一文了解“静力触探技术”的发展历程

　　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)，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：

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。

测试过程连续且贯入速率恒定。
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：

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。

可以通过超孔隙水压力值来估算土层的不排水抗剪强度。
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。