孔隙水压力圆锥静力触探简介

如题所述

最早的电测式孔压静力触探是由挪威土工研究所(NGI)的Janbu和Senneset(1974)研制成功的。与此同时,瑞典的Torstensson(1975)和美国的Wissa等(1975),也研制出了能测孔压的CPT。1980年以后,出现了不少同时测孔压和侧阻力的研究成果,并在工程实践中应用。1989年,ISSMFE推荐采用透水石位于锥尖后的孔压u,此后,CPTU关于孔压测试位置主要以此为准。

CPTU的测试成果表明:在岩土工程领域它已得到广泛应用,其中主要包括四个方面:

(1)修正锥尖阻力,使锥尖阻力真正反映土的性质;

(2)评价渗流,固结特性;

(3)区分排水、部分排水、不排水贯入方式,以满足不同需要;

(4)提高土分层与土质分类的可靠性。

研究成果表明:CPTU用于工程勘察具有以下优点:

(1)能更加准确地划分地层;

(2)能更加准确地对土质进行分类;

(3)很经济地测试土的固结系数等土力学参数。

一、探头

图3-30是孔隙水压力触探头的一种(A.G.Franklin和S.S.Cooper,1981)。由图可见,它有三个传感器,分别测定端阻qc、侧阻fs和孔压u。它们都是电阻应变式的,其中qc和fs传感器同前边介绍的常规电测圆锥静力触探的传感器,没有什么不同。电阻应变式压力盒感应由锥尖处多孔透水元件、通过内通过水孔传递过来的锥尖处孔隙水压力。

图3-30 多孔元件的孔隙水压力触探头

多孔元件是孔隙水压力触探头的最重要的部件,采用特殊的陶瓷材料或不锈钢制作,这种元件孔隙极微,比粘粒小,土粒进不去,这样它就能足够充分地透水,使压力盒作出快速反应,又能在锥尖短时暴露在空气中(或非饱和土中)时,有足够高的入口压力其持其内部饱和。多孔元件的位置不同,构成了孔隙水压力触探头的主要差别,它们(图3-30)可以有:①多孔元件位于圆锥尖部;②多孔元件位于锥面范围内某个位置;③多孔元件位于锥底与圆柱体交界处。

多孔元件在圆锥上的位置不同,所测的孔隙水压力值是不一样的。测压管探头量测结果表明,孔隙水压力值在尖端处最大(Torstensson 1975,Baligh和Levadonx,1980,Tumay等人,1981,Battaglio等人,1981),因此为测量孔隙水压力峰值,透水元件应置于圆锥尖部。

图3-31 孔隙水压力圆锥静力触探试验结果

由于锥尖处易于损坏,多孔元件常置于锥面范围内(Tumay等1981,De Ruiter 1981,Zuidberg等,1982)。一般认为:这样安装的多孔元件,探头将对土层的土质变化具有最大的灵敏度。

图3-30 所示的多孔元件位置(Senneset,1974,CampaneHa等1982,Tavenas等,1982),其优点是在贯入时能较好地防止破坏和磨损,而且比较容易达到饱和。然而,此处的应力状态不够稳定,这可能降低测量成果的再现性(J.De Ruiter,1982)。

为了能把孔隙水压力与端阻qc和侧阻fs建立关系,要求整个探头的几何外形设计得和常规探头一样。探头截面积有10cm2和15cm2的两种。

多孔元件和内通水孔中的充分饱和是至关重要的。为此,需要在真空室内抽吸探头,使其彻底排气,再用蒸馏水饱和,最后封在装水的薄塑料袋内备用。

二、野外使用

进行孔隙水压力圆锥静力触探时,应严格坚持2cm/s的标准贯入速率(J.De Ruiter)。当探头被压入到土中时,包在圆锥外面的塑料带便被刺破。在到达地下水位以前的土层中,可能发生多孔元件和内通水孔中饱和度的降低。为避免这种情况,当地下水不深时,可先钻或挖至地下水下,然后在此标高处开始贯入试验。

在触探间断时(如接卸杆时),可对粘性上进行孔隙水压力消散试验。

图3-32 孔隙水压力圆锥静力触探测试结果

三、测试成果的应用

根据触探过程中孔隙水压力和端阻随深度变化的情况见(见图3-31),可计算出地层不同深度的孔隙压力比u/qc。许多量测结果表明:砂土中u/qc很低;而粘性土中,u/qc值高得多。据此可对土进行分类并划分地层。使用u/qc分类和划分地层,比过去用qc和摩阻比Rf分类更精确(Baligh等人,1980)。

孔隙水压力圆锥静力触探试验结果图3-32是Jones.G等人(1983)的测试成果,所反映的规律与图3-31一样。

Tumay等人(1981),Baligh等人(1981)还研究了孔隙压力比u/qc与岩土超固结比OCR的相关性,认为:u/qc随OCR的增加而降低(如图3-33)。不过,近年来有人(Almeida和Parry(1985)的研究结果表明:u/qc和OCR之间并不具有图中所示的那种线性关系和那样大的斜率。此外尚有许多人还研究了孔隙水压力的变化与贯入过程中砂土的体积变化以及相对密度的关系。

图3-33 在Louisiana粘土中用各种触探头获得的u/qc和OCR关系

贯入间歇期的孔隙水压力消散试验表明:砂土透水性好,一般孔隙水压力消散50%所需要的时间不过几秒钟(A.G.Franklin等人1981)。而粘土消散时间较长。如果把孔压消散50%所需时间同固结系数建立关系,则可利用消散实验确定粘土的水平固结系数Ch

国内一些单位(如同济大学等)在孔隙水压力触探头及其应用方面作了不少研究工作。

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