原位应力铲测试(TPT)
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发布时间：2022-04-30 08:00
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时间：2022-06-19 11:03
总压力盒（total pressure cell）最早由瑞典马沙尔屈（Massarsch,1975）研究使用。其状如铲，将它插入地下，可测取地层水平向总应力，故形象地称它为应力铲。
（一）测试设备和方法
1.测试设备
包括应力铲、接收仪器和压入设备。
应力铲是由两块1mm厚的不锈钢膜焊接而成，为高为215mm、宽为98mm、厚为5mm的扁盒，其内部设有宽40mm的补强钢板，以增大扁盒压入时的抗弯能力。盒内充满去气的硅油与铲上方压杆内的传感器相连通（见图7—13），国内铁四院已有生产。
图7—13 应力铲
应力铲的设计，根据平面应变和传感器体变要求，一般规定：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：δ——应力铲厚度，δ＝5mm;
b——应力铲宽度，b=98mm;
s——钢膜受压时的最大变形量（挠度）。
使用的电子接收仪器的精度应达1kPa。
2.试验方法
利用工程钻机或者借助触探仪贯入设备，将应力铲垂直压入地下指定深度，进行试验。
使用工程钻机时，应先开孔至试验点深度以上1m左右位置，然后将应力铲接上钻杆，通过立轴放至孔底，再以（20±5）mm/s的速度压入土中，随压随记贯入过程中的压力读数；记录的深度间隔以10—20cm为宜。当压至预定的深度时，应立即记录水平总应力随时间而衰减的过程值，直至完全稳定为止。
应力铲的适用地层主要由它的抗弯刚度所决定，一般只适用于中等硬度或中密度以下的土层。试验时应注意以下两点：
（1）在场地地层情况不清楚的情况下，最好先使用CPT，根据工程特点选择合适的试验点，避免应力铲碰上硬地层导致损坏。
（2）及时点绘水平总应力随时间衰减曲线，以利判别应力松驰是否趋于稳定。
（二）资料整理
同CPTU一样，对贯入时测得的数据和停止贯入后压力随时间变化的数据，应进行初读数和零飘修正。根据修正的读数，分别点绘贯入时水平总应力随深度变化曲线和随时间变化曲线。然后在此基础上绘制归一化应力随时间的衰减曲线。所谓归一化应力是指应力铲在某一时刻的水平应力增量用初始水平应力增量来归一，即：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：
——归一化应力；
σhi——贯入过程中土中各深度的水平总应力，当停止贯入时，即为初始水平总应力；
σht——贯入停止后，某时刻t时的水平总应力；
σhc——水平总应力衰减后的稳定值；此时，可近似认为σhc就是天然地基的原位水平总应力。
（三）成果分析与应用
应力铲试验成果可应用于以下诸方面：测定土的水平总应力；确定土的静止侧压力系数（K0）；推估饱和细粒土的水平固结系数（Ch）。
1.测定土的水平总应力
当应力铲垂直贯入地下时，垂直作用于应力铲板面的水平方向的力系组成下式：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：σht——贯入停止后t时刻的水平总应力；
σh0——原位有效水平应力；
△σ′ht——由应力铲压入时所引起的在t时刻的有效水平应力增量；
△ut——由应力铲压入后在t时刻的超孔压；
uw——静止水压力。
当超孔压消散终了时，有△ut=0，而σht则达稳定值σhc，上式变为：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
由于应力铲厚仅5mm，据空穴扩张理论，2.5mm的空穴扩张产生的应变是很小的；另外，在应力铲周边产生剪应变集中，应力铲膜中的剪应变一般小于平均剪应变。因此，由贯入引起的水平有效应力增量一般不大，特别在饱和软粘土中，可近似假定
，即△σ′ht=0，这时便有：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
由此可得任何应力史和任何应力状态下的饱和粘性土的原位水平总应力或原位水平有效应力。
应力铲测试方式灵活，可方便地用于挡土墙及桩基等地基基础的水平应力测量；对于超固结和施行过地基改良的土体或具有偏压作用荷重历史的土，应力铲也能测其原位水平总应力。另外，对由挖方、坍塌、滑移等引起的地基水平应力的变化，应力铲能提供一个更为准确的水平应力增量值，因为此时不涉及到应力铲插入产生的水平有效应力增量。
2.确定土的静止侧压力系数（K0）
应力铲试验的直接目的，原本是在现场直接测定土层的原位K0。K0对确定土的原位初始应力状态、土强度与变形特性分析的K-G模型、应力路径、桩基承载力和挡土墙的稳定分析等方面，都是一个重要的参数。土的K0值多用室内K0固结仪或特殊三轴仪测定，通常也根据经验关系推估K0。近十多年来，国外一些研究者研制发展了多种原位测试K0的方法，例如水力劈裂法、压入式板状膨胀仪、自钻式旁压仪、K0步进板等测试方法。但迄今还没有一种公认为完善的测试方法。因此，目前采用多种试验方法，然后根据测试结果进行综合分析，从中选择一个合理的K0值。
推求K0的公式繁多，对于正常固结的粘土，可应用布鲁克尔（Brooker）和爱雷兰德（Ireland,1965）提出的（7—31）式或阿尔潘（Alpan,1967）提出的（7—32）式进行估算：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
K0与土质结构及应力历史密切相关。室内K0试验，常因取样和制备等原因，造成土样的扰动，易于模糊土的应力史，而原位测试则可减少这种扰动的影响。
对于天然沉积层，K0为水平向与垂向的有效应力之比：
或
土体原位测试机理、方法及其工程应用
在地下水位和土的饱和重度已知的条件下，就可根据应力铲的稳定值σhc通过上式求得K0。
3.推估饱和细粒土的水平固结系数（Ch）
应力铲测得的水平总应力变化，反映了超孔隙水压力和水平有效应力增量共同变化的结果。由于应力铲贯入产生的△ht值很小，因此σh的变化主要反映了超孔压的变化。若假定△ht=△hc不随时间而变，那么，由式（7—28）得：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
由此得到超孔隙水压消散值的近似值。
（1）超孔压的初始分布：设超孔压沿板面中心法线（水平）方向的初始分布服从罗埃（Roy,1981）等人总结的经验分布规律，即：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：f（ρ）——超孔压初始分布函数，f（ρ）=u（ρ，t=0）；
△U0——应力铲板面中心与土的界面处的初始超孔压，按式（7—34）计算，
即△U0＝σhi－σhc，亦即△u0＝△ut=0=u（ρ＝0,t=0）；
ρ——距离比，ρ＝x/r,
x——土单元距板面中心的法向距离
δ——板厚；
α——经验指数，与土性质有关。
其它符号意义同前。
（2）水平固结系数计算：正如前面第二章所论述的那样，理论上，水平固结系数可据式（t=Tr2/Ch）计算，即：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
基于同一道理，Ch应取下式：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中符号意义同前。
为取得Ch的最佳值，可采用曲线拟合方法，反复调整α值，直到实测曲线与理论曲线达到最佳拟合时为止。
