探头的使用寿命是探头质量的重要方面。探头最终是用于工程勘察中，如果仅有较高的测试精度而不具有耐用性，也不能说探头质量好。在实际工程中，一个探头触几个孔便坏了也是常有的事。因此探头在满足精度要求的同时，应该具有较长的使用寿命。频繁地更换探头，既影响工程进度又增加了触探试验成本。影响探头使用寿命的主要因素是密封质量，其次是应变片、贴片质量的好坏及电桥引线焊接牢固程度、探头装配质量、机械性能等。

探头的维修性能：探头的结构应满足维修的要求，应该具有拆装简单、维修方便的性能。质量再好的探头也可能出现偶然性的毛病，如探头内部引线接点开焊，或探头某一部位密封件损坏而使探头内部进水。这些小毛病也同样使探头不能继续使用。在探头的外部并没有多大磨损的情况下，只要拆开探头稍加修理便可以使用 。

探头的尺寸和加工精度，直接影响着触探资料的准确性。统一探头几何尺寸的目的是为了使触探试验资料能够相互引用与对比。规定的加工精度是为了保证探头的几何尺寸，限制探头几何尺寸的误差，同时也是为了使探头各部件能够正常工作。选用的探头几何尺寸及加工精度必须符合我国规定的标准。探头各部件的机械性能影响着探头的测试精度及使用寿命。探头各部件中材质要求较高的是传感器，传感器是探头的心脏，对探头的测试精度、使用寿命起着决定性的作用。传感器应使用高强度钢材制作，最好采用60Si₂Mn钢，并进行热处理。探头其余部件的材质要求并不高，用40Cr或45钢均可，也要经过热处理。

探头的线性误差：探头的线性误差是指探头在率定时，荷载P和输出电压V本应是线性关系，如有偏离即为线性误差。线性误差是影响探头测试精度的主要因素之一。线性误差的大小可用端点连线法确定。以零载和满载时输出电压值所连直线OA作标准，求得测点最大误差ΔV即为最大的线性误差。我国规定探头的线性误差应小于量程的±1%，也就是ΔV/Vm<±1%，否则为不合格探头。线性误差的大小主要与传感器空心柱的材质有关。在其它条件相同的情况下，用60Si₂Mn钢制成的传感器要比用40Cr或40CrNi钢制成的传感器线性误差小得多。影响线性误差的其它因素有传感器空心柱的加工精度(如同轴度、粗糙度等)、应变片及贴片质量的好坏等，但这几种因素的影响相对较小。 探头的线性误差越小，说明探头的线性越好。有些探头加荷时与卸荷时的线性误差有较大区别，因此，探头的线性误差要在加荷与卸荷2种情况下进行检验，都应满足线性误差要求。

探头的归零及重复性误差：探头的归零及重复性误差均影响探头的测试精度。其误差大小主要与传感器空心柱的材质、应变片及贴片质量的好坏等有关。2种误差均应小于1%，在检验时必须排除仪器本身的误差影响，一般可用线性好、归零及重复性误差小的探头先校核仪器，确认仪器正常后再去检验探头归零及重复性误差的大小。

探头的绝缘度：探头的绝缘度是指应变片电阻丝及外接引线与探头金属件间的绝缘电阻。新探头的绝缘电阻应大于500MΩ，探头使用后绝缘电阻衰减是允许的，但不能低于100MΩ。绝缘电阻过小将使零漂增大，严重时电桥不能平衡，测试工作无法进行。绝缘电阻的主要影响因素是探头的密封质量。密封效果不好，会使探头内部传感器受潮而降低其绝缘电阻。其次，受贴片胶、贴片、外接引线等质量好坏的影响，如贴片胶本身质量差，贴片时胶层太薄，引线本身绝缘不好等。

探头的密封质量：探头的密封质量是影响探头使用寿命的主要因素。笔者在探头的修理过程中发现，损坏的探头约有80%是由于探头密封质量不好造成的，尤其是双桥探头。在触探过程中，由于地下水有水头压力，当探头密封不好时，土中的水就会进入探头内部，使传感器受潮，严重时应变片被水浸泡，时间长了就会使传感器表面生锈，应变片与空心柱开始脱胶，致使传感器不能正常工作，探头报废 。

静力触探既是一种原位测试手段，也是一种勘探手段，它和常规的钻探——取样——室内试验等勘探程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等特点。此外，在采用桩基工程勘察中，静力触探能准确地确定桩端持力层等特征也是一般常规勘察手段所不能比拟的 。

静力触探主要适用于粘性土、粉性土、砂性土。就黄河下游各类水利工程、工业与民用建筑工程、公路桥梁工程而言，静力触探适用于地面以下50m内的各种土层，特别是对于地层情况变化较大的复杂场地及不易取得原状土的饱和砂土和高灵敏度的软粘土地层的勘察，更适合采用静力触探进行勘察 。

静力触探的基本原理就是用准静力（相对动力触探而言，没有或很少冲击荷载）将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的 。

静力触探是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测土的贯入阻力，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探加压方式有机械式、液压式和人力式三种。静力触探在现场进行试验，将静力触探所得比贯入阻力（Ps）与载荷试验、土工试验有关指标进行回归分析，可以得到适用于一定地区或一定土性的经验公式，可以通过静力触探所得的计算指标确定土的天然地基承载力。静力触探的贯入机理与建筑物地基强度和变形机理存在一定差异性，故不经常使用 。

静力触探定义和适用范围

将圆锥形探头按一定速率匀速压入土中量测其贯入阻力、锥头阻力及侧壁摩阻力的过程称为静力触探试验。

静力触探是工程地质勘察中的一项原位测试方法，可用于：

1．划分土层，判定土层类别，查明软硬夹层及土层在水平和垂直方向的均匀性；

2．评价地基土的工程特性、容许承载力、压缩性质、不排水抗剪强度、水平向固结系数、饱和砂土液化度、砂土密实度等；

3．探寻和确定桩基持力层，预估打入桩沉桩可能性和单桩承载力；

4．检验人工填土的密实度及地基加固效果。

本规程适用于粘质土和砂质土 。

静力触探引用标准

1．《静力触探仪》；

2．《土工仪器的基本参数及通用技术条件》第二篇原位测试仪器；

3．《岩土工程勘察规范》静力触探试验 。

静力触探成果应用很广，主要可归纳为以下几方面：划分土层；求取各土层工程性质指标；确定桩基参数。

1．划分土层及土类判别

根据静力触探资料划分土层应按以下步骤进行：

(1)将静力触探探头阻力与深度曲线分段。分段的依据是根据各种阻力大小和曲线形状进行综合分段。如阻力较小、摩阻比较大、超孔隙水压力大、曲线变化小的曲线段所代表的土层多为粘土层；而阻力大、摩阻比较小、超孔隙水压力很小、曲线呈急剧变化的锯齿状则为砂土。

(2)按临界深度等概念准确判定各土层界面深度。静力触探自地表匀速贯入过程中，锥头阻力逐渐增大(硬壳层影响除外)，到一定深度(临界深度)后才达到一较为恒定值，临界深度及曲线第一较为恒定值段为第一层；探头继续贯入到第二层附近时，探头阻力会受到上下土层的共同影响而发生变化，变大或变小，一般规律是位于曲线变化段的中间深度即为层面深度，第二层也有较为恒定值段，以下类推。

(3)经过上述两步骤后，再将每一层土的探头阻力等参数分别进行算术平均，其平均值可用来定土层名称，定土层(类)名称办法可依据各种经验图形进行。还可用多孔静力触探曲线求场地土层剖面。

2．求土层的工程性质指标

用静力触探法推求土的工程性质指标比室内试验方法可靠、经济，周期短，因此很受欢迎，应用很广。可以判断土的潮湿程度及重力密度、计算饱和土重力密度、计算土的抗剪强度参数、求取地基土基本承载力、用孔压触探求饱和土层固结系数及渗透系数等。

3．在桩基勘察中的应用

用静力触探可以确定桩端持力层及单桩承载力，这是由于静力触探机理与沉桩相似。双桥静力触探远比单桥静力触探精度高，在桩基勘察中应优先采用 。2100433B

第1章 多功能静力触探概述 1

1.1 静力触探技术研究的目的和意义 1

1.2 静力触探技术国内外研究现状 1

1.2.1 国外静力触探发展及研究现状 1

1.2.2 国内静力触探发展及研究现状 3

1.3 多功能静力触探相关技术的研究与发展 4

1.3.1 多功能探头技术的发展 4

1.3.2 多探管测井技术的应用 5

1.4 静力触探技术的发展趋势和方向 6

1.4.1 静力触探技术的发展趋势 6

1.4.2 我国静力触探技术的发展方向 7

参考文献 8

第2章 多功能静力触探技术 10

2.1 静力触探技术 10

2.1.1 静力触探技术原理 10

2.1.2 静力触探的地层划分 11

2.2 声波速度测井技术 13

2.2.1 声波速度测井原理 13

2.2.2 声波速度测井的地层划分 15

2.3 普通电阻率测井技术 17

2.3.1 普通电阻率测井原理 17

2.3.2 视电阻率 18

2.3.3 电阻率测井的地层划分 19

2.4 自然伽马能谱测井技术 20

2.4.1 自然伽马能谱测井基本理论 20

2.4.2 自然伽马能谱测井的地层划分 23

参考文献 24

第3章 多功能静力触探系统设计 25

3.1 多功能静力触探系统设计原则 25

3.2 多功能静力触探系统设计方案 25

3.3 多功能静力触探综合平台 26

3.3.1 钻探机构 26

3.3.2 静力触探机构 27

3.3.3 液压系统 27

3.4 多功能静力触探探管结构设计 27

3.5 多功能静力触探采集探管设计 30

3.5.1 孔隙压力静力触探探头 30

3.5.2 应变片电桥电路 31

3.5.3 声波测井探管 32

3.5.4 电阻率探管 33

3.5.5 自然伽马探管 33

3.5.6 温度采集模块 34

3.5.7 信号调理电路 35

3.6 系统通信总线 36

3.6.1 RS-485简介 36

3.6.2 RS-485总线通信方式 37

3.6.3 PC与RS-485总线连接 38

参考文献 38

第4章 多功能静力触探系统软件设计 39

4.1 虚拟仪器开发平台LabVIEW简介 39

4.2 程序设计流程 40

4.3 系统软件模块化设计思路 41

4.4 串口通信模块设计 42

4.5 数据采集和显示模块程序设计 45

4.6 数据存储和回放模块程序设计 47

4.7 系统程序测试 47

4.7.1 串口通信调试 47

4.7.2 程序模块调试 48

参考文献 50

第5章 多功能静力触探系统的标定及实验测试 51

5.1 CPTU传感器的静态标定 51

5.1.1 静态标定原理 51

5.1.2 锥尖阻力传感器和侧壁摩擦阻力传感器标定方法 53

5.1.3 孔隙水压力传感器标定方法 54

5.2 CPTU传感器静态性能 54

5.2.1 锥尖阻力传感器静态特性 54

5.2.2 侧壁摩擦阻力传感器静态特性 55

5.2.3 孔隙水压力传感器静态特性 56

5.3 伽马能谱探管的标定 57

5.3.1 相关元素的谱线 57

5.3.2 能量分辨率的测试 59

5.3.3 能量线性度的测试 59

5.3.4 峰位稳定性的测试 60

5.4 电阻率探管的标定 60

5.4.1 电极系测试单元标定的理论分析 60

5.4.2 电极系测试单元实验标定的方法 61

5.4.3 电极系测试单元标定实验结果分析 62

5.5 实验设备与实验场地选择 62

5.5.1 试验设备 62

5.5.2 场地特性和地层分布 63

5.6 多功能静力触探数据采集和分析 64

5.6.1 静力触探曲线分析 64

5.6.2 自然电位曲线分析 66

5.6.3 自然伽马曲线分析 67

5.6.4 声波时差曲线分析 68

5.7 测试结果分析与结论 69

参考文献 70

第6章 CPTU相关理论及土体分类 71

6.1 静力触探的贯入机理 71

6.2 静力触探的相关理论 72

6.2.1 承载力理论 72

6.2.2 孔穴扩张理论 73

6.2.3 应变路径法 74

6.3 孔隙压力静力触探初始超孔隙压力的分布 74

6.3.1 孔穴扩张理论计算式 74

6.3.2 用应力路径法估算初始超孔隙压力 76

6.3.3 用应变路径法估算初始超孔隙压力 76

6.3.4 水力压裂理论估算饱和土孔穴扩张产生的初始超孔隙压力 76

6.4 孔隙压力静力触探孔隙压力的消散 77

6.5 孔隙水压力静力触探的土体分类方法 78

6.5.1 CPTU数据的修正 78

6.5.2 国内CPTU分类方法 79

6.5.3 国外CPTU分类方法 81

6.5.4 几种土体分类法的特点 83

参考文献 84

第7章 静力触探贯入机理的有限元分析 85

7.1 有限元分析用于静力触探概述 85

7.2 静力触探贯入的有限元分析方法 86

7.2.1 显式非线性动态分析方法 86

7.2.2 探杆-土接触模型 87

7.2.3 自适应网格技术 88

7.2.4 土体的本构模型 89

7.3 有限元分析模型的建立 91

7.3.1 有限元模型参数设置 91

7.3.2 贯入过程的模拟方法 91

7.3.3 网格的划分 91

7.4 有限元计算的初始条件设置 92

7.4.1 锥头贯入过程网格变形 92

7.4.2 初始地应力的平衡 92

7.5 静力触探贯入有限元模拟分析 94

7.5.1 探头贯入时的土体应力状态 94

7.5.2 贯入产生的土体位移 96

7.5.3 贯入产生的土体塑性应变 98

7.6 模拟分析结论 100

参考文献 100

第8章 CPTU数据融合与地层划分 101

8.1 CPTU曲线的滑动滤波处理 101

8.1.1 滑动滤波原理 101

8.1.2 滑动滤波算法的改进 102

8.1.3 滑动滤波应用实例 103

8.2 CPTU曲线的*优分割 104

8.2.1 *优分割法的基本原理 105

8.2.2 *优分割自动分层的实例评价 106

8.3 CPTU测量数据的归一化 107

8.3.1 均方根归一化 107

8.3.2 极限值归一化 107

8.4 CPTU测量数据的融合 107

8.4.1 测量曲线的滤波因子 108

8.4.2 实对称矩阵的特征值与特征向量 108

8.5 CPTU曲线融合实例分析 109

8.5.1 实验过程概况 109

8.5.2 CPTU曲线融合 110

8.5.3 融合效果分析 112

参考文献 112

第9章 天然气水合物储层测井响应特征 113

9.1 海域天然气水合物测井响应特征 113

9.1.1 密度测井响应特征 113

9.1.2 声波测井响应特征 113

9.1.3 电阻率测井响应特征 115

9.1.4 中子孔隙度测井响应特征 115

9.1.5 伽马测井响应特征 116

9.1.6 井径测井响应特征 116

9.2 祁连山冻土区天然气水合物测井响应特征 117

9.2.1 祁连山冻土区地层概况 117

9.2.2 祁连山冻土区天然气水合物的蕴藏特点 118

9.2.3 祁连山冻土区天然气水合物科研钻孔测井数据采集 118

9.2.4 DK-1钻孔的天然气水合物测井响应特征 119

9.2.5 DK-3钻孔的天然气水合物测井响应特征 120

9.2.6 祁连山冻土区天然气水合物测井响应特征 121

9.3 天然气水合物测井响应的典型特征 121

9.4 天然气水合物储层测井评价 122

9.4.1 孔隙度评价 123

9.4.2 饱和度评价 123

参考文献 125

第10章 测井曲线的多尺度分析与检测 127

10.1 测井曲线的多尺度分析 127

10.2 小波基的选取 128

10.2.1 几种常用的小波基 128

10.2.2 小波基的选取的要求 131

10.3 基于小波变换的边缘检测 133

10.3.1 测井曲线奇异点与过零点及模极大值点的关联 133

10.3.2 测井曲线奇异点的小波变换模极大值判别 135

10.4 测井曲线的多尺度分析实例 136

10.4.1 测井曲线的小波去噪分析 137

10.4.2 测井曲线多尺度分层 138

参考文献 140

第11章 测井曲线融合的水合物储层划分 141

11.1 测井数据小波去噪预处理 141

11.1.1 基于小波分析的信号去噪原理 141

11.1.2 小波阈值去噪法对测井信号的处理 141

11.1.3 小波阈值的选取 142

11.1.4 小波阈值算法的改进 143

11.1.5 去噪效果的定量评价 143

11.1.6 测井曲线去噪实例分析 144

11.2 基于多尺度边缘检测的测井数据融合 145

11.2.1 基于小波多尺度边缘检测的融合算法 145

11.2.2 基于小波多尺度边缘检测的测井数据融合 146

11.2.3 实际测井资料应用效果与评价 148

11.3 测井数据融合的储层划分实例分析 149

11.3.1 祁连山冻土区天然气水合物钻探和测井作业 149

11.3.2 祁连山冻土区天然气水合物测井分析数据选取 150

11.3.3 测井数据融合算法的实现 151

11.3.4 融合效果分析与评价 152

参考文献 154

第12章 多功能探管用于浅层天然气勘探实验 155

12.1 多功能静力触探用于浅层气勘探 155

12.2 多功能静力触探用于浅层气勘探实验 156

12.2.1 实验场地及地层特点 156

12.2.2 多功能静力触探工艺的选择 157

12.2.3 试验过程分析 158

12.2.4 试验测试结果分析 158

12.3 测量曲线的小波分析与储层识别 159

12.3.1 qt曲线的多尺度分析 159

12.3.2 AC曲线的多尺度分析 161

参考文献 162

第13章 地基土的工程特性评价 163

13.1 黏性土的不排水抗剪强度 163

13.1.1 理论分析法 163

13.1.2 经验判断法 164

13.2 黏性土的灵敏度 166

13.3 黏性土的超固结比 168

13.3.1 不排水抗剪强度方法 168

13.3.2 静力触探数据剖面形状方法 169

13.3.3 直接依靠静力触探数据方法 169

13.4 砂土的相对密度 170

13.5 土的比贯入阻力 172

13.6 土的压缩与变形模量 173

13.6.1 黏性土 173

13.6.2 砂土 17 2100433B

《多功能静力触探原理及其工程应用》论述静力触探所涉及的相关理论和技术，进而引出多功能静力触探的相关概念。对多功能静力触探用于地层划分所涉及的土体力学参数、工程参数，以及静力触探的贯入机理、砂土液化判别、地基和单桩承载力的估算等进行详尽的介绍；对多功能多探管静力触探技术用于浅层天然气勘探所涉及的相关技术、工艺、静力触探和测井响应特点进行了探索。

静力触探试验野外现场作业简单、方便, 测试需时短, 可以缩短勘察工期, 进行土体岩性划分及确定土体力学参数效果良好。

与室内土工试验相比, 静力触探试验克服了特殊地层或薄层地层取原状试样的困难, 并且试验范围较大, 各类土体均能保持原状样, 比较客观地测试土层的工程特性, 为工程地质地基评价和设计基础型式的选取提供合理、科学依据 。