靜力觸探工作原理

靜力觸探的基本原理就是用準靜力（相對動力觸探而言，沒有或很少沖擊荷載）將一個內部裝有傳感器的觸探頭以勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受的阻力自然也不一樣，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過電信號輸入到記錄儀表中記錄下來，再通過貫入阻力與土的工程地質特征之間的定性關系和統(tǒng)計相關關系，來實現取得土層剖面、提供淺基承載力、選擇樁端持力層和預估單樁承載力等工程地質勘察目的 。

靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸探頭的觸探桿壓入試驗土層，通過量測系統(tǒng)測土的貫入阻力，可確定土的某些基本物理力學特性，如土的變形模量、土的容許承載力等。靜力觸探加壓方式有機械式、液壓式和人力式三種。靜力觸探在現場進行試驗，將靜力觸探所得比貫入阻力（Ps）與載荷試驗、土工試驗有關指標進行回歸分析，可以得到適用于一定地區(qū)或一定土性的經驗公式，可以通過靜力觸探所得的計算指標確定土的天然地基承載力。靜力觸探的貫入機理與建筑物地基強度和變形機理存在一定差異性，故不經常使用 。

靜力觸探主要適用于粘性土、粉性土、砂性土。就黃河下游各類水利工程、工業(yè)與民用建筑工程、公路橋梁工程而言，靜力觸探適用于地面以下50m內的各種土層，特別是對于地層情況變化較大的復雜場地及不易取得原狀土的飽和砂土和高靈敏度的軟粘土地層的勘察，更適合采用靜力觸探進行勘察 。

靜力觸探既是一種原位測試手段，也是一種勘探手段，它和常規(guī)的鉆探——取樣——室內試驗等勘探程序相比，具有快速、精確、經濟和節(jié)省人力等特點。此外，在采用樁基工程勘察中，靜力觸探能準確地確定樁端持力層等特征也是一般常規(guī)勘察手段所不能比擬的 。

探頭的尺寸和加工精度，直接影響著觸探資料的準確性。統(tǒng)一探頭幾何尺寸的目的是為了使觸探試驗資料能夠相互引用與對比。規(guī)定的加工精度是為了保證探頭的幾何尺寸，限制探頭幾何尺寸的誤差，同時也是為了使探頭各部件能夠正常工作。選用的探頭幾何尺寸及加工精度必須符合我國規(guī)定的標準。探頭各部件的機械性能影響著探頭的測試精度及使用壽命。探頭各部件中材質要求較高的是傳感器，傳感器是探頭的心臟，對探頭的測試精度、使用壽命起著決定性的作用。傳感器應使用高強度鋼材制作，最好采用60Si₂Mn鋼，并進行熱處理。探頭其余部件的材質要求并不高，用40Cr或45鋼均可，也要經過熱處理。

探頭的線性誤差：探頭的線性誤差是指探頭在率定時，荷載P和輸出電壓V本應是線性關系，如有偏離即為線性誤差。線性誤差是影響探頭測試精度的主要因素之一。線性誤差的大小可用端點連線法確定。以零載和滿載時輸出電壓值所連直線OA作標準，求得測點最大誤差ΔV即為最大的線性誤差。我國規(guī)定探頭的線性誤差應小于量程的±1%，也就是ΔV/Vm<±1%，否則為不合格探頭。線性誤差的大小主要與傳感器空心柱的材質有關。在其它條件相同的情況下，用60Si₂Mn鋼制成的傳感器要比用40Cr或40CrNi鋼制成的傳感器線性誤差小得多。影響線性誤差的其它因素有傳感器空心柱的加工精度(如同軸度、粗糙度等)、應變片及貼片質量的好壞等，但這幾種因素的影響相對較小。 探頭的線性誤差越小，說明探頭的線性越好。有些探頭加荷時與卸荷時的線性誤差有較大區(qū)別，因此，探頭的線性誤差要在加荷與卸荷2種情況下進行檢驗，都應滿足線性誤差要求。

探頭的歸零及重復性誤差：探頭的歸零及重復性誤差均影響探頭的測試精度。其誤差大小主要與傳感器空心柱的材質、應變片及貼片質量的好壞等有關。2種誤差均應小于1%，在檢驗時必須排除儀器本身的誤差影響，一般可用線性好、歸零及重復性誤差小的探頭先校核儀器，確認儀器正常后再去檢驗探頭歸零及重復性誤差的大小。

探頭的絕緣度：探頭的絕緣度是指應變片電阻絲及外接引線與探頭金屬件間的絕緣電阻。新探頭的絕緣電阻應大于500MΩ，探頭使用后絕緣電阻衰減是允許的，但不能低于100MΩ。絕緣電阻過小將使零漂增大，嚴重時電橋不能平衡，測試工作無法進行。絕緣電阻的主要影響因素是探頭的密封質量。密封效果不好，會使探頭內部傳感器受潮而降低其絕緣電阻。其次，受貼片膠、貼片、外接引線等質量好壞的影響，如貼片膠本身質量差，貼片時膠層太薄，引線本身絕緣不好等。

探頭的密封質量：探頭的密封質量是影響探頭使用壽命的主要因素。筆者在探頭的修理過程中發(fā)現，損壞的探頭約有80%是由于探頭密封質量不好造成的，尤其是雙橋探頭。在觸探過程中，由于地下水有水頭壓力，當探頭密封不好時，土中的水就會進入探頭內部，使傳感器受潮，嚴重時應變片被水浸泡，時間長了就會使傳感器表面生銹，應變片與空心柱開始脫膠，致使傳感器不能正常工作，探頭報廢 。

探頭的使用壽命是探頭質量的重要方面。探頭最終是用于工程勘察中，如果僅有較高的測試精度而不具有耐用性，也不能說探頭質量好。在實際工程中，一個探頭觸幾個孔便壞了也是常有的事。因此探頭在滿足精度要求的同時，應該具有較長的使用壽命。頻繁地更換探頭，既影響工程進度又增加了觸探試驗成本。影響探頭使用壽命的主要因素是密封質量，其次是應變片、貼片質量的好壞及電橋引線焊接牢固程度、探頭裝配質量、機械性能等。

探頭的維修性能：探頭的結構應滿足維修的要求，應該具有拆裝簡單、維修方便的性能。質量再好的探頭也可能出現偶然性的毛病，如探頭內部引線接點開焊，或探頭某一部位密封件損壞而使探頭內部進水。這些小毛病也同樣使探頭不能繼續(xù)使用。在探頭的外部并沒有多大磨損的情況下，只要拆開探頭稍加修理便可以使用 。

靜力觸探定義和適用范圍

將圓錐形探頭按一定速率勻速壓入土中量測其貫入阻力、錐頭阻力及側壁摩阻力的過程稱為靜力觸探試驗。

靜力觸探是工程地質勘察中的一項原位測試方法，可用于：

1．劃分土層，判定土層類別，查明軟硬夾層及土層在水平和垂直方向的均勻性；

2．評價地基土的工程特性、容許承載力、壓縮性質、不排水抗剪強度、水平向固結系數、飽和砂土液化度、砂土密實度等；

3．探尋和確定樁基持力層，預估打入樁沉樁可能性和單樁承載力；

4．檢驗人工填土的密實度及地基加固效果。

本規(guī)程適用于粘質土和砂質土 。

靜力觸探引用標準

1．《靜力觸探儀》；

2．《土工儀器的基本參數及通用技術條件》第二篇原位測試儀器；

3．《巖土工程勘察規(guī)范》靜力觸探試驗 。

靜力觸探成果應用很廣，主要可歸納為以下幾方面：劃分土層；求取各土層工程性質指標；確定樁基參數。

1．劃分土層及土類判別

根據靜力觸探資料劃分土層應按以下步驟進行：

(1)將靜力觸探探頭阻力與深度曲線分段。分段的依據是根據各種阻力大小和曲線形狀進行綜合分段。如阻力較小、摩阻比較大、超孔隙水壓力大、曲線變化小的曲線段所代表的土層多為粘土層；而阻力大、摩阻比較小、超孔隙水壓力很小、曲線呈急劇變化的鋸齒狀則為砂土。

(2)按臨界深度等概念準確判定各土層界面深度。靜力觸探自地表勻速貫入過程中，錐頭阻力逐漸增大(硬殼層影響除外)，到一定深度(臨界深度)后才達到一較為恒定值，臨界深度及曲線第一較為恒定值段為第一層；探頭繼續(xù)貫入到第二層附近時，探頭阻力會受到上下土層的共同影響而發(fā)生變化，變大或變小，一般規(guī)律是位于曲線變化段的中間深度即為層面深度，第二層也有較為恒定值段，以下類推。

(3)經過上述兩步驟后，再將每一層土的探頭阻力等參數分別進行算術平均，其平均值可用來定土層名稱，定土層(類)名稱辦法可依據各種經驗圖形進行。還可用多孔靜力觸探曲線求場地土層剖面。

2．求土層的工程性質指標

用靜力觸探法推求土的工程性質指標比室內試驗方法可靠、經濟，周期短，因此很受歡迎，應用很廣?？梢耘袛嗤恋某睗癯潭燃爸亓γ芏?、計算飽和土重力密度、計算土的抗剪強度參數、求取地基土基本承載力、用孔壓觸探求飽和土層固結系數及滲透系數等。

3．在樁基勘察中的應用

用靜力觸探可以確定樁端持力層及單樁承載力，這是由于靜力觸探機理與沉樁相似。雙橋靜力觸探遠比單橋靜力觸探精度高，在樁基勘察中應優(yōu)先采用 。2100433B

第1章 多功能靜力觸探概述 1

1.1 靜力觸探技術研究的目的和意義 1

1.2 靜力觸探技術國內外研究現狀 1

1.2.1 國外靜力觸探發(fā)展及研究現狀 1

1.2.2 國內靜力觸探發(fā)展及研究現狀 3

1.3 多功能靜力觸探相關技術的研究與發(fā)展 4

1.3.1 多功能探頭技術的發(fā)展 4

1.3.2 多探管測井技術的應用 5

1.4 靜力觸探技術的發(fā)展趨勢和方向 6

1.4.1 靜力觸探技術的發(fā)展趨勢 6

1.4.2 我國靜力觸探技術的發(fā)展方向 7

參考文獻 8

第2章 多功能靜力觸探技術 10

2.1 靜力觸探技術 10

2.1.1 靜力觸探技術原理 10

2.1.2 靜力觸探的地層劃分 11

2.2 聲波速度測井技術 13

2.2.1 聲波速度測井原理 13

2.2.2 聲波速度測井的地層劃分 15

2.3 普通電阻率測井技術 17

2.3.1 普通電阻率測井原理 17

2.3.2 視電阻率 18

2.3.3 電阻率測井的地層劃分 19

2.4 自然伽馬能譜測井技術 20

2.4.1 自然伽馬能譜測井基本理論 20

2.4.2 自然伽馬能譜測井的地層劃分 23

參考文獻 24

第3章 多功能靜力觸探系統(tǒng)設計 25

3.1 多功能靜力觸探系統(tǒng)設計原則 25

3.2 多功能靜力觸探系統(tǒng)設計方案 25

3.3 多功能靜力觸探綜合平臺 26

3.3.1 鉆探機構 26

3.3.2 靜力觸探機構 27

3.3.3 液壓系統(tǒng) 27

3.4 多功能靜力觸探探管結構設計 27

3.5 多功能靜力觸探采集探管設計 30

3.5.1 孔隙壓力靜力觸探探頭 30

3.5.2 應變片電橋電路 31

3.5.3 聲波測井探管 32

3.5.4 電阻率探管 33

3.5.5 自然伽馬探管 33

3.5.6 溫度采集模塊 34

3.5.7 信號調理電路 35

3.6 系統(tǒng)通信總線 36

3.6.1 RS-485簡介 36

3.6.2 RS-485總線通信方式 37

3.6.3 PC與RS-485總線連接 38

參考文獻 38

第4章 多功能靜力觸探系統(tǒng)軟件設計 39

4.1 虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW簡介 39

4.2 程序設計流程 40

4.3 系統(tǒng)軟件模塊化設計思路 41

4.4 串口通信模塊設計 42

4.5 數據采集和顯示模塊程序設計 45

4.6 數據存儲和回放模塊程序設計 47

4.7 系統(tǒng)程序測試 47

4.7.1 串口通信調試 47

4.7.2 程序模塊調試 48

參考文獻 50

第5章 多功能靜力觸探系統(tǒng)的標定及實驗測試 51

5.1 CPTU傳感器的靜態(tài)標定 51

5.1.1 靜態(tài)標定原理 51

5.1.2 錐尖阻力傳感器和側壁摩擦阻力傳感器標定方法 53

5.1.3 孔隙水壓力傳感器標定方法 54

5.2 CPTU傳感器靜態(tài)性能 54

5.2.1 錐尖阻力傳感器靜態(tài)特性 54

5.2.2 側壁摩擦阻力傳感器靜態(tài)特性 55

5.2.3 孔隙水壓力傳感器靜態(tài)特性 56

5.3 伽馬能譜探管的標定 57

5.3.1 相關元素的譜線 57

5.3.2 能量分辨率的測試 59

5.3.3 能量線性度的測試 59

5.3.4 峰位穩(wěn)定性的測試 60

5.4 電阻率探管的標定 60

5.4.1 電極系測試單元標定的理論分析 60

5.4.2 電極系測試單元實驗標定的方法 61

5.4.3 電極系測試單元標定實驗結果分析 62

5.5 實驗設備與實驗場地選擇 62

5.5.1 試驗設備 62

5.5.2 場地特性和地層分布 63

5.6 多功能靜力觸探數據采集和分析 64

5.6.1 靜力觸探曲線分析 64

5.6.2 自然電位曲線分析 66

5.6.3 自然伽馬曲線分析 67

5.6.4 聲波時差曲線分析 68

5.7 測試結果分析與結論 69

參考文獻 70

第6章 CPTU相關理論及土體分類 71

6.1 靜力觸探的貫入機理 71

6.2 靜力觸探的相關理論 72

6.2.1 承載力理論 72

6.2.2 孔穴擴張理論 73

6.2.3 應變路徑法 74

6.3 孔隙壓力靜力觸探初始超孔隙壓力的分布 74

6.3.1 孔穴擴張理論計算式 74

6.3.2 用應力路徑法估算初始超孔隙壓力 76

6.3.3 用應變路徑法估算初始超孔隙壓力 76

6.3.4 水力壓裂理論估算飽和土孔穴擴張產生的初始超孔隙壓力 76

6.4 孔隙壓力靜力觸探孔隙壓力的消散 77

6.5 孔隙水壓力靜力觸探的土體分類方法 78

6.5.1 CPTU數據的修正 78

6.5.2 國內CPTU分類方法 79

6.5.3 國外CPTU分類方法 81

6.5.4 幾種土體分類法的特點 83

參考文獻 84

第7章 靜力觸探貫入機理的有限元分析 85

7.1 有限元分析用于靜力觸探概述 85

7.2 靜力觸探貫入的有限元分析方法 86

7.2.1 顯式非線性動態(tài)分析方法 86

7.2.2 探桿-土接觸模型 87

7.2.3 自適應網格技術 88

7.2.4 土體的本構模型 89

7.3 有限元分析模型的建立 91

7.3.1 有限元模型參數設置 91

7.3.2 貫入過程的模擬方法 91

7.3.3 網格的劃分 91

7.4 有限元計算的初始條件設置 92

7.4.1 錐頭貫入過程網格變形 92

7.4.2 初始地應力的平衡 92

7.5 靜力觸探貫入有限元模擬分析 94

7.5.1 探頭貫入時的土體應力狀態(tài) 94

7.5.2 貫入產生的土體位移 96

7.5.3 貫入產生的土體塑性應變 98

7.6 模擬分析結論 100

參考文獻 100

第8章 CPTU數據融合與地層劃分 101

8.1 CPTU曲線的滑動濾波處理 101

8.1.1 滑動濾波原理 101

8.1.2 滑動濾波算法的改進 102

8.1.3 滑動濾波應用實例 103

8.2 CPTU曲線的*優(yōu)分割 104

8.2.1 *優(yōu)分割法的基本原理 105

8.2.2 *優(yōu)分割自動分層的實例評價 106

8.3 CPTU測量數據的歸一化 107

8.3.1 均方根歸一化 107

8.3.2 極限值歸一化 107

8.4 CPTU測量數據的融合 107

8.4.1 測量曲線的濾波因子 108

8.4.2 實對稱矩陣的特征值與特征向量 108

8.5 CPTU曲線融合實例分析 109

8.5.1 實驗過程概況 109

8.5.2 CPTU曲線融合 110

8.5.3 融合效果分析 112

參考文獻 112

第9章 天然氣水合物儲層測井響應特征 113

9.1 海域天然氣水合物測井響應特征 113

9.1.1 密度測井響應特征 113

9.1.2 聲波測井響應特征 113

9.1.3 電阻率測井響應特征 115

9.1.4 中子孔隙度測井響應特征 115

9.1.5 伽馬測井響應特征 116

9.1.6 井徑測井響應特征 116

9.2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物測井響應特征 117

9.2.1 祁連山凍土區(qū)地層概況 117

9.2.2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的蘊藏特點 118

9.2.3 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科研鉆孔測井數據采集 118

9.2.4 DK-1鉆孔的天然氣水合物測井響應特征 119

9.2.5 DK-3鉆孔的天然氣水合物測井響應特征 120

9.2.6 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物測井響應特征 121

9.3 天然氣水合物測井響應的典型特征 121

9.4 天然氣水合物儲層測井評價 122

9.4.1 孔隙度評價 123

9.4.2 飽和度評價 123

參考文獻 125

第10章 測井曲線的多尺度分析與檢測 127

10.1 測井曲線的多尺度分析 127

10.2 小波基的選取 128

10.2.1 幾種常用的小波基 128

10.2.2 小波基的選取的要求 131

10.3 基于小波變換的邊緣檢測 133

10.3.1 測井曲線奇異點與過零點及模極大值點的關聯 133

10.3.2 測井曲線奇異點的小波變換模極大值判別 135

10.4 測井曲線的多尺度分析實例 136

10.4.1 測井曲線的小波去噪分析 137

10.4.2 測井曲線多尺度分層 138

參考文獻 140

第11章 測井曲線融合的水合物儲層劃分 141

11.1 測井數據小波去噪預處理 141

11.1.1 基于小波分析的信號去噪原理 141

11.1.2 小波閾值去噪法對測井信號的處理 141

11.1.3 小波閾值的選取 142

11.1.4 小波閾值算法的改進 143

11.1.5 去噪效果的定量評價 143

11.1.6 測井曲線去噪實例分析 144

11.2 基于多尺度邊緣檢測的測井數據融合 145

11.2.1 基于小波多尺度邊緣檢測的融合算法 145

11.2.2 基于小波多尺度邊緣檢測的測井數據融合 146

11.2.3 實際測井資料應用效果與評價 148

11.3 測井數據融合的儲層劃分實例分析 149

11.3.1 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物鉆探和測井作業(yè) 149

11.3.2 祁連山凍土區(qū)天然氣水合物測井分析數據選取 150

11.3.3 測井數據融合算法的實現 151

11.3.4 融合效果分析與評價 152

參考文獻 154

第12章 多功能探管用于淺層天然氣勘探實驗 155

12.1 多功能靜力觸探用于淺層氣勘探 155

12.2 多功能靜力觸探用于淺層氣勘探實驗 156

12.2.1 實驗場地及地層特點 156

12.2.2 多功能靜力觸探工藝的選擇 157

12.2.3 試驗過程分析 158

12.2.4 試驗測試結果分析 158

12.3 測量曲線的小波分析與儲層識別 159

12.3.1 qt曲線的多尺度分析 159

12.3.2 AC曲線的多尺度分析 161

參考文獻 162

第13章 地基土的工程特性評價 163

13.1 黏性土的不排水抗剪強度 163

13.1.1 理論分析法 163

13.1.2 經驗判斷法 164

13.2 黏性土的靈敏度 166

13.3 黏性土的超固結比 168

13.3.1 不排水抗剪強度方法 168

13.3.2 靜力觸探數據剖面形狀方法 169

13.3.3 直接依靠靜力觸探數據方法 169

13.4 砂土的相對密度 170

13.5 土的比貫入阻力 172

13.6 土的壓縮與變形模量 173

13.6.1 黏性土 173

13.6.2 砂土 17 2100433B

《多功能靜力觸探原理及其工程應用》論述靜力觸探所涉及的相關理論和技術，進而引出多功能靜力觸探的相關概念。對多功能靜力觸探用于地層劃分所涉及的土體力學參數、工程參數，以及靜力觸探的貫入機理、砂土液化判別、地基和單樁承載力的估算等進行詳盡的介紹；對多功能多探管靜力觸探技術用于淺層天然氣勘探所涉及的相關技術、工藝、靜力觸探和測井響應特點進行了探索。

靜力觸探試驗野外現場作業(yè)簡單、方便, 測試需時短, 可以縮短勘察工期, 進行土體巖性劃分及確定土體力學參數效果良好。

與室內土工試驗相比, 靜力觸探試驗克服了特殊地層或薄層地層取原狀試樣的困難, 并且試驗范圍較大, 各類土體均能保持原狀樣, 比較客觀地測試土層的工程特性, 為工程地質地基評價和設計基礎型式的選取提供合理、科學依據 。