土體測試手段在巖土工程勘察中的現狀及發(fā)展

李凱宏

1 巖土工程勘察及原位測試概述

巖土工程勘察就是通過調查、測繪、勘探與試驗等方法獲得與工程建設有關的巖體、土體和水體的空間分布、變化規(guī)律及其物理力學參數等信息,以此評價、論證、檢驗場地的穩(wěn)定性、建筑的適宜性及環(huán)境的演化性,并提出設計施工的基本資料與原則建議。

土體原位測試一般是指在巖土工程勘察現場,在不擾動或基本不擾動土層的情況下對土層進行測試,以獲得所測土層的物理力學性質指標及劃分土層的一種土工勘測技術。它是一項自成體系的試驗科學,在巖土工程勘察中占有重要位置。這是因為它與鉆探、取樣、室內試驗的傳統(tǒng)方法比較起來,具有下列明顯優(yōu)點:

1)可在擬建工程場地進行測試,無需取樣,避免了因鉆探取樣所帶來的一系列困難和問題,如原狀樣擾動問題等。2)原位測試所涉及的土尺寸較室內試驗樣品要大得多,因而更能反映土的宏觀結構(如裂隙等)對土的性質的影響。

2 一般常見的巖土原位測試手段及適用范圍

1)載荷試驗:可用于測定承壓板下應力主要影響范圍內巖土的承載力和變形模量。2)靜力觸探試驗:適用于軟土、一般黏性土、粉土、砂土和含少量碎石的土,可根據工程需要采用單橋探頭、雙橋探頭或帶孔隙水壓力量測的單雙橋探頭,可測定貫入阻力、錐尖阻力、側壁阻力和貫入時的孔隙水壓力。3)圓錐動力觸探試驗:輕型圓錐動力觸探主要適用于淺部的填土、砂土、粉土、黏性土;重型圓錐動力觸探試驗主要適用于砂土、中密以下的碎石土、極軟巖;超重型圓錐動力觸探試驗主要適用于密實和很密的碎石土、軟巖、極軟巖。4)標準貫入試驗:適用于砂土、粉土和一般黏性土。5)十字板剪切試驗:可用于測定飽和軟黏性土的不排水抗剪強度和靈敏度。6)旁壓試驗:適用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、殘積土、極軟巖和軟巖。7)扁鏟側脹試驗:適用于軟土、一般黏性土、粉土、黃土和松散～中密的砂土。8)現場直接剪切試驗:可用于巖土體本身、巖土體沿軟弱結構面和巖體與其他材料接觸面的剪切試驗。9)波速測試:適用于測定各類巖土體的壓縮波、剪切波或瑞利波的波速。10)激振法測試:用于測定天然地基和人工地基的動力特性,為動力機器基礎設計提供地基剛度、阻尼比和參振質量。

3 現階段巖土工程勘察中常用原位測試手段及優(yōu)缺點

3.1 動力觸探試驗

動力觸探技術在國內外應用極為廣泛,是一種主要的土的原位測試技術,這是和它所具有的獨特優(yōu)點分不開的。其優(yōu)點是:設備簡單且堅固耐用;操作及測試方法容易;適應性廣,砂土、粉土、礫石土、軟巖、強風化巖石及黏性土均可;快速、經濟,能連續(xù)測試土層;有些動力觸探測試(如標準貫入),可同時取樣觀察描述。動力觸探試驗方法可以歸為兩大類,即圓錐動力觸探試驗和標準貫入試驗。

3.1.1 標準貫入試驗

巖土工程勘察中采用標準貫入試驗手段主要用以判定砂土、粉土、黏性土的物理狀態(tài),土的強度、變形參數、地基承載力、單樁承載力,砂土和粉土的液化,成樁的可能性等作出評價。現階段是野外鉆探常用的一種原位測試手段,但在鉆探過程中,通過標貫實測,發(fā)現真正傳輸給桿件系統(tǒng)的錘擊能量有很大差異,它受機具設備、鉆桿接頭的松緊、落錘方式、導向桿的摩擦、操作水平及其他偶然因素等支配,以及操作時的人為因素等造成勘察成果報告中提供地基土承載力時指標存在偏差。

3.1.2 圓錐動力觸探試驗

圓錐試驗和標準貫入試驗都屬動力觸探,圓錐動力觸探是利用一定的錘擊動能,將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中,根據打入土中的阻力大小判別土層的變化,對土層進行力學分層,并確定土層的物理學性質,對地基土作出工程地質評價。通常以打入土中一定距離所需的錘擊數來表示土的阻力。動力觸探按錘擊能量的大小不同可分為輕型、重型、超重型三種。輕型動力觸探的優(yōu)點是輕便,對于施工驗槽、填土勘察、查明局部軟弱土層、洞穴等分布,均有實用價值,重型動力觸探是應用最廣泛的一種,主要其規(guī)格與國際通用標準一致,超重型動力觸探的能量指數適用于碎石土。圓錐動力觸探試驗目前也是應用較多的一種原位測試手段,圓錐動力觸探的優(yōu)點是設備簡單、操作方便、工效較高、適應性廣,并具有連續(xù)貫入的特性。對難以取樣的砂土、粉土、碎石類土等,對靜力觸探難以貫入的土層,動力觸探是十分有效的勘探測試手段。圓錐動力觸探的缺點是不能采樣對土進行直接鑒別描述,試驗誤差較大,直觀性差。而且由于它和標準貫入試驗一樣均受錘擊能量、落距等的影響,使其指標在應用過程中受到影響,還存在觸探桿與土間的側摩阻力的影響,以及在黏性土中擊入的間歇使側摩阻力增大,對試驗成果都有影響。再有在操作過程中錘擊速度也影響試驗成果等,造成在勘察成果報告中提供地基土承載力時存在偏差。

3.2 靜力觸探試驗

靜力觸探(CPT)是將圓錐形的金屬探頭以靜力方式按一定的速率均勻壓入土中,量測其貫入阻力,借以間接判定土的物理力學性質的試驗。其優(yōu)點是可在現場快速、連續(xù)、較精確地直接測得土的貫入阻力指標,了解土層原始狀態(tài)的物理力學性質,兼有勘探與測試雙重作用;特別是對于不易取樣的飽和砂土、高靈敏的軟土層,以及土層豎向變化復雜而不能密集取樣或測試以查明土層性質變化的情況下,靜力觸探具有它獨特的優(yōu)點。缺點是不能取土直接觀察鑒別,測試深度不大(常小于50 m),對基巖和碎石類土層不適用。

4 原位測試手段的發(fā)展方向

根據現階段勘探中常采用的幾種原位測試手段來看,標準貫入試驗和圓錐動力觸探試驗由于受機具設備、人為因素的影響造成對指標產生偏差,技術人員在成果報告整理過程中考慮其影響因素采用指標時較為保守,很大程度上降低了地基土承載力,使地基基礎工程在造價上受到影響。

目前從所采用的勘察成果資料看,靜力觸探其指標精準度相對較高,與動力觸探試驗指標相比,動力觸探在測試時人為因素影響較靜力觸探大,在成果報告中采用靜力觸探指標提供的地基土承載力較動力觸探指標更切合實際,會更適用于設計,為建設單位減少投資,但目前受市場經濟影響,靜力觸探試驗現階段基本在中高層建筑以及有特殊要求的場地上采用,還未被廣泛應用于勘探中,我們建議在今后勘探中多采用靜力觸探手段,多層建筑中靜力觸探孔可以適當將其作為勘探孔(指在適用于靜力觸探測試時)。

波速測試是根據彈性波在巖土體內的傳播速度,間接測定巖土體的小應變條件下動彈性模量。在彈性波速測試中,為確定與波速有關的巖土參數,進行場地類別劃分,為場地地震反應分析和動力機器基礎進行動力分析提供地基土動力參數,目前試驗方法有跨孔法、單孔法和面波法。波速測試現階段也主要應用在中高層建筑場地中,多層建筑場地類別劃分也是估算,不能準確的反映場地類別,因為場地類別直接影響設計及建設成本,據調查資料顯示,Ⅱ類場地比Ⅲ類場地在工程造價上至少節(jié)約30%的成本。

載荷試驗在各種原位測試手段中是較為可靠的一種測試方法,載荷試驗的主要優(yōu)點是對地基土不產生擾動,利用其成果確定的地基承載力最可靠、最有代表性,可直接用于工程設計。其成果用于預估建筑物的沉降量效果也很好。因此,在對大型工程、重要建筑物的地基勘測中,載荷試驗一般是不可少的。由于勘察階段對于成本控制等因素考慮,采用載荷試驗手段的工程很少。

綜合以上分析,建議靜力觸探、波速測試、載荷試驗能在勘察工程中被廣泛應用,其手段能較準確提供地基土的性能,為建設工程節(jié)約成本。

5 結語

通過對巖土工程勘察中原位測試手段適用范圍的分析以及現階段主要采用的幾種手段存在的一些問題分析比較,目前部分原位測試手段在勘察工程中還未被廣泛應用,綜合考慮將來某些原位測試手段在勘察工程中能更好的應用,更準確的反映地基土的性能,使技術人員在資料編制過程中能準確的采用其指標,為建設工程節(jié)約成本。

[1]邱廣義,邱廣明.環(huán)境巖土工程研究的特色和發(fā)展展望[J].山西建筑,2009,35(5):93-94.

[2]GB 50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3]常士驃,張?zhí)K民.工程地質手冊[M].第 4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.