静力触探测试成果的应用( 六 ) _静力触探与动力触探

其优点为：SPM法的优点主要在于首次比较真实地考虑并模拟到了垂向贯入的特征，克服了CEM的两个主要缺点。根据基本假设，用锥体绕流的方法获得应变场，避开了复杂的边界条件，和在复杂应力路径下结合本构关系计算的困难。而SPM法的主要缺点在于其基本假设的适用性上。Clark和Meverhof(1972年)及steenfellt(1981年)现场观测到沉桩对周围土的径向位移场影响范围分别是4倍和8倍桩径。一些研究者得到的Δu影响范围为4～25倍桩径。因此，贯入产生的应变依赖于土性。而目前SPM法实际把其基本假设更推进一步，将贯入时土中的流场，同无粘性不可压缩流体绕流锥体的流场等同起来。众所周知，无粘性流不能抵抗任何剪力(无论多么小)，而且土的粘性一般比水大8～16个数量级。所以，用无粘性不可压缩无旋流体绕流锥体来模拟深贯入产生的流场，只有对于完全饱和的软粘土才可能有效(指一级近似) 。对于OCR(超固结化)＞4的硬粘土，贯入时容易产生不连续滑动面，仍用连续的流体运动来模拟就不适合了。若要考虑到粘性和可压缩性及桩-土界面的摩擦，流动方程的解就很困难。
虽有上述困难，SPM法在构思上还是很巧妙的，它把应变场和应力场分开计算，为解决深贯入问题开辟了一条新途径，故很有发展前景。运用它已得到了不少有用成果，如在估算qc的承载力系数和估算Δu，这方面可参考Baligh的文章。
二、静力触探探头的工作原理
1.探头——地层阻力传感器
静力触探探头亦称地层阻力传感器，它是量测地基土贯入阻力的关键部件。是贯入过程中直接感受土的阻力，将其转变成电信号，然后再由仪表显示出来的元件。为实现这一过程，可采用不同型号的传感器，其中电阻应变式传感器最为常用。电阻应变式传感器应用了虎克定律、电阻定律和电桥原理制成。
2.静力触探测试地的机电原理
(1)P→e转换探头(图3-3)被压入土中，受地层阻力作用要引起装在探头内部的空心柱(变形柱4)的变形；如将空心桩视为一个杆件，则其阻力与变形的关系，可用虎克定律表达为：
土体原位测试与工程勘察
或
σ=Eε (3-3)
式中：E是材料的弹性模量；F是空心柱的截面积；P为探头所受的压入阻力；ε为在压力P下空心柱产生的应变；L为空心柱有效变形长度。对于给定探头，两者均已给定。因此，只要测得应变ε就可以求得应力σ的大小，进而也就知道受力P的大小了。
(2)ε→ΔR 转换为了测得 ε，在空心桩的外周贴上一个阻值为 R 的电阻应变片(图3-4) 。空心桩受拉力而产生变形，电阻丝也随之变长。根据电阻定律的公式知：
土体原位测试与工程勘察
式中：L为电阻丝的长度；ρ为电阻丝的电阻率。由于空心桩受力产生ΔL的变化，那么相应电阻R值也将引起ΔR的变化，其关系可表达成：
土体原位测试与工程勘察
式中：K为电阻应变片的灵敏系数。
图3-3 单桥探头结构示意图
图3-4 应变与电阻变化的转换
(3)ΔR→ΔU转换公式(3-5)表明：已实现了由非电量ε 到电量ΔR 的转换。但是钢材在弹性范围内的变形很小，因而引起的电阻变化ΔR值也是很小的。利用微小的电阻变化去精确计量力的变化很困难，故转而需要利用电桥原理，在空心桩上贴上一组应变片，再经放大器放大，来实现微电压的测量。
下面分析一下电桥原理：电桥线路如图3-5所示。电桥电压为U，R2上的电压降为UBC 。在ABC或ADC回路中，电阻R1、R2串联，电流为I1，由欧姆定律可知：
土体原位测试与工程勘察
因此，BC电位差为：
土体原位测试与工程勘察
同理，在ADC回路上，DC的电位差UDC：
土体原位测试与工程勘察
电桥的输出电压ΔU为UBC与UDC之差，即：
土体原位测试与工程勘察
图3-5 电桥原理
显然，为了使电桥平衡，即输出电压为零(检流计无电流)，应有：
R2·R4-R1·R3=0；或 R1·R3=R2·R4 (3-7)
式(3-7)即为电桥平衡条件。
下面进一步分析输出电压ΔU与电阻变化ΔR，进而与变形ε之间的关系。
分析的对象是等桥臂全桥测量电路，每臂一片，即R1=R2=R3=R4 。显然，不受力时，满足电桥平衡条件。四片的贴法如图3-6所示，即：R2和R4顺着空心柱轴线方向贴，使之有正的变化；R1和R3横着空心柱贴，使之有负的变化，四片互为补偿。这样组成的电桥，经推导得知，其输出ΔU的表达式为：
土体原位测试与工程勘察
很显然，式中Kε(1-μ)是非线性项，就是说上式中ΔU并不与ε成正比。对于阻值不大的常规应变片，由于K值较小(2左右)，即使应变较大，Kε(1-μ)项也是很小的，故可将其略去，这样式(3-8)就变成为：