近十几年来，我国经济建设高速发展，高速公路、铁路、桥梁及港口码头等大型交通基础设施建设日新月异，工程规模与建设水平处于国际空前水平。然而，工程建设中经常出现设计参数不可靠或不完全，施工过程中不断变更设计，沉降计算可靠性低，桥梁桩基设计随意性大等等问题，往往造成巨大经济损失或工程安全问题，影响正常营运。产生这些问题的主要原因是岩土参数确定与设计方法与实际不符合。由于岩土工程参数与复杂多变的自然条件密切联系，确定岩土工程参数与合理设计往往成为工程建设的难点，是保证工程质量、缩短工程周期、降低工程造价、提高工程经济效益和社会效益的关键技术之一。钻孔取样、室内试验会造成土样扰动，试验结果难以反映地基岩土的真实状况，原位测试技术是在天然位置对岩土工程性能进行测试的一种技术.它勿需取样，简便快捷，是准确获得土性参数的有效方法。因此，研究基于高精度现场原位测试理论与技术，建立基于原位测试的土木工程设计计算理论，是当前我国工程领域迫切需要解决的重要课题。　　 静力触探技术(Cone Penetration Test, CPT)是岩土工程原位测试的主要技术之一，具有快速便捷、不需取样、数据量大、测试可靠等优点，尤其适用于高速公路、铁路这种线形分布、范围宽广的大型工程。但目前，我国工程设计中，主要采用我国上世纪60年代开发的单桥或双桥CPT技术，近几十年来几乎没有发展，存在着功能单一、技术粗糙、测试精度低、稳定性差和应用面窄等问题，与发达国家广泛使用的现代数字式多功能孔压静力触探试验(Piezocone Penetration Test, CPTU)存在巨大差距。　　 本文即是在此背景下，针对目前国内CPT测试技术与国际通用CPTU技术在理论研究与应用上的巨大差距和工程设计中存在的困难，采用东南大学引进的现代多功能数字式CPTU测试系统，以高速公路工程与大型桥梁工程为依托，通过现场测试、理论研究与工程应用对比分析，对现代数字式多功能CPTU测试理论机理、工程设计应用方法等进行系统研究。主要研究内容与创新性成果如下：　　 (1)系统总结了国际静力触探技术的发展，比较了国内外CPT/CPTU技术应用情况和存在的差距，指出了存在的问题；全面回顾了国内外静力触探技术的工程应用研究成果，包括土的应力历史和初始应力状态、强度特性、变形特性和固结渗流特性评价方法和研究成果，明确了研究方向。　　 (2)在孔压静力触探(CPTU)贯入机理的基础上，研究了CPTU贯入过程中探头周围的孔压分布及其影响因素，采用三维数值模拟技术探索了CPTU探头的尺寸效应。采用孔穴扩张理论，基于修正剑桥粘土模型，推导了CPTU探头贯入过程中土体中超孔隙水压力的解析表达式，并利用现场试验数据证实了理论的合理性。分析表明：CPTU探头附近弹性区大应变解和小应变解的差异可以忽略，土的超固结比对扩张孔穴周围的应力和孔压以及消散影响显著；越大的圆锥横截面积得到越低的锥尖阻力，越大的摩擦筒表面积得到越低的侧壁摩阻力，锥尖角越大造成锥尖阻力越大，当锥尖角大于90°以后，锥尖阻力随着锥尖角的增长幅度变缓；土体中贯入速率对CPTU测试参数的影响是非常明显的，锥尖阻力随着贯入速率的的增加而减小，而超孔压随着贯入速率的增加而增加。　　 (3)研究得出了国际标准CPTU与中国CPT测试指标的对比关系。锥尖阻力qc是探头几何形状的函数，由于CPTU探头端部面积的不等，实测的锥尖阻力应进行孔压修正，以利成果的通用与解释。在划分土层、判别土类方面，多功能CPTU具有较高的分辨率。总结了典型粘土场地上国际标准10 cm2的CPTU探头和中国双桥15cm2的CPT探头试验结果，根据不同土类CPTU测试的锥尖阻力和侧摩阻力与CPT测试值的对比数据，得出不同土类的两者的转化关系，从实用角度可取qt= 1.03 qc， fs-CP TU= 1.05 fs- CP T。研究成果奠定了我国工程实际中应用10 cm2的国际标准CPTU探头基础，对推广应用国际标准的CPTU技术具有重要的意义。　　 (4)通过国内外CPT/CPTU的土质分类方法分析，结合典型成因的土类采用多功能CPTU土质划分方法进行比较研究，提出了基于聚类分析理论的CPTU土质分类方法，借助由多功能CPTU与钻探取样的平行试验资料证实了聚类分析理论的CPTU土质分类方法的有效性。现在国际流行的土分类图中以Robertson和Campanella(1986)方法最好，利用该图来划分土的类型，具有很好的准确率。利用归一化的多功能CPTU参数(Q和Bq)，将聚类分析的Single-cosine-zscore方法应用于土层分类，给出了土层划分的评价标准和流程图，该方法能够客观的划分土层剖面，描绘不同的层边界和过渡层，鉴别出透镜体和异常区，且不依赖于试验设备和操作程序等系统误差。　　 (5)基于多功能CPTU的理论分析和试验研究建立了多功能CPTU软土工程特性评价体系，主要包括土的应力历史及初始状态参数、强度特性、变形特性和固结渗流特性，确定了基于多功能CPTU的软土特性评价方法。对欠固结～轻微超固结海相粘土，可以采用多功能CPTU原位测试技术确定先期固结压力和超固结比，其中采用净锥尖阻力与先期固结压力的相关关系确定较为可靠：多功能CPTU预测的不排水抗剪强度离散性较小，而同一场地采用十字板测试的不排水抗剪强度沿深度离散性较大，特别是在相对的硬土层中，其不排水抗剪强度的差异较大；利用CPTU测试预测压缩模量，其相关系数很大程度上依赖于锥尖阻力的范围和土类，具有地区性；通过室内试验和多功能CPTU消散试验综合评价了海相粘土的固结和渗透特性，多功能CPTU消散试验确定的ch值在3.0×10-3-6.5×10-3cm2/s，通常比cy值高2-4倍，固结试验资料得到的kh值或ky值与推断的现场渗透系数值比较起来约小1-2个数量级。　　 (6)针对基于多功能CPTU预测高速公路地基沉降量的问题，通过室内固结试验、多功能CPTU原位测试计算和沉降实测资料反演得到的压缩模量进行了综合对比，提出了合理的软基沉降计算压缩模量和固结参数的确定方法。通过室内试验来预测沉降的精度很差，比最终沉降小很多，最大误差达到51％;利用修正锥尖阻力qc预测沉降的精度不高，其误差大于20％;利用修正锥尖阻力qt预测沉降的精度也不高，其误差大于10％;而净锥尖阻力qn预测沉降比较准确。通过现场多功能CPTU消散试验、室内试验与反演结果的对比发现：多功能CPTU消散试验可以较精确地评价软土固结参数，多功能CPTU解译方法预测沉降更接近于实际。　　 (7)在总结国内外基于CPT和多功能CPTU资料预测桩基承载力方法的基础上，基于静力触探的工作机理，探讨了基于地震波SCPTU的桩基反应分析方法。根据不同桩型的现场试验资料，对10种CPT方法和2种多功能CPTU方法进行了评价，并提出了基于有效锥尖阻力的多功能CPTU桩基预测方法。选择典型管桩和灌注桩场地多功能CPTU试验资料，研究了管桩和灌注桩单桩承载力的预测计算方法，并与静载荷和高应变试验资料进行比较，提出了基于多功能CPTU的灌注桩承载力预测的折线法。给出了采用多功能CPTU测试参数如何进行桩基工程设计的步骤，建立了采用多功能CPTU测试参数如何进行桩基工程的设计的流程图。结合南京长江四桥大型桥梁桩基工程的多功能CPTU试验，采用三种多功能CPTU评价方法进行了大直径钻孔灌注桩的设计计算。　　 (8)基于地震波孔压静力触探(SCPTU)试验测试原理和方法的分析，研究了无粘性土基本工程特性和动力参数的SCPTU评价方法。系统分析了地震波CPTU和下孔法(DHT)剪切波速测试资料，建立了土体动力参数与SCPTU测试资料之间的相关关系；综合比较了对国内外不同砂土液化判别方法，基于唐山及周边地区SCPTU试验资料，进行了地震后液化场地与非液化场地的评价研究，提出了基于SCPTU进行砂土液，化判别的程序和方法。现有的Robertson法和Olsen法可以用来预测砂土的液化阻力，且Robertson法在进行砂土液化评价时比Olsen法稍微精确一些。采用SCPTU液化概率的方法对唐山地震后液化与非液化场地进行了评价。结果表明：对预测液化发生时成功率为100％，在预测非液化发生时的成功率为83％，在全部数据分析点预测的成功率为90％。　　 (9)总结了土电阻率的影响因素与测试方法，重点论述了电阻率CPTU探头的测.试原理。采用多功能电阻率CPTU在典型的海相粘土和长江河漫滩相粘土场地进行试验，对电阻率CPTU所测电阻率与土性变化、探头参数及土的其他特性指标进行了对比分析；基于电阻率CPTU在污染场地土评价中的应用原理，以某垃圾填埋场为实例分析了电阻率CPTU测试技术在污染场地评价中的应用。对连云港海相粘土矿物成分、离子含量、胶结特性等成因特性，进行了室内物理化学分析试验，研究了其矿物成分、沉积化学特征，分析了该海相软粘土的电阻率指标与矿物成分、离子含量、胶结特性和氧化环境间的关系。电阻率的大小可以反映出土中粘土矿物含量的高低，粘土矿物含量与电阻率呈明显的指数衰减形式。