静力触探的发展现状及应用前景
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[摘要] 静力触探的发明与应用对工程勘测技术的发展具有里程碑的意义，静力触探目前已经成为岩土工程行业应用较广的勘测技术手段。本文介绍了静力触探的国内、外发展状况、基本原理、机理研究及成果应用，认为国内标准应与国际接轨，同时应进一步加强静力触探机理及应用的研究。
[关键词] 静力触探发展应用
中图分类号：O312 文献标识码：A 文章编号：
1、静力触探原理
静力触探就是用准静力将探头以一定速率压入土中，利用探头内的力传感器，通过电子测量仪器将探头受到的贯入阻力记录下来（见图1-1），再通过贯入阻力大小来间接判定土的物理力学性质的原位测试手段。静力触探主要适用于软土、一般粘性土、粉土、砂土及含少量碎石的粘性土。
图1-1静力触探示意图及曲线图
2、静力触探试验发展历史
2.1 国外静力触探发展历程
静力触探自1917年瑞典正式使用以来（螺旋锥头式静力触探），迄今已有90余年的历史。1932年荷兰工程师P．Barentsen进行了世界上第一个尖锥静力触探试验。起初均采用机械式，锥尖形式也各式各样，欧洲后采用统一规格的标准探头。
1948年，荷兰市政工程师Bakker研制出世界上第一个电测式探头(Rotterdam cone)。1957年研制出第一台能测侧阻力的电测式探头。1965年荷兰Fugro与TNO联合推出了一种电测式探头，其规格也是后来ISSMFE标准和许多国家标准的基础。20世纪70年代末，将孔隙压力传感器与电测静力触探仪结合起来,命名为孔压静力触探( CPTU)。此后世界上许多国家研制出不同的电测式触探仪。如法国的静、动二用触探仪，日本国家铁路公司研制成功音响静力触探仪，瑞典的孔底发射无线电测静力触探仪。新型静力触探仪的不断出现，标志着这项技术在国际上受到广泛的重视。
2.2 国内静力触探发展历程
我国在20世纪30年代也出现机械式的荷兰静力触探仪。1964年，王钟琦教授等独立成功地研制出我国第一台电测式单桥触探仪。1967年，中南勘察院和武汉城市规划设计院，研制成功机械传动静力触探仪。1969年，铁道部第三勘测设计院设计制造出双缸油压静力触探，促进了我国静力触探的发展。70年代，研制出“双桥”探头。80年代以后对探头传感器技术改进很少。
2.3 国内外现有的静力触探技术
国内外根据自身技术需求，在传统静力触探基础上，根据在探头上加各种不同用途的传感器，便形成新的静力触探技术。目前国内外静力触探技术主要有：传统静力触探(CPT)、孔隙水压力静力触探测试(CPTU)、波速静力触探测试(SCP_TU)、旁压静力触探测试(CPT_PMT)、放射性同位素静力触探测试(RI-CPT)、电阻率静力触探测试(R-CPTU)和振动静力触探以及静探头携带摄像头技术等。
3、静力触探的理论研究
静力触探技术自问世以来，对其机理研究也非常活跃，在历届欧洲触探会议、国际触探会议、国际土力学与基础工程会议、国际工程地质大会均有不少研究成果。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，如中国地质大学、同济大学、铁道科学研究院、铁道部第四勘测设计院、原长沙铁道学院、原长春地质学院、原武汉水利水电大学等都进行了大量的研究工作。综观国内外的研究，一般都用纯砂做为试验介质。这主要是因为砂的抗剪强度只有内摩擦角一个指标，便于解释静力触探机理。但由于在纯砂土中难以测得触探时产生的超孔隙水压力，所以用纯砂不便于研究孔压触探机理。为克服此缺点，中国地质大学进行了以粘土为介质的原型试验，并取得了可喜的研究成果。但由于土的性质的不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仍不尽人意，很多方面的研究工作还在探索之中。
（1）承载力理论
由于静力触探的贯入类似于桩的贯入过程，故很早就有人将两者进行比拟，提出用深基础极限承载力的相关理论来解释静力触探的工作机理并由静力触探的测试结果推求深基础的极限承载力。
基本思路是假设地基为刚塑体，在极限荷载的作用下地基中出现滑裂面，用极限平衡等法求其极限承载力，由此导出探头阻力和基础承载力之间的关系式：qc=CuNc+σv0Nq
式中：Cu为土的不排水抗剪强度；σv0为上覆土压力;Nc、Nq为承载力系数，与滑动面的选择有关。
然而，由传统极限状态出发的理论不能解释稳定贯入的许多特征，基于对滑移破坏面的不同假设而得出的结果也差异颇大。其根源可能与该法将地基土理想化为刚塑体，可以破坏而不会产生压缩有关。静力触探的实际贯入过程主要还在于迫使土体产生压缩，这与桩的贯入是有差异的。还有，作用荷载的性质也有差异。
本理论主要优点：相对比较简单，易被接受。
局限性：1.土的变形被忽略，没有考虑土的刚度和压缩性对锥头阻力的影响。2.忽略了探头贯入过程中探杆周围土的初始应力状态的影响，尤其探头贯入以后探杆周围水平应力增加的影响。
（2）应变路径理论
应变路径理论基本思想是：通过观察探头在饱和软粘土中的不排水贯入，假设在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的土体不可压缩等)，探头周围土体的变形和应变受土的抗剪性质影响很小。应变路径法是一种将应变场和应力场分开计算的分析方法，为解决深贯入问题开辟了一条新路经，同时也得到了一些研究成果，如估算承载力系数和超孔隙水压力。
目前，应变路径法仅限于饱和粘土的不排水情形，因为对摩擦型土，初始流场的估计是很难的。虽然麻省理工学院在将应变路径法用到砂土方面做了一些工作，但还有许多研究需要进一步展开。
（3）孔穴扩张理论
孔穴扩张和锥头贯入之间的类似性最早由Bishop等人（1945）提出的。他们观察到：在弹塑性介质中产生一个孔洞需要的压力与相同条件下扩张为相同体积的孔穴所需的压力是成比例的。此理论源于弹性理论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。该理论最初用于金属压力加工分析，随后引入土力学中，用柱状孔穴扩张解释旁压试验机理和沉桩，用球形孔穴扩张来估算深基础承载力和沉桩对周围土体的影响。球穴在均布内压P作用下的扩张情况如图3-1所示。当P逐步增加时，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R0，扩张后半径为Ru，塑性区最大半径为Rp，相应的孔内压力最终值为Pu，在半径Rp以外的土体仍保持弹性状态。圆柱形孔穴在内压力下的扩张情况与上述类似，只不过一个属于球对称情况，另一个属于轴对称情况。
图3-1球形孔穴附近的塑性区域
4、国内主要的三种静力触探技术
现在我国静力触探技术虽然得到了广泛应用，但大量使用的仍然是“单桥”探头、“双桥”探头，而且，探头规格与国际通用的不同，给测试成果的比较和国际学术交流造成了很大的困难。另外在CPT理论研究、CPTU（孔压静力触探仪）、环境CPT等技术方面与先进国家存在明显差距。而孔压探头自上世纪80年代引入我国以来基本上主要用于科研领域，在工程实际中的应用相对较少。
4.1 单桥静力触探
早在20世纪60年代我国就成功地研制了电测式单桥静力触探仪，由于应用历史较长，相关经验公式较多，且已列入相关规范，故目前在土体工程勘察、监测及检测中有着广泛的应用。但只用一个指标Ps值对土层定名分层的分辨率是较低的，工程实践中往往还要借助于钻孔取样对比来划分土层。