三级。

(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。

(4)对于顶栓式传感器或传感器与传力垫可以相对转动探头，每加、卸荷一个循环后，应转动顶栓或传力垫90°～120°，再进入下一个加、卸荷循环过程。

2.固定系数法(反标定，标定供桥电压法)

根据仪器性能和使用要求，先定探头的率定系数为某一整数值(称令定系数)，率定探头在该标定系数时，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。

该法适合于供桥电压连续可调的自动记录仪，具有便于在现场直读记录曲线和室内资料整理的优点。标定方法和实例如下：

(1)先指令一个标定系数，如指令锥底面积为15cm²的q_c传感器的标定系数 K_q=1.2MPa/mV。由于一般记录仪输出电压范围为0～10mV，因此记录笔达满量程的q_c测量范围为0～12MPa；又如果记录纸带宽度是120mm，即12mm/mV，那么自然记录纸每毫米宽度表示的q_c值为0.1MPa。各种K_q(或K_p)和K_f下的测量范围如表3-3所示。

表3-3 各种标定系数的测量范围

(2)按下式求出标定系数所对应的满量程荷载：

P=K·ΔU·A (3-14)

式中：P为满量程荷载(MPa)；K为指令的传感器标定系数；ΔU为仪表满量程输出毫伏值(一般为10mV)；A为探头锥尖投影面积或侧摩擦筒表面积(cm²)。

各种传感器的满量程荷载P见表3-4和表3-5。

按上式计算或查表得锥底面积为15cm²的q_c传感器在K_q=1.2MPa/mV时的满量程荷载为18kN。

表3-4 q_c或P_s传感器标定时所加满量程荷载P/kN

表3-5 f_s传感器标定时所加满量程荷载P/kN

(3)标定操作。将仪器q_c桥压先调至10V左右，然后调好零位，开始加荷9kN，看此时记录是否指示在5mV。若不是，可把拱桥电压调高或调低，使指针为5mV，然后卸荷至零，再次校正零位，再加荷到9kN，重新校正输出，使之稳定在5mV 标尺上。然后加荷至18kN，再仿上法校正满量程10mV的供桥电压。经过反复几次校正之后，此时(数字电压表)所显示的电压就是锥底面积为15cm²的q_c传感器在K_q=1.2所对应的标定电压。将标定系数K_q=1.2及所对应的标定电压。将标定系数K_q=1.2及所标定的供桥电压记录下来，在贯入前把q_c供桥电压调到标定值，则在触探曲线上，正如前述，1mV信号宽度的q_c值就等于1.2MPa，1mm纸带宽度代表的q_c值等于0.1MPa。

f_s传感器及p_s传感器的标定方法，基本同上。

应该指出：对一定的传感器，由式(3-10)可知，选择小的K值即提高工作电压，可以增加输出，也就是提高量测的灵敏度。但是电压用得过高，一是有时记录笔打到头(尤其是f_s传感器)，乃无法记录到贯入阻力值；二是容易使应变片线栅烧毁(一般要求不超过16V)。因此，应结合土层软硬情况，选择适当的K值或供桥电压。当然，材质相同而截面尺寸不同的传感器，在同一K值下的供桥电压也不一样。实际上首先应根据地区土层的软硬情况，选择好适当额定荷载的传感器，然后，选择适当的K值或供桥电压。

二、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。后将探头通过电线与测量仪表连接起来。注意检查各部件应符合质量要求。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：①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；②记录笔出水是否流畅；③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；④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，表随之变化；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；⑤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——详见铁路规范(TBJ37-93)。

3.其他准备工作

(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，轮胎的状态；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：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；②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标定(非线性误差、滞后误差、归零误差，q_c与f_s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。

三、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，使贯入压力保持垂直方向，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)若计探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，则至少应有一个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；其他各孔、各试验点的孔压消散程度，可视地层情况和设计要求而定。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、测量探杆表面上的干、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探度；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，用铅笔逐项注记清楚项目的制作内容。

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，必须采取防雨、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，如贯入第一个10cm时只记q_c；从第二个10cm开始，才同时记q_c和f_s。

(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，两孔间距离可适当小些。

⑤ 静力触探测试法的仪器设备

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；

(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连接起来。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2～20t，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2～3t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、一些常用的静力触探仪介绍

1.轻便触探机

2Y-5A型触探机(图3-11)，额定贯入力：50kN；起拔力：80kN；80kN贯入速度：1.2m/min主机质量：350kg；起拔速度：2.5/min动力匹配：5.5千瓦电机或180柴油机。

图3-11 2Y-5A轻便型触探机

2.静力触探-十字板剪切两用机

CLD-1型触探机(图3-12)，贯入力：2t；贯入速度：0.8～1.2m/min，主机质量：200kg。CLD-3型触探机，贯入力：3t；贯入速度：0.8～1.2m/min，主机质量：210kg。

3.静力触探工程车

目前，我国生产静力触探工程车的厂家较多，主要有浙江宁波勘215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。各厂生产的触探工程车的贯入能力都已达到20t，都有封闭式车厢，可以在不受气候条件影响下进行野外作业。触探车的结构形式：客车型，蓬车型；平衡形式：液压支腿手动调平；外形尺寸：9.8m×2.5m×2.8m；下锚形式：液压下锚机自动下锚；动力匹配：汽车动力；全车质量：8500kg。

图3-12 CLD3-型触探机

图3-13 静力触探工程车

二、探头

(详见第二节第二部分)

三、量测记录仪表

我国的静力触探工程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20世纪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5～10 s，即每贯入10～20cm读一次)，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。

2.自动记录绘图仪

为了实现自动记录，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。现已有可使供桥电压连续可调的自动记录仪。

图3-14 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：图3-14所示为ZSJ-2型双笔自动记录仪工作原理图，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，此即静力触探曲线。

(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(双)套组成：它包括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ΔU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ΔU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；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。同时发讯角机和摩擦轮通过齿轮组连在一起，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连接。当发讯机旋转时它也跟随旋转，带动记录纸按1：100(或其他)比例移动，这样就把触探深度记录下来。

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，是轻便的链式十字板-静力触探两用机的配套量测仪表，国内已有众多厂家生产。这种仪器的缺点是间隔读数，手工记录。

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，而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。

此外，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，从而提高了野外工作效率和质量，因而目前使用最广。

4.数据采集仪(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，但不能显示打印数据。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。故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。

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；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。

五、探杆

探杆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、皆应能拧紧密贴。

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，相应电缆的芯数也不同，最少的为配单桥探头的四芯电缆，多则几十芯，各芯之间应互相屏蔽，在场出讯号时不能互相干扰。电线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。

⑥ 什么是静力触探试验

静力触探试验是以静压力将圆锥形探头按一定速率匀速压入土中,量测其贯入阻力(包括锥头阻力和侧壁摩阻力或摩阻比),并按其所受阻力的大小划分土层,确定土的工程性质。 该实验是工程地质勘探中一项原位测试方法,主要适用于粘性土、粉土及砂性土层。

⑦ 静力触探测试法的基本原理

一、静力触探机理

静力触探自问世以来，仪器几经更新换代，触探机理研究也很活跃。如：1974年和1978年召开了二届欧洲触探会议(ESOFT)；1988年又召开了第一届国际触探会议(ISOPT)。同时，历届国际土力学与基础工程会议、国际工程地质大会，以及近年来的国际地质大会的论文集中，都有原位测试及触探机理的研究文章；20世纪80年代以来，国内也有不少单位进行了这方面的工作，如：同济大学、铁道部科学研究院、第四勘测设计院、长沙铁道学院、原长春地质学院^[2]、中国地质大学^[3]及武汉水利水电大学等，都进行了大量的研究工作，发表了论文，出版了专著或教材。

静力触探机理的试验和理论研究，对其测试方法和成果应用，都有直接的关系。因此触探机理研究是很有意义的。但由于土的性质的不确定性和复杂性，以及触探时产生的土层大变形等，都对机理研究带来很大困难。因此，到目前为止，触探机理的理论研究成果远不尽人意，仍然处于探索阶段中。目前，大部分已知的理论都是在饱和粘土中、且于不排水贯入条件下或在纯砂中排水贯入条件下得到的。这些理论可归并成以下几类：①承载力理论；⑦孔穴扩张法；③应变路径法；④其他方法。下面将简单分析和评价这些方法。

1.承载力理论

由于CPT类似于桩的作用过程，很早就有人尝试借用深基础极限承载力的理论，来求解CPT的端阻q_c，这就是所谓的承载力理论(bearing capacitytheory)，简称BCT。该法把土体作为刚塑性材料，根据边界受力条件给出滑移线场，或根据试验或经验假定滑动面，用应力特征线法或按极限平衡法求出极限承载力。BCT得到的q_c一般可以表达为：

土体原位测试与工程勘察

式中：C_u为土的不排水抗剪强度；

为上覆压力；它和土层深度有关：

=γh；N_c，N_q为量纲为一的承载力系数，依赖于滑动(面)的选择。

BCT承载力理论(Bearing capacitytheories)思路的发展是从平面应变、修正平面应变到轴对称承载力理论。

对该方法可做如下的评价：

(1)BCT和稳定贯入有差别，前者是用于极限破坏状态的理论；后者是破坏已发生的过程。

(2)滑移线法、极限平衡法都是应力静定的。求q_c时没有直接考虑塑性区内的变形，也就不能考虑压缩性、剪胀和压碎效应。两者考虑的都是静态加载，并且没有涉及贯入所产生的高的垂直和水平应力。

(3)只有在整体剪切破坏的土体中，才能出现完整的破坏面，才能用滑移线法或极限平衡法求解。对于大多数深贯入，土体破坏都包含局部剪切和压缩，难以观察到明显的滑动面。研究者往往采用β等参数来描述这种非完整滑动面，以进行修正。

(4)据刚塑性滑移线法，在塑性破坏之前，土作为刚体无变形，当受力加到极限时，滑移线场内整体塑性流动。显然，这与实际不符，土本构关系的刚塑性简化会带来误差，但若要考虑弹性变形和应变硬化、软化效应的关系，将引起数学上的极大困难，就失去了滑移线法的简捷性了。

(5)可以根据流动法则求出塑性区内土的速率场，并能考虑体积变化的情况复杂。也无人做过，原因是兴趣在于q_c，而问题是应力静定的。

(6)BCT不能求解出孔压。

2.孔穴扩张法

孔穴扩张法(cavities expansionmethods，简称CEM)是源于弹性理论中无限均质各向同性弹性体中圆柱形(或球形孔穴)受均布压力作用问题而形成的观点。该理论最初用于金属压力加工分析，随后引入土力学中，用柱状孔穴扩张来解释夯压试验机理和沉桩；用球形孔穴扩张来估算桩基础的承载力和沉桩对周围土体的影响。CEM在土力学中已有较深入的应用。

图3-2 圆孔的扩张

柱(球)穴在均布内压P作用下的扩张情况，如图3-2所示。当P增加时，孔周区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随P值的增加而不断扩大。设孔穴初始半径为R_f，扩张后的半径为R_u及塑性区最大半径为R_p，相应的孔内压力最终值为P_u，在半径R_p以外的土体仍保持弹性状态。CEM类似于弹塑性力学问题的一般提法，即：列出三组基本方程(平衡微分方程、几何方程及土本构关系)，配以破坏准则及边界条件求解。各研究者获得的解之间的差别主要在于问题所涉及的变形程度和本构关系的选择上。本构关系(含塑性阶段流动法则)的选择是CEM的关键，随土力学理论及计算方法的发展，从简单到考虑土的许多复杂性质，主要有多个模型。

CEM的主要优点在于：采用柱穴扩张或球穴扩张，把探头贯入的三维问题简化模拟成平面应变和球对称问题；应力、应变和位移仅是径向坐标变量r的函数，边界条件极简单，采用数值方法可以纳入各种土本构模型，并可以考虑土的许多复杂性质。它在得到孔压和考虑在高压缩性土中贯入时，明显比BCT具有优势。可以看出，CEM的思路源于把探头贯入看作是锥面的连续扩张，并近似用柱面或球面扩张来替代，大大简化了边界条件。

CEM的主要缺点在于：①很明显，在固定位置的孔穴扩张不能模拟垂直向贯入的以下两个重要特征：a.土体变形与垂向坐标有关。特别是柱扩不能模拟此点，它得到的位移都在水平面内，而球扩也不能说明位移反向的情况。b.稳定贯入的连续性。因为CEM描述的总是在一个固定位置的扩孔。因此，甚至在最简单的均质各向同性土中，CEM也不能正确模拟贯入时土中各单元的变形过程(应变路径)。②目前的CEM方法，没有考虑到贯入速率的影响，尽管它对Δu(超孔压)和q_c的影响是存在的。

3.应变路径法

应变路径法(strain pathmethods，简称SPM)是由Baligh领导的小组经过10多年的研究，于1985年正式提出的。SPM旨在为合理解释和预估桩的贯入、静力触探、取土器取土等深层岩土工程问题(相对浅基而言)提供一套集成化、系统化的分析方法。

(1)SPM的基本思想

通过观察探头在饱和软粘土中的不排水贯入，Baligh(1975年)假设，由于深贯入过程中存在严格的运动限制(上覆压力大，探头周围土体在高应力水平下深度重塑、强制性流动及不排水条件下土体不可压缩等)，探头周围土体的应变受土的抗剪性质影响很小，于是，Baligh称该类问题是由应变控制的(strain controlled)。后来的理论和试验也证实了这一假设。

因此，用相对简单的土性(如各向同性)来估算贯入引起的变形和应变差，在预期合理的范围内。再利用估算的应变，采用符合实际情形的本构模型条件，就可以计算出近似的应力和孔压。

对于轴对称探头在饱和粘性土中的准静力贯入，忽略粘性、惯性效应，可将这类由不排水剪切造成的塑性破坏，看作是定向流动问题，即视探头为静止不动，土颗粒沿探头周围分布的流线向探头贯入的反方向流动，不同流线上每个单元的变形、应变、应力和孔压可用一些步骤求出。

(2)SPM对贯入问题的模拟

SPM对稳定贯入问题的模拟的关键在于正确预估应变场。目前，都是将土体视为无粘性不可压缩流体，通过求解土颗粒绕流探头来估计应变场。这可分两种情况，即：探头以速度为u(一般2cm/s)在静止流体中运动；或速度为u的无穷远均匀束流零攻角绕流静止探头。

解决流体对轴对称体的绕流，有两种方法，即：Bankine法和保角映射法。该方法的评价如下：

其优点为：SPM法的优点主要在于首次比较真实地考虑并模拟到了垂向贯入的特征，克服了CEM的两个主要缺点。根据基本假设，用锥体绕流的方法获得应变场，避开了复杂的边界条件，和在复杂应力路径下结合本构关系计算的困难。而SPM法的主要缺点在于其基本假设的适用性上。Clark和Meverhof(1972年)及steenfellt(1981年)现场观测到沉桩对周围土的径向位移场影响范围分别是4倍和8倍桩径。一些研究者得到的Δu影响范围为4～25倍桩径。因此，贯入产生的应变依赖于土性。而目前SPM法实际把其基本假设更推进一步，将贯入时土中的流场，同无粘性不可压缩流体绕流锥体的流场等同起来。众所周知，无粘性流不能抵抗任何剪力(无论多么小)，而且土的粘性一般比水大8～16个数量级。所以，用无粘性不可压缩无旋流体绕流锥体来模拟深贯入产生的流场，只有对于完全饱和的软粘土才可能有效(指一级近似)。对于OCR(超固结化)＞4的硬粘土，贯入时容易产生不连续滑动面，仍用连续的流体运动来模拟就不适合了。若要考虑到粘性和可压缩性及桩-土界面的摩擦，流动方程的解就很困难。

虽有上述困难，SPM法在构思上还是很巧妙的，它把应变场和应力场分开计算，为解决深贯入问题开辟了一条新途径，故很有发展前景。运用它已得到了不少有用成果，如在估算q_c的承载力系数和估算Δu，这方面可参考Baligh的文章。

二、静力触探探头的工作原理

1.探头——地层阻力传感器

静力触探探头亦称地层阻力传感器，它是量测地基土贯入阻力的关键部件。是贯入过程中直接感受土的阻力，将其转变成电信号，然后再由仪表显示出来的元件。为实现这一过程，可采用不同型号的传感器，其中电阻应变式传感器最为常用。电阻应变式传感器应用了虎克定律、电阻定律和电桥原理制成。

2.静力触探测试地的机电原理

(1)P→e转换 探头(图3-3)被压入土中，受地层阻力作用要引起装在探头内部的空心柱(变形柱4)的变形；如将空心桩视为一个杆件，则其阻力与变形的关系，可用虎克定律表达为：

土体原位测试与工程勘察

或

σ=Eε (3-3)

式中：E是材料的弹性模量；F是空心柱的截面积；P为探头所受的压入阻力；ε为在压力P下空心柱产生的应变；L为空心柱有效变形长度。对于给定探头，两者均已给定。因此，只要测得应变ε就可以求得应力σ的大小，进而也就知道受力P的大小了。

(2)ε→ΔR 转换为了测得 ε，在空心桩的外周贴上一个阻值为 R 的电阻应变片(图3-4)。空心桩受拉力而产生变形，电阻丝也随之变长。根据电阻定律的公式知：

土体原位测试与工程勘察

式中：L为电阻丝的长度；ρ为电阻丝的电阻率。由于空心桩受力产生ΔL的变化，那么相应电阻R值也将引起ΔR的变化，其关系可表达成：

土体原位测试与工程勘察

式中：K为电阻应变片的灵敏系数。

图3-3 单桥探头结构示意图

图3-4 应变与电阻变化的转换

(3)ΔR→ΔU转换 公式(3-5)表明：已实现了由非电量ε 到电量ΔR 的转换。但是钢材在弹性范围内的变形很小，因而引起的电阻变化ΔR值也是很小的。利用微小的电阻变化去精确计量力的变化很困难，故转而需要利用电桥原理，在空心桩上贴上一组应变片，再经放大器放大，来实现微电压的测量。

下面分析一下电桥原理：电桥线路如图3-5所示。电桥电压为U，R₂上的电压降为U_BC。在ABC或ADC回路中，电阻R₁、R₂串联，电流为I₁，由欧姆定律可知：

土体原位测试与工程勘察

因此，BC电位差为：

土体原位测试与工程勘察

同理，在ADC回路上，DC的电位差U_DC：

土体原位测试与工程勘察

电桥的输出电压ΔU为U_BC与U_DC之差，即：

土体原位测试与工程勘察

图3-5 电桥原理

显然，为了使电桥平衡，即输出电压为零(检流计无电流)，应有：

R₂·R₄-R₁·R₃=0； 或 R₁·R₃=R₂·R₄ (3-7)

式(3-7)即为电桥平衡条件。

下面进一步分析输出电压ΔU与电阻变化ΔR，进而与变形ε之间的关系。

分析的对象是等桥臂全桥测量电路，每臂一片，即R₁=R₂=R₃=R₄。显然，不受力时，满足电桥平衡条件。四片的贴法如图3-6所示，即：R₂和R₄顺着空心柱轴线方向贴，使之有正的变化；R₁和R₃横着空心柱贴，使之有负的变化，四片互为补偿。这样组成的电桥，经推导得知，其输出ΔU的表达式为：

土体原位测试与工程勘察

很显然，式中Kε(1-μ)是非线性项，就是说上式中ΔU并不与ε成正比。对于阻值不大的常规应变片，由于K值较小(2左右)，即使应变较大，Kε(1-μ)项也是很小的，故可将其略去，这样式(3-8)就变成为：

土体原位测试与工程勘察

对于两片受拉、两片不受力的全桥测量电路，不难证明其输出电压ΔU与应变ε的关系为：

土体原位测试与工程勘察

分析以上两式，可看出：在K、ε和U都相同的条件下，仅由于应变片贴法不同，前者输出电压是后者的(1-μ)倍。为获得较大的输出，目前静探头里的应变片都采用前一种贴法。

由式(3-9)或式(3-10)可知，电桥输出电压ΔU与应变片灵敏系数K，应变量ε及供桥电压U成正比。对一定的传感器，组桥方式已经确定，K、ε都是常数，在选定工作电压U的情况下，ΔU只随空心柱应变ε的大小而变化。再联系到式(3-2)，容易看出，由于E、F也已确定，输出电压ΔU就只随空心柱受力P的大小而变化了。

综上所述，静力触探通过地层阻力→空心柱变形→电阻变化→电压变化→施入电子记录仪表等一系列转换，可实现测定土的强度等目的。

3.探头的结构类型

探头是静力触探仪测量贯入阻力的关键部件，有严格的规格与质量要求。一般分圆锥形的端部和其后的圆柱形摩擦筒两部分。目前国内、外使用的探头可分为三种形式：

(1)单用(桥)探头：是我国特有的一种探头型式，只能测量一个参数，即比贯入阻力p_s，分辨率(精度)较低，见图3-3和图3-8。

(2)双用(桥)探头：它是一种将锥头与摩擦筒分开，可以同时测量锥头阻力q_c和侧壁摩阻力f_s两个参数的探头，分辨率较高，见图3-7和见图3-8。

图3-6 四壁工作的全桥电路

图3-7 双桥探头示意图

图3-8 静力触探探头类型

(3)多用(孔压)探头：它一般是将双用探头再安装：一种可测触探时所产生的超孔隙水压力装置——透水滤器和一种测量孔隙水压力的传感器。分辨率最高，在地下水位较浅地区应优先采用。

探头的锥头顶角一般为60°，底面积为10cm²，也有15cm²或者20cm²。锥头底面积越大，锥头所能承受的抗压强度越高；探头不易受损；且有更多的空间安装其他传感器，如：测孔斜、温度和密度的传感器。在同一测试工程中，宜使用统一规格的探头，以便比较。建标(CECS 04：88)《静力触探技术标准》中的有关规定，见表3-1和表3-2所列。

图3-9展示的是一组实物探头，有10cm²单双桥探头、15cm²单双桥探头和50×100mm²电测十字板头传感器(Probe andVane Sensor)。

表3-1 单桥和双桥探头的规格

表3-2 常用探头规格

4.有关探头设计的问题

对此问题扼要说明几点：

(1)探头空心柱与其顶柱应有良好接触，采用顶柱接触最好，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60 Si₂Mn(弹簧钢)和40 CrMn钢制作空心柱。其他部件可采用40 Cr或45号钢，需作好热处理。

(3)由式(3-2)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。

图3-9 实物探头照片

(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该规则的要求。

(5)探头的绝缘性能，应符合下列规定；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。

5.电阻应变片及粘合剂

图3-10 箔式电阻应变片

目前普遍用箔式电阻应变片(图3-10)制作传感器，这种片子具有放热性好、允许通过电流较大(因而可使用较大的输入电压。从而得到较大的输出电压)、疲劳寿命长、柔性好、蠕变性小等优点。丝式胶基电阻应变片也可采用，但半导体应变片用的很少，因它存在非线性大、温度稳定性差等严重缺点，不能满足对传感路的有关质量要求。

用电阻应变仪量测时，可选用120Ω的片子。利用自动记录仪时，可选用240Ω或360Ω的片子。四片阻值尽量相等，差值最大不要越过0.1Ω，否则对电桥初始平衡不利。可使用直流单电桥等仪器来测量应变片阻值大小。

适合粘贴应变片的粘合剂的种类繁多。目前使用酚醛类粘合剂1720胶较普遍；聚酰亚胺粘合剂也在使用。选用粘合剂应注意使其与应变片胶基相一致。

有关具体贴片工艺这里就不介绍了，因为目的国内已有多种规格型号的商品化传感器由工厂生产出来，供广大工程技术人员选用，其质量一般较好，价格也不贵，除特殊情况外，已不必由使用者去制作它了。

6.温度(t)对传感器的影响及补偿方法

传感器在不受力的情况下，当温度变化时，应变片中电阻丝(亦称线栅)的限值也会发生变化。与此同时，由于线栅材料与空心柱材料的线膨胀系数不一样，使线栅受到附加拉伸或压缩，也会使应变片的阻值发生变化。综合起来，一个贴在空心柱上的应变片因温度(t)变化而引起阻值变化的关系可表达成：

土体原位测试与工程勘察

式中：α_t为贴在空心柱上的应变片的电阻温度系数。联系到式(3-5)，应变片由于温度变化而产生的热输出ε_t为：

土体原位测试与工程勘察

这种热输出是和地层阻力无关的，因此必须设法消除才会使测试成果有意义。在静探技术中，通过采用以下两种办法，基本上可以把温度对传感器的影响，控制在测试精度允许之内。除此之外，温度自补偿应变片在有条件时也可积极使用。

(1)桥路补偿法 就是在制作传感器时精选四片为一批次、规格、阻值、灵敏系数的应变片，以相同的粘接剂和贴片工艺，贴在空心柱上，组成全桥四臂测量电路(四个工作片互为补偿，或两个工作片，两个补偿片)，使温度变化时，补偿片和工作片的(ΔR/R)相等，这就起到了温度补偿作用。

(2)温度校正方法 就是在野外操作时测初读数的变化，内业资料整理时，将其消除。

⑧ 静力触探的触探试验

将圆锥形探头按一定速率匀速压入土中量测其贯入阻力、锥头阻力及侧壁摩阻力的过程称为静力触探试验。
静力触探是工程地质勘察中的一项原位测试方法，可用于：
1．划分土层，判定土层类别，查明软硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性；
2．评价地基土的工程特性、容许承载力、压缩性质、不排水抗剪强度、水平向固结系数、饱和砂土液化度、砂土密实度等；
3．探寻和确定桩基持力层，预估打入桩沉桩可能性和单桩承载力；
4．检验人工填土的密实度及地基加固效果。
本规程适用于粘质土和砂质土。 1．《静力触探仪》
2．《土工仪器的基本参数及通用技术条件》第二篇原位测试仪器
3．《岩土工程勘察规范》静力触探试验

⑨ 静力触探仪的主要技术指标

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

⑩ 静力触探仪的注意事项

1.使用静力触探仪时，要认真阅读技术说明书，熟悉技术指标、工作性能、使用方法、注意事项，严格遵照仪器使用说明书的规定步骤进行操作。 2.初次使用静力触探仪人员，必须在熟练人员指导下进行操作，熟练掌握后方可进行独立操作。 3.实验时使用的静力触探仪，要布局合理，摆放整齐，便于操作，观察及记录等