基于孔压静力触探(CPTU)的污染场地土层渗透系数测试方法

土木工程中的渗透系数测定方法土木工程中的渗透系数测定方法是评估土壤和岩石渗透性的重要手段。

它对于土木工程项目的设计和施工具有重要意义。

准确测定渗透系数可以帮助工程师评估土壤或岩石的渗透性能，以选择合适的建筑材料和采取适当的工程措施，确保工程的稳定和安全性。

一、定负压渗透试验法定负压渗透试验法是一种常用的渗透系数测定方法。

它通过建立负压梯度，测量土壤或岩石中的水渗透速率。

在实验中，首先需要将试验材料制成柱状或土壤墙样品，并保持边界的密封。

接着，在样品上施加一定的负压，测量水渗透过程中的流量并记录时间。

通过对流量和时间的关系进行分析，可以计算出渗透系数。

定负压渗透试验法的优点是操作简单、可控性强，适用于不同类型的土壤和岩石。

二、土柱法土柱法是另一种常用的渗透系数测定方法。

它通过制备土柱样品，浸水并测量土壤中的水渗透速率。

在实验过程中，首先需要选择一定的土壤样品，并保持其湿润，以避免水分蒸发。

接着，在柱状样品的底部设置渗流出口，并将其放置在一个恒定水位的水槽中。

然后观察进水与出水之间的水位差，测量出水的流量和时间。

通过对流量、时间和水位差的关系进行分析，可以计算出土壤的渗透系数。

土柱法适用于渗透系数较小的细颗粒土壤。

三、试井法试井法是一种间接测定渗透系数的方法。

它通过在井孔中进行渗流试验，测量水位变化来推断土壤或岩石的渗透系数。

在试井法中，首先需要选择一个合适的井孔，并在井孔内设置流量计和水位计等仪器。

接着，注入一定数量的水，并观察水位的变化。

通过对水位和时间的变化进行分析，可以间接计算出渗透系数。

试井法适用于渗透系数较大的岩石和土壤。

四、强夯法强夯法是一种特殊的渗透系数测定方法。

它通过制造冲击波，使水分浸透到土壤中，从而估算出土壤的渗透系数。

在强夯法中，首先需要使用特殊的设备进行夯击，使土壤中的颗粒重新排列。

接着，注入一定数量的水分，并观察水分在土壤中的渗透情况。

通过对夯击和渗透过程的观察和分析，可以估算出土壤的渗透系数。

Y A N J I U Y U T A N S U O 韦晓东，等：基于CPTU 测试的理论与数值模拟对比分析《工程与建设》 2018年第32卷第3期283收稿日期：2018‐05‐21；修改日期：2018‐06‐04作者简介：韦晓东（1990－），男，安徽肥东人，硕士，肥东县重点工程建设管理局.基于C P T U 测试的理论与数值模拟对比分析韦晓东1， 张 宇2， 刘云波3， 上官子恒4（1.肥东县重点工程建设管理局，安徽肥东 231600；2.中设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014；3.浙江省杭州市文晖路183号，浙江杭州 310014；4.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098）摘 要：以连云港徐圩镇以南、烧香河以东、驳盐河以北、二圩西以西进行的CPT U 试验为工程背景，得出相关的实验数据，建立二维有限元对称模型，并结合国内外相关学者的研究成果，对比分析了水平渗透系数和固结系数的实测值、计算值和模拟值。

同时对贯入深度为80mm 时的土体应力进行了分析。

结果表明：距探头中心距离大于10r 0时，土体的应力开始不受探头贯入扰动，整个分析区域应力的最大值出现在孔压静力触探探头的锥尖处。

同时从整体来看渗透系数和固结系数的模拟值与实测值整体上比较接近且都大于计算值，但是其模拟值、实测值和计算值有相似的变化规律，这说明了数值模拟的合理性。

关键词：数值模拟；CP T U ；渗透系数；固结系数中图分类号：［T U 195＋.3］ 文献标识码：A 文章编号：1673‐5781（2018）03‐0283‐030 引 言近年来随着中国经济建设迅速发展，城市化进程加快，出现了大规模基础设施建设。

在进行基础建设设计时，尤其是岩土、地质工程，需要大量的参数作为基础。

岩土工程参数取值的不确定性、复杂性会造成基础设施材料的浪费甚至出现安全隐患，因此岩土工程参数的取值至关重要，有必要对其进行研究。

目前岩土工程参数的测试方法分为室内试验室测试和原位测试。

静力触探试验静力触探测试〔static cone penetration test〕简称静探（CPT）。

静力触探试验是把一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压人土中，并测定探头阻力等的一种测试方法，实际上是一种准静力触探试验。

荷兰人在20世纪40年代提出了静力触探技术和机械式静力触探仪。

试验是用机械装置把带有双层管的圆锥形探头压人土中，在地面上用压力表分别量测套筒侧壁与周围土层间的摩阻力（f s）和探头锥尖贯入土层时所受的阻力（q c）。

电测静力触探试验于1964年首先在我国研制成功。

原建工部综合勘察院成功地研制了世界上第一台电测静力触探仪，即我国目前普遍应用的单桥（单用）探头静力触探仪。

利用电阻应变测试技术，直接从探头中量测贯入阻力，并定义为比贯入阻力。

20世纪60年代后期，荷兰开始研制类似的电测静力触探仪，探头为双桥式的。

此项成果发表于1971年。

从20世纪70年代开始，电测静力触探的发展使静力触探有了新的活力，发展迅猛，应用普遍。

其中，最重要的发展是国际上于20世纪80年代初成功研制了可测孔隙水压力的电测式静力触探，简称孔压触探.（CPTU）。

它可以同时测量锥头阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力，为了解土的更多的工程性质及提高测试精度提供了极大的可能性和现实性。

目前在我国使用的静力触探仪以电测式为主。

静力触探具有下列明显优点：（1）测试连续、快速，效率高，功能多，兼有勘探与测试的双重作用；（2）采用电测技术后，易于实现测试过程的自动化，测试成果可由计算机自动处理，大大减轻了人的工作强度。

由于以上原因，电测静力触探是目前应用最广的一种土工原位测试技术，本章将重点加以叙述和讨论。

静力触探的主要缺点是对碎石类土和密实砂土难以贯入，也不能直接观测土层。

在地质勘探工作中，静力触探常和钻探取样联合运用。

图2-1是静力触探示意和得到的测试曲线。

从测试曲线和地层分布的对比可以看出，触探阻力的大小与地层的力学性质有密切的相关关系。

例析基于CPTU技术海上井位的地质分层孔隙水压力静力触探（英文简称CPTU）是一种具有速度、数据连续、再现性好、操作省力等优点的新型原位测试技术。

孔隙水压力静力触探技术是把测孔隙水压力的传感元件与标准的静力触探组合在一起，在测定锥尖阻力qc和侧壁摩擦阻力fs的同时，量测土的孔隙水压力u；当停止贯入时，还可量测超孔隙水压力△u的消散，直至超孔隙水压力全部消散完，达到稳定的静止孔隙水压力u0。

目前，孔隙水压力静力触探（CPTU）在地质勘察中已得到广泛应用。

随着海上资源勘探开发日益发展，海上需要越来越多的基础建设。

海上钻井船的插桩和钻进平台建设及管道的铺设都必须依靠浅层的地质条件才可以进行作业。

传统的海上地质勘察的方法是钻孔取样，通过现场和土工实验室试验，为海上工程提供设计参数。

传统的取样和实验室分析方法不仅对土样的扰动大，使得实验室测试结果常出现较大误差，同时成本费用比较高，操作比较麻烦，耗费勘察周期长，地质参数的精确性很难做到。

孔隙水压力静力触探在海上地质勘察中可以弥补钻孔取样的不足，不需要取样，而且周期短。

目前国家的发展战略是向深海进军，水深的增加会加大取样难度，甚至取不到土样。

本文就针对海上某井位隙水压力静力触探（CPTU）资料作了划分土层的分析和总结，为以后海上CPTU技术应用提供借鉴和参考。

1 孔隙水压力静力触探（CPTU）的理论基础把探头借助机械力量压入土中时，终端记录锥尖阻力qc和侧壁摩擦阻力fs，以及土的孔隙水压力u随深度的变化曲线，具有具有快速、可靠、经济和连续的优点。

由于不同的土质，反映到qc-h，fs-h，u-h曲线上，会呈现出成层的分布规律，利用这个规律可以对海底地质进行分层。

文献[4]对目前基于CPTU的土质分类经验图表进行了很好的总结。

在正常贯入速率下（2cm/s）测得的u-h曲线上，能够反映出2cm薄层的变化。

因此，利用孔隙水压力随深度变化曲线判别土层能够提高判别的准确性和精度。

轻便加压装置——液压动力、地锚式反力
履带式车载加压装置——液压动力、压重式反力
车载加压装置——液压动力、压重地锚联合式反力
静力触探 CPT——试验方法
试验准备 孔压探头饱和 触探机定位 探头贯入 孔压消散试验 试验终止
静力触探 CPT——试验方法
影响静力触探试验的因素
静力触探 CPT
测试原理
– 物理原理
探头压入时受到的阻力大小与土层的软硬程度成比例。 探头压入时，土层孔隙水渗入探头形成水压力。
– 传感原理
阻力测量：阻力转化为电阻片的变形，形成电信号。 孔压测量：孔压转化为电阻膜片的变形，形成电信号。
静力触探 CPT——仪器设备
量测系统
– 探头、探杆规格
探头贯入引起土超孔隙水压力，影响贯入阻力测量值。
– 贯入速率
温度变化导致传感器电阻应变片变形，产生数据“零飘”。
– 孔压探头饱和
探头倾斜导致贯入阻力测量失真 探杆弯曲倾斜一是导致贯入深度测量不准；二是不能有效地将
贯入力传导给探头
静力触探 CPT——试验方法
影响静力触探试验的因素
– 探杆
刚性传力杆，采用高强度无缝钢管做成。
– 反力装置
为探头的贯入提供反力：地锚、压重、地锚压重联合
CLD-4型 静力触探仪
主要技术参数：
贯入力：2吨 贯入速度：0.8～1.2m/mim 探杆长度：0.5m／支 整机重量：100kg。
江苏省如皋大地仪器有限公司
贯入油缸
轻便加压装置——液压动力、地锚式反力
静力触探 CPT——成果分析
绘制触探曲线、地层分层
ps
超前
A
滞后

土木工程中常用的渗透性测试方法探讨渗透试验是通过对土壤或混凝土样本施加水压，观察渗透情况来评估其渗透性能的一种方法。

试验过程中，将水从一侧施加压力，通过土壤或混凝土中的孔隙进行渗透。

渗透试验可以用来测定土壤或混凝土的渗透系数、渗透压力、渗透速率等参数。

渗透试验的常用方法有：
1.常规渗透试验：将水平压力施加在孔隙水中，通过观察水渗透孔板上的水位变化或渗透压力的上升来评估渗透性能。

2.改进渗透试验：在常规渗透试验的基础上，通过增加试验时间、提高压力、增加观测点等方法，来提高试验结果的准确性和可靠性。

渗透测定是通过测量土壤或混凝土的渗透性能参数，如渗透系数、渗透速率等，来评估其渗透性能的方法。

渗透测定可以使用现场测试或实验室测试进行。

渗透测定的常用方法有：
1.斯托克斯法：通过测量孔隙介质中水的渗透速率来计算土壤或混凝土的渗透系数。

该方法适用于孔隙介质为颗粒状或多孔性结构的土壤或混凝土。

2.触点电阻法：通过测量孔隙介质中水的电阻变化来评估土壤或混凝土的渗透性能。

该方法适用于含水量较低的土壤或混凝土。

3.核磁共振法：通过测量孔隙介质中水的核磁共振信号来评估土壤或混凝土的渗透性能。

该方法适用于含水量较高的土壤或混凝土。

需要注意的是，不同的渗透性测试方法适用于不同类型的土壤或混凝土，具体选择何种方法应根据实际情况综合考虑。

同时，为了得到准确可靠的测试结果，还应注意采样及试样制备的规范、试验环境的控制等方面的要求。

4.3__静力触探试验4.3 静力触探试验§4.3.1 概述静力触探试验（Static Cone Penetration, CPT）是把具有一定规格的圆锥形探头借助机械匀速压入土中，以测定探头阻力等参数的一种原位测试方法。

静力触探首先在荷兰研制成功，因此静力触探也叫“荷兰锥”试验。

按测量机理分：机械式静力触探和电测式静力触探。

按探头功能分：单用（桥）静力触探、双用（桥）静力触探、多用（孔压）静力触探。

电测式静力触探的优点：①兼有勘探和测试双重作用②测试数据精度高，再现性好，且测试快速、连续、效率高、功能多③采用电子技术，便于实现过程自动化根据静力触探，包括孔压静力触探试验结果，结合地区经验，可以用于以下目的：1）土类定名，并划分土层的界面；2）评定地基土的物理、力学、渗透性质的相关参数；3）确定地基承载力；4）确定单桩极限承载力；静力触探试验适应于软土、一般粘性土、粉土、砂土和含有少量碎石的土。

与传统的钻探方法相比，静力触探试验具有速度快、劳动强度低、清洁、经济等优点，而且可以连续获得地层的强度和其他方面的信息，不受取样扰动等人为因素的影响。

静力触探试验中不能对土进行直接的观察、鉴别，而且不适用于含较多碎石、砾石的土层和很密实的砂层。

§4.3.2 静力触探试验的仪器设备一、贯入系统1.贯入装置1）液压式静力触探机(贯入力一般为10-20t)3）电动机械式静力触探机(4-5t)。

2.探杆探杆是将机械力传递给探头以使探头贯入的装置，是传递贯入力的媒介，为保证触探孔的垂直，探杆一般采用高强度合金无缝钢管制造。

探杆有严格的规格和要求，应有足够的强度，应采用高强度无缝管材，其屈服强度不宜小于600MPa。

探杆与接头的连接要有良好的互换性。

每根探杆的长度一般为1m，其直径应和探头直径相同；但单桥探头探杆直径应比探头直径小。

3.反力装置地锚、重物（车辆）或地锚与重物（车辆）联合使用，作用是固定触探主机，提供探头在贯入过程中所需之反力。

土渗透系数试验
土的渗透系数试验是用于测定土的渗透能力的一种试验，其结果对于渗流计算等工程应用具有重要意义。

该试验可分为室内渗透试验和现场渗透试验两大类。

室内渗透试验主要使用常水头法和变水头法两种方法进行测定。

常水头法是在整个试验过程中保持水头不变，通过测量一定时间内通过试样的水量来计算渗透系数。

而变水头法则是通过改变水头高度，测量对应的水流速度来计算渗透系数。

现场渗透试验则是在实际工程现场进行的试验，主要包括注水试验、抽水试验和压水试验等方法。

这些方法通过在实际土壤中注入或抽取水，观测水位变化和水流速度等数据，进而计算出土的渗透系数。

需要注意的是，在进行土的渗透系数试验时，需要遵循一定的试验规范和操作要求，以保证试验结果的准确性和可靠性。

同时，由于土的渗透系数受到多种因素的影响，如土壤类型、密度、含水量等，因此在进行试验时需要充分考虑这些因素对结果的影响。

静力触探测试原理方法及内业整理1 静力触探测试原理静力触探的工作过程是用静力将探头压到土层中去。

在贯入过程中，由于埋藏在地层中的各种土的物理力学性质不同，因此，探头遇到的阻力也不同，有的土软，阻力就小，有的土硬，阻力就大。

土的软硬正是土的力学性质的一种体表现。

所以贯入阻力是从一个侧面反应了土的强度。

根据这样一种内部联系，我们利用探头中的阻力传感器，将贯入阻力通过电子量测记录仪表把它显示和记录下来，并利于贯入阻力和土的强度之间存在的一定关系，确定土的力学指标，划分土层，进行地基土评价和提供设计所有需参数。

当静力触探的探头在静压力作用下，均速向土层中贯入时，探头附近一定范围内的土体受到压缩和剪切破坏，同时对探头产生贯入阻力。

一般的说，同一种土层中贯入阻力大，土层的力学性质好，承载力高。

反之，贯入阻力小，土层软弱，承载力低。

在生产中利用静力触探与土的野外载荷试验对比，或静力触探贯入阻力与桩基承载力及土的物理学性质的指标对比，运用数理统计的方法，可以建立各种相关方程(经验关系)。

这样，只要知道土层的贯入阻力即可确定该层土的地基承载力等指标参数。

静力触探主要由两部分组成：一是贯入系统—由加压装置及反力装置组成；二是量测系统—由装在探头中的阻力传感器和量测仪表组成。

2 静力触探的现场测试2.1 操作前的准备及注意事项1 数据记录系统操作前准备及注意事项1) 检查电源：如用外接电源时，必须检查确认是220V交流电时，如为电瓶等直流电源，需检查其直流电压为12V，方可接入静探微机。

打开开关检查微机显示是否正常，无异常情况后方可使用。

2) 检查发讯机：角机插座接好后，打开仪表，拨动发讯角机并检查静探微机是否有讯号接收。

3) 在开始工作前，操作人员必须填写测试孔号、日期、时间、测试探头编号等项，工作结束后记录测试深度。

2 现场操作前的准备及注意事项1) 作业前需了解工程类型、工程特点、可能的基础类型及埋深，孔位、孔深、测试目的。

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设饱和土体内某一研究平面的 总面积为A，其中粒间接触面积之 和为As ,则该平面内由孔隙水所占 面积为 Aw ＝A－As.若由外荷(和/或 自重)在该研究平面上所引起的法 向总应力为,如图所示，那么，它 必将由该面上的孔隙水和粒间接触 面共同来分担，即该面上的总法向 力等于孔隙水所承担的力和粒间所 承担的力之和，于是可以写成：
式中，右端第一项Psv/A为全部竖向 粒间作用力之和除以横断面积A，它 代表全面积A上的平均竖直向粒间应力，并定义为有效应力，习惯上用 ‘ 表示。有端第二项中的As/A，试验研究表明，粒间接触面积As不超过 0.03A，故 As/A可忽略不计。于是上式可简化为:
＝‘ 十 u 即为著名的有效应力原理
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(1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细 颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。 (2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件， 可用管涌的水力坡降表示。 流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌 现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。
渗流量之和，即 将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx：
(二)竖直向渗流 竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流速
相同，即 (2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和，即 将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz：
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测管水头：位置水头与压力水头之和 h= z+ u/w
测管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能
伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出： (1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全是由总水头差决定。只有当 两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点 流动。 (2)由于土中渗流阻力大，故流速 v 在一般情况下都很小，因而形成的 流速水头也很小，为简便起见可以忽略。渗流中任一点的总水头就可 用测管水头来代替。 水力坡降

污染场地岩土工程勘察标准1 范围为了在污染场地岩土工程勘察工作中贯彻执行国家有关工程技术与环境管理政策，做到技术先进合理，保护生态环境与人体健康，保证工程经济安全，制定本标准。

本标准适用于江苏省内城市工业、矿山、加油站等污染场地勘察和建设场地氡气调查等。

2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB 15618 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）GB 34330 固体废物鉴别标准通则GB 3838 地表水环境质量标准GB 36600 土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）GB 50021 岩土工程勘察规范GB 50027 供水水文地质勘察规范GB 50108 地下工程防水技术规范GB/T 14848 地下水质量标准GB/T 50123 土工试验方法标准CJJ/T 7 城市工程地球物理探测标准HJ 25.2 建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则HJ 25.3 建设用地土壤污染风险评估技术导则HJ 919 环境空气挥发性有机物的测定便携式傅里叶红外仪法SL 345 水利水电工程注水试验规程CJJ/T 204 生活垃圾土土工试验技术规程HJ/T 20 工业固体废物采样制样技术规范HJ/T 91 地表水和污水监测技术规范HJ/T 164 地下水环境监测技术规范HJ 298 危险废物鉴别技术规范HJ/T 299 固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法DGJ32/TJ 208 江苏省岩土工程勘察规范DB11/T 1311 北京市污染场地勘察规范3术语3.0.1污染场地contaminated site对潜在污染场地进行调查和风险评估后，确认污染危害超过人体健康或生态环境可接受风险水平的场地，又称污染地块。

3.0.2污染场地勘察investigation of contaminated site针对污染场地，按照岩土工程勘察程序，采用岩土工程勘察技术方法，查明并分析场地的工程地质与水文地质条件、场地污染特征，为场地风险评价、风险管控、修复工作提供依据的工程活动。

硕士研究生文献阅读与综述论文题目：现代多功能CPTU的数值模拟学号：2015220524研究生姓名：卫才皇导师姓名:杨令强王君鹏学科、专业：建筑与土木工程所属院、系：土木建筑学院2016年5月14日多功能CPTU研究综述卫才皇摘要：静力触探法是工程中广泛使用的一种原位测试方法。

通过归纳分析国内外相关资料，概述了静力触探仪器设备发展历程，系统归纳了静力触探在锥头贯入阻力理论研究、模型试验、数值模拟、成果应用等方面的研究进展，总结了不同行业、不同地区利用静力触探成果估算土体参数的经验公式；提出由静力触探成果推求土体参数时，应充分考虑区域性土的工程特性；指出在超孔隙水压力理论分析、柱形孔空间问题解析解和以大变形分析理论为基础的数值模拟等方面需要进一步完善。

关键词：静力触探；理论研究；模型试验；数值模拟Research Review on Static Cone Penetration TestWei CaihuangAbstract:Static cone penetration (CPTU) is an situ test,which is widely used in the engineering practice.Based on recent research results,this paper introduced the development course of CPTU and summarized the research progress of the instrument development,theoretical rearch of cone resistance,model test ,numerical simulation,and different areas were summarized.The paper pointed out that it is necessary to fully consider the engineering characteristics of regional soil when using the CPTU results. Moreover,the theoretical analysis of excess pore water pressure,anatlyic solution of cylindrical hole space problem,and numerical simulation for large deformation analysis theory need to be further improved.Key words:cone penetration test;theoretical research;model test;numercial simulation1前言静力触探法是用于划分土层、判别土体液化、确定地基承载力等参数常用的原位测试方法，具有操作简单、费用低、成果准确、周期短、节省人力等优点。