静力触探技术发展历史
发布时间:2018-11-28
       静力触探技术的发展已经有80多年的历史,经历了机械式、电测式、电子式和数字式的发展过程。
 
1.    机械式静力触探CPT探头
       静力触探试验(CPT)最早起源于荷兰,故又名荷兰锥。静力触探试验(CPT)的历史可以追索到1932年。当时,一位在荷兰公共工程部门工作的工程师Pieter Barentsen发现,将带有圆锥的探杆插入土体中时,在软土中比较容易插入,而在硬土中能相对较难(图1)。
  


图1 Pieter Barentsen的发现
 
        根据这个原理,发明了简易的Barentsen静力触探系统(图2)。当时是在35mm内径的套筒内装直径15mm的探杆,探杆可以上下自由移动;圆锥附加在探杆上,圆锥的截面积为10cm2、锥角为60度,利用人工压入土体中。通过减去内杆重量来校对锥尖阻力,最大贯入深度为10~12m,贯入力的大小由杆顶的压力表读出。
   


图2 简易的Barentsen静力触探系统及早期的机械式CPT探头(荷兰锥)

 
 
       之后,Pieter Barentsen委托荷兰GMF Gouda公司制造全球首套机械式静力触探(CPT)设备(图3)。该设备通过荷兰Gouda附近铁路路堤的首次测试后,其工作原理和测试设备被证明非常有效,从而向全球推广(图4)。
 
  


图3全球第一套机械式静力触探(CPT)设备                  图4静力触探设备在非洲工地的应用

 
 
       基于本次共同的努力,1934年Barentsen先生和荷兰GMF Gouda公司共同申请了静力触探(CPT)专利,因此,荷兰GMF Gouda公司成为全球首家制造静力触探(CPT)设备的制造商。1996年荷兰GMF Gouda公司岩土部门和荷兰Conewel公司合并成立了荷兰Geomil Equipment B.V.公司,这两家公司都是制造静力触探(CPT)设备的领导者,目前荷兰Geomil Equipment B.V.公司为全球历史最悠久的静力触探设备制造公司。
 
       1935年,荷兰delft土力学实验室的第一任主任设计并使用了第一个10吨(100kN)的人工荷兰锥贯入装置(图5)。该贯入装置为非连续性贯入。
 


图5 1935年荷兰锥贯入系统
 
      1948年,Vermeiden和Plantema对荷兰锥进行了改进,在荷兰锥上方增加一个锥形的保护部件(图6)。其目的是为了阻止土体进入套管和探杆之间的间隙。目前这种探头在世界其它地方还在使用。
 
 


图6 带有锥形保护部件的荷兰锥

 
       1953年,Begemann在荷兰锥后面增加了一个摩擦筒(图7),通过这种改进,荷兰锥可以同时测量锥尖阻力和侧壁摩阻力。测试过程中每20cm读取一个数据,这是第一次将摩阻比用于土的类型划分(图8)
 
 


图7 带有摩擦套筒的Begemann荷兰锥

 
 


图8 通过摩阻比划分土层

 
 
2.   电测式静力触探CPT探头
 
      机械式静力触探技术操作简单、方便、造价便宜,但是其最大的缺点就是套管与探杆之间的摩擦、侧挠相互作用及土体进入套管等因素大大影响了测试的精度。从20世纪40年代末开始,人们不断研发电测试的静力触探CPT探头,直到1965年,荷兰辉固(Fugro)公司与荷兰研究院(TNO)联合研制出了一种电测式的CPT探头(图9)。这种探头的形状和尺寸是现代静力触探探头的原型,也是后来国际土力学和基础工程学会(ISSMFE)的标准。
 


图9 Fugro电测式静力触探探头结构图
 
        这种电测式静力触探探头针对机械式静力触探探头的主要改进包括:
       (1)消除了外套管与内探杆之间的摩擦及内探杆重量造成的误差
       (2)测试过程连续且贯入速率恒定
       (3)锥尖阻力和侧壁摩阻力的电信号测试更加简单而可靠
 
3.   孔压静力触探CPTU探头
 
      1974年,市场上推出了可以测量孔隙水压力的静力触探探头,即CPTU探头。早期的CPTU探头透水石有不同的形状,安装的部位也不同,主要有下图中的u1、u2和u3三个位置,三个位置测得的孔隙水压力值不同,但实际工程中应用最多的还是u2这个位置(图10)。通过测量孔隙水压力,可以修正锥尖阻力测量值,特别是在软粘土中,意义更大。
 
  


图10 CPTU孔压静力触探探头透水石位置
 
        孔压静力触探相对于常规静力触探而言主要优势在于:
       (1)可以利用超孔隙水压力的灵敏性来准确划分土层,判断土的类型,特别是夹层的识别。
       (2)可以通过超孔隙水压力值来估算土层的不排水抗剪强度。
       (2)可以通过超孔隙水压力消散试验来估算土层的固结系数和渗透系数。
 
         鉴于孔隙水压力静力触探试验的优势,目前国外大部分静力触探项目都要求做CPTU孔隙水压力静力触探试验。
 
4.   数字式静力触探探头
 
      随着科技的发展,1985年市面上研制出拥有自己的模-数转换电路板和微处理器的数字式探头。这个以美国Vertek公司为代表(图11)。数字式静力触探探头的优势在于模-数转换在孔下完成,没有由于电缆长度引起的信号衰减的问题,这在模拟信号的探头中经常发生。同时数字式经理触探探头所有的信号都可以通过同一根电缆传输,减少了电缆线的冗余,允许探头拥有更多的测试通道,可实现探头的多功能化,多参数测试功能。
 


 
图11 美国Vertek数字式静力触探探头及采集装置
 
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