靜力觸探

靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸探頭的觸探杆壓入試驗土層，通過量測系統測土的貫入阻力，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迴歸分析，可以得到適用於一定地區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築物地基強度和變形機理存在一定差異性，故不經常使用 ^[1]  。

靜力觸探的基本原理就是用準靜力（相對動力觸探而言，沒有或很少衝擊荷載）將一個內部裝有傳感器的觸探頭以勻速壓入土中，由於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徵之間的定性關係和統計相關關係，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 ^[2]  。

靜力觸探主要適用於粘性土、粉性土、砂性土。就黃河下游各類水利工程、工業與民用建築工程、公路橋樑工程而言，靜力觸探適用於地面以下50m內的各種土層，特別是對於地層情況變化較大的複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，更適合採用靜力觸探進行勘察 ^[1]  。

靜力觸探既是一種原位測試手段，也是一種勘探手段，它和常規的鑽探——取樣——室內試驗等勘探程序相比，具有快速、精確、經濟和節省人力等特點。此外，在採用樁基工程勘察中，靜力觸探能準確地確定樁端持力層等特徵也是一般常規勘察手段所不能比擬的 ^[3]  。

探頭的尺寸和加工精度，直接影響着觸探資料的準確性。統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定的標準。探頭各部件的機械性能影響着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、使用壽命起着決定性的作用。傳感器應使用高強度鋼材製作，最好採用60Si₂Mn鋼，並進行熱處理。探頭其餘部件的材質要求並不高，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本應是線性關係，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。我國規定探頭的線性誤差應小於量程的±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鋼製成的傳感器要比用40Cr或40CrNi鋼製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，説明探頭的線性越好。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。

探頭的歸零及重複性誤差：探頭的歸零及重複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種誤差均應小於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、歸零及重複性誤差小的探頭先校核儀器，確認儀器正常後再去檢驗探頭歸零及重複性誤差的大小。

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於500MΩ，探頭使用後絕緣電阻衰減是允許的，但不能低於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現，損壞的探頭約有80%是由於探頭密封質量不好造成的，尤其是雙橋探頭。在觸探過程中，由於地下水有水頭壓力，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鏽，應變片與空心柱開始脱膠，致使傳感器不能正常工作，探頭報廢 ^[1]  。

探頭的使用壽命是探頭質量的重要方面。探頭最終是用於工程勘察中，如果僅有較高的測試精度而不具有耐用性，也不能説探頭質量好。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使用。在探頭的外部並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 ^[1]  。

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，可用於：

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、水平向固結係數、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。

本規程適用於粘質土和砂質土 ^[1]  。

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．《岩土工程勘察規範》靜力觸探試驗 ^[3]  。

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)後才達到一較為恆定值，臨界深度及曲線第一較為恆定值段為第一層；探頭繼續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生變化，變大或變小，一般規律是位於曲線變化段的中間深度即為層面深度，第二層也有較為恆定值段，以下類推。

(3)經過上述兩步驟後，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，週期短，因此很受歡迎，應用很廣。可以判斷土的潮濕程度及重力密度、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係數及滲透係數等。

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，這是由於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，在樁基勘察中應優先採用 ^[1]  。