静力触探法研究综述
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摘要：静力触探法是工程中广泛使用的一种原位测试方法。通过归纳分析国内外相关资料，概述了静力触探仪器设备发展历程，系统归纳了静力触探在锥头贯入阻力理论研究、模型试验、数值模拟、成果应用等方面的研究进展，总结了不同行业、不同地区利用静力触探成果估算土体参数的经验公式；提出由静力触探成果推求土体参数时，应充分考虑区域性土的工程特性；指出在超孔隙水压力理论分析、柱形孔空间问题解析解和以大变形分析理论为基础的数值模拟等方面需要进一步完善。
关键词：静力触探；理论研究；模型试验；数值模拟
中图分类号：TU413文献标识码：A
文章编号：16721683（2013）05007804
静力触探法是用于划分土层、判别土体液化、确定地基承载力等参数常用的原位测试方法，具有操作简单、费用低、成果准确、周期短、节省人力等优点。1917年，该方法最先使用于瑞典铁路建设，1930年荷兰学者通过技术攻关，改进了仪器结构，构成了现有静力触探设备的框架。静力触探法经过百年的发展，无论在仪器设备、理论研究、模型试验、数值模拟技术还是基于测试成果基础上的土层划分、地基承载力、土体物理力学参数、桩体承载力、土体液化判别、压实填土质量判别等方面均取得了很大进步。
[BT2+*4]1静力触探的仪器设备发展
原始的静力触探设备为螺旋锥头式静探仪。该仪器操作复杂、不便应用，受外界因素影响较大，测试精度较低。1930年，荷兰人设计了“荷兰静力触探试验”，其使用的设备简称“荷兰锥”，用于测试浅层软土的物理力学性质指标。在1948年荷兰鹿特丹召开的第2届国际土力学基础会议上，该试验被视为最有效测定锥头贯入阻力qc的深层测试方法[12]。1954年，我国学者陈宗基首次将该技术用于黄土地区，但测试效果不甚理想，原因是：杆与管之间的摩擦力极大地抵消、掩盖或歪曲了原有的锥尖阻力；钻杆自重产生的负压力及土层摩阻力使得靠地面油压表显示的锥尖贯入阻力读数失真；土体进入钻杆与套管之间的空隙，产生极大的假贯入阻力[3]。1950年，在“荷兰锥”的基础上，Vermeiden和Plantema设计了带有一定长度的侧壁摩擦筒的圆锥形探头，较好的解决了上述问题，现有静力触探设备仍采用该结构。1962年，我国原建筑工程部综合勘察研究院成功研制了电阻应变式静力触探仪，有效消除了旧式静力触探设备装置的各项误差，大大提高了测试精度，为静力触探方法在工程中的广泛运用提供了坚实基础[4]。1980年以后，国外研制了具有多功能的静力触探探头，在量测锥尖贯入阻力和侧壁摩擦阻力的同时，还可以量测侧向应力、热传导率、地温、倾斜、地震波、电阻率等参数，并逐步代替了单一型探头。随着电子技术的快速发展和机械制造工艺的提升，静力触探设备由单一的单桥探头逐步发展到双桥探头、孔压静探探头、波速静探探头、密度静探探头、地震静探探头等；探测深度由原来的不足10 m到现在的近100 m；记录方式由传统的人工读数到自动记录；设备传输由原有的电缆传输发展到无电缆声波传输；作业方式由人工向半自动、全自动作业方式转变；工程应用范围由浅层软土扩展至砂土、粉土、黏土、淤泥质土、素填土及含少量碎石的土。
2静力触探的理论研究进展
2.1锥头贯入阻力计算
静力触探法理论研究主要侧重于锥头贯入阻力计算方面。影响锥头贯入阻力的因素很多，如土的含水率、强度、压缩性、材料性质差异较大的界面等，现有的本构关系往往只侧重于土体的某个特性，不能精确反映土体所有性质。因此，工程中只能采用近似理论方法分析计算锥头贯入阻力，如承载力理论、孔扩张理论、运动点位错法、应变路径法等。
承载力理论：将锥头贯入阻力作为探头以下土体受圆锥头贯入产生剪切破坏的直接因素，土体破坏时的荷载即为锥头贯入阻力的大小。常采用极限平衡与滑移线两种方法估算锥头贯入阻力，如Kerisel理论、Durgunoglu和Mitchell理论、Janbu和Senneset理论[57]。极限平衡法是先假定一种破坏机制，然后对土体进行整体平衡分析，得到破坏面的破坏荷载。滑移线法是将平衡方程和屈服准则联立，给出土体的一组表征塑性平衡的微分方程，利用滑移线法求解破坏荷载；将破坏荷载乘以锥头形状系数，即为锥头阻力。承载力理论最大的不足是未考虑土的压缩性和探杆周围应力增加的影响，不能精确计算锥头阻力，不过该理论相对简单，易被工程技术人员掌握，应用较广。
孔扩张理论：基于弹塑性介质中产生一个深孔所要求的压力与在相同情形下扩展一个相同体积的空洞所需要的压力相等的原理，通过联立平衡方程、几何方程和本构方程等三个方程，并借助破坏准则和边界条件进行求解。根据扩张形状的不同，孔扩张理论分析法可分为球形扩张分析法和圆柱扩张分析法。该方法考虑了土体的弹塑性，能反映实际情况；如Yu[89]对黏土得到的理论计算结果与实测结果误差在3%以内； Collins[10]对砂土得到的理论解与试验结果符合较好。但在孔压静力触探超孔隙水压力理论分析和柱形孔空间问题解析解等方面孔扩张理论仍有待于发展。
运动点位错法：认为运动的正常点位错的行为与锥头贯入过程中超静孔压的产生、消散及锥头贯入阻力之间存在相关关系，其优点是考虑了孔隙水的消散作用。Cleary[11]、Elsworth[1213]等学者研究表明，超静孔压产生的速度随贯入速度的增加而增加，随固结系数的增大而减小，停止贯入后则完全相反。该方法的缺点是未考虑土体的塑性特性和点位错的锥头尺寸大小影响，与锥头实际贯入过程存在差别。
应变路径法：假设在锥头贯入过程中，周围土体相对锥头存在一个恒定流场，通过流场方程及边界条件计算锥头阻力[14]。根据构造流场的不同可分为Rankine法和保角映射法。其中Rankine法是将平行流和一系列源和汇叠加而成，有效性需通过试验验证，且该方法仅适用于饱和黏土的不排水情况，对于其他土体有待于进一步研究。
2.2模型试验研究
目前有关静力触探模型试验的研究成果并不多，国内铁道部静力触探协作组[15]、夏增明[16]、刘仕顺[17]、刘仰韶[18]等学者通过砂土的静力触探模型试验分析了锥头阻力、附加应力和变形规律、自由表面效应、深度效应、层位界面效应及相对密实度等特性；陈铁林[19]以室内模型试验为基础，并结合堆砌体模型，建立了结构性黏土流变模型；安岚[20]研究了贯入过程中黏性土的孔隙水压力的消散程度和土体径向应力的分布，揭示了孔压静力触探测试黏土固结系数的机理。室内模型试验针对性强，可根据需要制备不同土体类别，开展不同密实度及各种工况条件下的静力触探试验。因此，静力触探室内模型试验是现场原型试验的有效补充研究手段，是研究和验证贯入机理、建立土体本构模型及相关参数的重要方法。
2.3数值模拟技术研究
随着计算机技术的发展，以小变形、大变形和离散元等三种分析理论为基础的数值模拟技术[21]被引入到静力触探研究。小变形分析理论假设锥头进入一个预先成型的孔中，但周围土体仍处于初始应力状态，执行一个增量塑性破坏计算，对应的破坏荷载即为锥头阻力。该模拟过程与实际情况不符，因为锥头在贯入过程中增大了锥杆附近的侧向压力，使实际应力值大于小应变分析结果。考虑到静力触探过程中，探头附近土体的应变通常超过10 %，有时剪切应变甚至达到40 %，因此以大变形理论为基础的数值模拟技术应运而生。陈铁林[19]等采用大变形有限元和简单的接触面理论，将静力触探过程看作边界条件不断改变的过程，模拟了静力触探的整个贯入过程，并将砌块体模型的大变形模拟计算结果与弹性模型、修正剑桥模型计算结果进行对比，揭示了大变形模型在模拟分析静力触探试验具有一定的优势。蒋明镜[22]基于离散元原理模拟了静力触探试验过程，认为在粒状材料触探分析时，建立的本构关系应包含土体的剪胀性、率相关性、颗粒破碎和非共轴性。以大变形分析理论为基础模拟土-锥界面刚度的过程非常复杂，整个数值模拟的完整性仍不清楚，而基于离散元理论的土体本构关系的建立仍然需要做很多工作。
3静力触探测试成果的应用研究
3.1土体参数的计算
借助静力触探试验测试成果，能获得较多的土体参数，如土层划分、估算地基承载力与单桩承载力、土体物理力学指标、土体液化趋势判别、黄土湿陷程度等。静力触探法以土体受力的反映特性为基础，通过建立土体受力与粒径分布、阿太堡界限等传统土质分类方法的联系，进行土层分类。图1和图2分别是文献[23]中利用双桥探头静力触探试验和孔压探头静力触探试验进行土体判别的结果。
3.2堤防工程质量检测的应用
土体颗粒之间的接触紧密程度是影响静力触探试验锥尖阻力和侧摩阻力大小的主要因素，而土体的接触紧密程度可用土体的压实度表示，即可以通过qc、fs的换算来反映土体的压实质量，因此，利用静力触探成果判定土方压实质量是可行的。周景宏[24]、陈维家[25]等学者相继提出了锥尖阻力与砂土密实度之间的经验公式。在检测堤防工程质量方面，仅局限于qc或fs与密度、干密度等之间的简单相关公式转换，未考虑含水率对qc的影响，研究成果相对较少。目前，作者正在进行粉土、黏土等土料压实质量检测基础理论、检测成果可靠性和合理性等方面研究，已建立了粉土的干密度、锥尖阻力、与含水率三者之间的非线性计算模型，通过蚌埠市圈堤工程的应用验证了模型的合理性和可靠性。
4结语
静力触探法作为一种工程中广泛使用的现场测试方法，历经近百年发展，其仪器设备与测试理论逐步完善，应用范围逐步扩展。随着科学技术的进步，新型带有多功能参数测试探头将逐步广泛应用，但在锥头贯入阻力理论和数值模拟技术方面与工程实际差别较大，仍需要进一步研究。
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