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靜力觸探技術發展歷史
發布時間:2018-11-28 瀏覽次數:2668 來源:歐美大地
       靜力觸探技術的發展已經有80多年的歷史,經歷了機械式、電測式、電子式和數字式的發展過程。
 
1.    機械式靜力觸探CPT探頭
       靜力觸探試驗(CPT)最早起源于荷蘭,故又名荷蘭錐。靜力觸探試驗(CPT)的歷史可以追索到1932年。當時,一位在荷蘭公共工程部門工作的工程師Pieter Barentsen發現,將帶有圓錐的探桿插入土體中時,在軟土中比較容易插入,而在硬土中能相對較難(圖1)。
  


圖1 Pieter Barentsen的發現
 
        根據這個原理,發明了簡易的Barentsen靜力觸探系統(圖2)。當時是在35mm內徑的套筒內裝直徑15mm的探桿,探桿可以上下自由移動;圓錐附加在探桿上,圓錐的截面積為10cm2、錐角為60度,利用人工壓入土體中。通過減去內桿重量來校對錐尖阻力,最大貫入深度為10~12m,貫入力的大小由桿頂的壓力表讀出。
   


圖2 簡易的Barentsen靜力觸探系統及早期的機械式CPT探頭(荷蘭錐)

 
 
       之后,Pieter Barentsen委托荷蘭GMF Gouda公司制造機械式靜力觸探(CPT)設備(圖3)。該設備通過荷蘭Gouda附近鐵路路堤的首次測試后,其工作原理和測試設備被證明非常有效,從而向全球推廣(圖4)。
 
  


圖3機械式靜力觸探(CPT)設備                  圖4靜力觸探設備在非洲工地的應用

 
 
       基于本次共同的努力,荷蘭GMF Gouda公司成為專業的制造靜力觸探(CPT)設備的制造商。1996年荷蘭GMF Gouda公司巖土部門和荷蘭Conewel公司合并成立了荷蘭Geomil Equipment B.V.公司,這兩家公司都是制造靜力觸探(CPT)設備的帶領者,目前荷蘭Geomil Equipment B.V.公司為全球歷史悠久的靜力觸探設備制造公司之一。
 
       1935年,荷蘭delft土力學實驗室的第一任主任設計并使用了第一個10噸(100kN)的人工荷蘭錐貫入裝置(圖5)。該貫入裝置為非連續性貫入。
 


圖5 1935年荷蘭錐貫入系統
 
      1948年,Vermeiden和Plantema對荷蘭錐進行了改進,在荷蘭錐上方增加一個錐形的保護部件(圖6)。其目的是為了阻止土體進入套管和探桿之間的間隙。目前這種探頭在世界其它地方還在使用。
 
 


圖6 帶有錐形保護部件的荷蘭錐

 
       1953年,Begemann在荷蘭錐后面增加了一個摩擦筒(圖7),通過這種改進,荷蘭錐可以同時測量錐尖阻力和側壁摩阻力。測試過程中每20cm讀取一個數據,這是第一次將摩阻比用于土的類型劃分(圖8)
 
 


圖7 帶有摩擦套筒的Begemann荷蘭錐

 
 


圖8 通過摩阻比劃分土層

 
 
2.   電測式靜力觸探CPT探頭
 
      機械式靜力觸探技術操作簡單、方便、造價便宜,但是其最大的缺點就是套管與探桿之間的摩擦、側撓相互作用及土體進入套管等因素大大影響了測試的精度。從20世紀40年代末開始,人們不斷研發電測試的靜力觸探CPT探頭,直到1965年,荷蘭輝固(Fugro)公司與荷蘭研究院(TNO)聯合研制出了一種電測式的CPT探頭(圖9)。這種探頭的形狀和尺寸是現代靜力觸探探頭的原型,也是后來國際土力學和基礎工程學會(ISSMFE)的標準。
 


圖9 Fugro電測式靜力觸探探頭結構圖
 
        這種電測式靜力觸探探頭針對機械式靜力觸探探頭的主要改進包括:
       (1)消除了外套管與內探桿之間的摩擦及內探桿重量造成的誤差
       (2)測試過程連續且貫入速率恒定
       (3)錐尖阻力和側壁摩阻力的電信號測試更加簡單而可靠
 
3.   孔壓靜力觸探CPTU探頭
 
      1974年,市場上推出了可以測量孔隙水壓力的靜力觸探探頭,即CPTU探頭。早期的CPTU探頭透水石有不同的形狀,安裝的部位也不同,主要有下圖中的u1、u2和u3三個位置,三個位置測得的孔隙水壓力值不同,但實際工程中應用最多的還是u2這個位置(圖10)。通過測量孔隙水壓力,可以修正錐尖阻力測量值,特別是在軟粘土中,意義更大。
 
  


圖10 CPTU孔壓靜力觸探探頭透水石位置
 
        孔壓靜力觸探相對于常規靜力觸探而言主要優勢在于:
       (1)可以利用超孔隙水壓力的靈敏性來準確劃分土層,判斷土的類型,特別是夾層的識別。
       (2)可以通過超孔隙水壓力值來估算土層的不排水抗剪強度。
       (2)可以通過超孔隙水壓力消散試驗來估算土層的固結系數和滲透系數。
 
         鑒于孔隙水壓力靜力觸探試驗的優勢,目前國外大部分靜力觸探項目都要求做CPTU孔隙水壓力靜力觸探試驗。
 
4.   數字式靜力觸探探頭
 
      隨著科技的發展,1985年市面上研制出擁有自己的模-數轉換電路板和微處理器的數字式探頭。這個以美國Vertek公司為代表(圖11)。數字式靜力觸探探頭的優勢在于模-數轉換在孔下完成,沒有由于電纜長度引起的信號衰減的問題,這在模擬信號的探頭中經常發生。同時數字式經理觸探探頭所有的信號都可以通過同一根電纜傳輸,減少了電纜線的冗余,允許探頭擁有更多的測試通道,可實現探頭的多功能化,多參數測試功能。
 


 
圖11 美國Vertek數字式靜力觸探探頭及采集裝置
 
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