Question

　影响静力触探测试成果精度的主要因素及对策

Answer 1

影响静力触探测试成果的因素很多，只有深入地了解这些影响因素，才能更好地校正和应用测试成果；同时，对测试设备的标准化及测试方法的科学化也会有很大的促进作用。下面将对一些主要影响因素进行叙述和讨论。

1.探头及探杆的规格

探头的形状及尺寸是影响测试成果的主要因素，因为测量土层各种贯入阻力是通过探头完成的。探头形状及尺寸的标准化与科学化对测试成果的应用、交流和对比都有很重要的意义。

目前，国内、外已普遍规定静力触探的锥头为圆锥形，其顶角为600，所不同的是锥头底面积。国际上建议锥头底面积一般为10cm²；仅对坚硬土层才允许使用15cm²或20cm²的锥头。经过多家试验证明，锥头阻力q_c及侧壁摩擦力f_s皆随底面积的增大而减小。用10cm²探头所测的q_c或f_s与用15cm²（或20cm²）探头所测的q_c或f_s的差值，各家试验值不同。日本经试验对比证明，用底面积为10cm²和20cm²的锥头进行测试时，其最大差值达8%。我国独有的单用探头的构造与双用探头的构造不同，所测得的比贯入阻力P_s包括锥头阻力q_c和侧壁段上的摩阻力f_s，所以P_s＞q_c。粘性土，P_s=1.227q_c-0.613；砂土，P_s=1.093q_c+3.649（据华东电力设计院），P_s和q_c单位为100kPa。

侧壁摩擦筒长度增大时，会使q_c增大，使f_s减小。因此，侧壁摩擦筒长度也应有统一规定为好。另外，锥头后方侧壁摩擦筒及探杆的外径对圆锥贯入阻力也有一定影响。若摩擦筒和探杆外径比锥头底面直径小，则探头贯入后，在孔壁与探头之间会形成一定的空隙，破坏后的土体能沿空隙向上挤出，使所测贯入阻力值偏小。如果摩擦筒及探杆外径与锥头底面直径相同，则使贯入阻力比前者增大。一般认为，两者的直径不同时，可使锥头阻力值相差10%—20%。因此，国外普遍使用直径相同的锥头、摩擦筒及探杆。国内原有的标准不统一，现已向同径方向发展。

2.贯入速率

贯入速率不同，贯入阻力也不同。但在常用贯入速率（2cm/s左右）的情况下，对贯入阻力的影响很小（见图2—33）。

图2—33　静力触探贯入速率对其测试成果影响的关系曲线

3.孔压探头的饱和问题

如用可测孔隙水压力的探头进行触探时，必须对探头进行严格饱和。这样才能准确测量出触探时所产生的超孔隙水压力及超孔隙水压力消散值。如果未饱和或饱和不彻底，则会滞缓孔隙水压力的传递速度，使部分超孔隙水压力消耗于压缩在探头中的未排尽的空气上，严重影响测试成果的准确性（见图2—34）。

图2—34　探头饱和与否对所测孔隙水压力影响的关系曲线

4.温度影响

电测静力触探仪量测各种贯入阻力的关键部件是各种传感器上的电阻应变片。如果由于种种原因使应变片发生不应有的温度变化，则会使应变片产生电阻变化，进而产生零位漂移或自动记录曲线发生非正常扭曲。产生温度变化的主要原因有：①量测时应变片的通电时间过长，产生电阻热；②地面温度与地下不同深度的温度有差异，在严寒及酷暑季节极为明显；③探头在贯入过程中与土摩擦，产生摩擦热；④探头传感器在反复变形中也将产生一种应力热。为了消除温度变化对测试成果的影响，须在仪器制造和测试方法两方面采取一些措施。前者可用温度补偿电阻或自动温度补偿应变片来补偿温度变化时对应变量测的影响。后者是在野外注意探头保温，防止烈日曝晒和严寒受冻；在测试正式进行前，将探头压入地下一定深度（0.5—1m），然后稍许提升，使探头处于不受力状态；待探头温度与地温平衡后（指仪器指针或读数基本稳定）再调仪器的初始零点。然后在浅层（1—6m）或变层时，应分别测记零读数一次。国外已在探头中装有测温仪，对消除温度影响效果较好。

5.透水滤器位置的影响

孔压探头上透水滤器的安装位置不同，所测孔隙水压力值也不同（见图2—35）。一般认为，当将透水滤器装在锥尖或圆锥侧面上时，对孔隙水压力的变化反应灵敏，但易遭受破坏和磨损；装在圆锥底面上也可以较灵敏地反映孔隙水压力的变化，并且使用寿命较长。

图2—35　透水滤器位置与孔压关系

在饱和土层中进行触探时，会产生超孔隙水压力。在不同土层中，这种孔隙水压力U值差别很大，因而对锥尖阻力q_c值的影响也不同，如在饱和软粘土中，U对q_c的影响十分显著。孔隙水压力对锥尖阻力的影响由以下因素引起：

（1）锥头和侧壁套筒的上、下端，受孔隙水压力作用的面积不等；

（2）作用在探头不同位置的孔隙水压力值不同。

触探时，锥头的受力状况见图2—35。锥头下端同时受到土的阻力P₁和孔隙水压力的阻力P₂作用。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

锥头上端（底面）作用的孔隙水压力P′₂=U（A_q-A_n）

由探头空心柱传下的贯入力，P=q_t·A_q。上述式中的q_c为土中固体部分阻力，即有效锥尖阻力；q_t为锥尖总阻力，包括q_c和水的阻力；U₁为孔隙水压力。

锥头受力平衡方程式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

即　

将上式两端同除以A_q，则上式可化简为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：q_t和U为用孔压探头进行触探时所实测的锥尖阻力和孔隙水压力值。

不同土层的U值，可相差很大。在砂土中，q_t与q_c。仅相差1%；但在淤泥质土中，q_c与q_t相差达50%以上，不容忽视。

长沙铁道学院和西南交通大学通过测定静力触探应力－位移场的大量模型试验表明，相对于锥尖下方的土体而言，锥尾全断面处上方的土体处于一种卸荷状态，因此有u_T/u_d≥1（u_T、u_d分别为在锥面所测孔压和在锥底所测孔压）；Robertson和Campanella（1985）在探头的不同部位设置了量测孔隙水压力的透水器对不同状态的土质进行了系统性的试验与研究，得到如图2—36所示的结果。这些结果经铁四院在广州、深圳、武汉、鄂州、徐州及宁波、温州等地验证，与实际情况相符。这就可以解释，在同一软土工点，使用不同厂家（a值不同）的探头，何以q_c值不等的原因；关于q_T的这一修正问题，在软土地区的深层贯入中，特别是在近海的深水触探中，尤其重要。

6.其它影响因素

其它影响因素包括探杆倾斜弯曲、地层软硬相间或变化较大及含有孤石、砖瓦等。它们使探孔偏斜，量测成果不能如实反映地层贯入阻力的变化情况，影响成果精度，有时会得出错误结论。当进行深层触探试验（一般大于30m），且有硬土层或密实砂层存在时，按触探资料判定出的土层埋深，有时比按钻探所定的土层埋深偏大，有的相差很大。因此，往往出现地层“缺失”或变厚及埋深增大等假象。为防止发生此现象，进行深层静力触探可用带孔斜仪的探头，以计算出孔斜的影响。为减少探杆摩擦阻力，还可在探头上方1m开外处安装减摩器，以增加触探深度。禁止使用弯曲的探杆，特别是靠近探头处的5节探杆应非常平直，以保证触探孔的垂直性。

图2—36　CPTU实测饱和土中不同位置的透水器在不同的土类中的孔压分布曲线（据Campanella）

其它影响因素还包括仪器量测精度、操作人员熟练程度及所使用的规范等。在一般情况下，这些影响因素可人为消除，故从略。

从以上分析可看出，当探头几何形状和尺寸、贯入速率一定，孔压探头饱和时，则贯入阻力基本上只和土的类别和土的工程性质有关。这也说明了静力触探测试参数重现性好，误差一般小于5%的原因。