原位測試技術在工程地質勘察中的應用研究

摘要：工程地質勘察中的試驗有室內的土工試驗和現場的原位測試。通過現場的原位測試可以取得土和巖石的物理力學性質指標及地下水等性質指標，以供土木工程師設計時采用。本文主要講述幾種原位測試技術在工程地質勘察中的應用。

關鍵詞：工程地質；勘察；原位測試

1 概述

現場原位測試就是在巖土層原來所處的位置基本保持的天然結構、天然含水量以及天然應力狀態下，測定巖土的工程力學性質指標[1]。

原位測試的優點是可以測定難于取得不擾動樣的有關工程力學性質；可避免取樣過程中應力釋放的影響；影響范圍大，代表性強。而其缺點是各種原位測試都有其獨特的適用條件；有些理論往往建立在統計經驗的關系上等。

2 目前常用的幾種原位測試方法

目前常用原位測試方法主要有：靜力載荷試驗(CPT)；靜力觸探試驗(DPT)；標準貫入試驗(SPT)；十字板剪切試驗(VST)；地基土動力特性試驗(波速測試)等[2]。選擇哪種現場原位測試試驗方法應根據建筑類型、巖土條件、設計要求、地區經驗和測試方法的適用性等因素綜合選用。

2.1 靜力載荷試驗(CPT)

靜力載荷試驗指在擬建場地上，在挖至設計的基礎深度的平整坑底放置一定規格的方形或圓形承壓板，將上述裝置安裝好后，可開始試驗。在其上逐級加荷載，測定相應荷載作用下地基土的穩定沉降量，分析研究地基土的強度與變形特性，求得地基土容許承載力與變形模量等力學數據。

靜力載荷試驗的目的是確定地基土承載力特征值及土的變形模量。其適用條件為各種地基土，各種復合地基，各種基礎工程(主要是樁基礎—單樁，群樁)等。

試驗的過程為將試坑挖到基礎的持力層位置，用1～2cm中粗砂找平，放上承壓板；施加荷載試驗時，總加荷量約為設計荷載的2倍； 荷載按預估極限荷載的1/8～1/10分級施加，每級荷載穩定的標準為連續2小時內，每小時的沉降增量不大于0.1mm。試驗應做到破壞，破壞的標志是：承壓板周圍土有明顯的側向擠出，或同一級荷載下，24小時內沉降不穩，呈加速發展的趨勢。達到破壞時應停止加荷。靜力載荷試驗有以下一些應用成果：

(1) 確定地基土的承載力

由載荷試驗P-S曲線確定地基土承載力，可按P-S曲線的線型可分別采用拐點法、相對沉降法和極限荷載法等。

(2)確定地基土的變形模量E

(3)估算地基土的不排水抗剪強度Cu

(4)確定地基土基床反力系數Ks

2.2 靜力觸探試驗(DPT)

靜力觸探試驗指通過一定的機械裝置，將某種規格的金屬探頭用靜力壓人土層中，同時用傳感器或直接量測儀表測試土層對觸探頭的貫人阻力，以此來判斷、分析、確定地基土的物理力學性質。

靜力觸探試驗主要用于劃分土層、估算地基土的物理力學指標參數、評定地基土的承載力、估算單樁承載力及判定砂土地基的液化等級等。試驗適用于粘性土、粉土和砂土等。該試驗有以下一些要求及注意事項：

(1)率定探頭，求出地層阻力和儀表讀數之間的關系，以得到探頭率定系數，一般在室內進行。新探頭或使用一個月后的探頭都應及時進行率定。

(2)現場測試前應先平整場地，放平壓入主機，以便使探頭與地面垂直；下好地錨，以便固定壓入主機。

(3) 將電纜線穿入探桿，接通電路，調整好儀器。

(4) 邊貫入，邊測記，貫入速率控制在1～2cm/s。

根據試驗結果繪制比貫入阻力-深度關系曲線、錐尖阻力-深度關系曲線、側壁摩阻力-深度關系曲線和摩阻比-深度關系曲線。由靜力觸探成果可劃分土層界線、評定地基土的強度參數、評定土的變形參數、評定地基土的承載力、預估單樁承載力及判定飽和砂土和粉土的液化。

2.3 標準貫入試驗(SPT)

標準貫入試驗是動力觸探類型之一，其利用規定重量的穿心錘，從恒定高度上自由落下，將一定規格的探頭打人士中，根據打人的難易程度判別土的性質。所不同的是其觸探頭不是圓錐形探頭，而是標準規格的圓筒形探頭(由兩個半圓管合成的取土器)，稱為貫入器。

試驗主要是根據標準貫入擊數N，利用地區經驗，對砂土的密實度和粉土、粘性土的狀態、土的強度參數、變形模量、地基承載力等作出評價，并估算單樁極限承載力和判定沉樁可能性，判定飽和粉砂、砂質粉土的地震液化可能性及液化等級。試驗適用于砂土、粉土和一般粘性土，最適用于N=2～50擊的土層。

標準貫入試驗一般結合鉆孔進行，其優點是操作筒便，設備簡單，土層的適應性廣，而且通過貫入器可以采取擾動土樣，對它進行直接鑒別描述和有關的室內土工試驗，如取砂土做顆粒分析試驗。該試驗特別對鉆探中難以取樣的砂土和粉土的工程性質的評定具有獨特意義。該試驗有以下一些要求：

(1)試驗孔采用回轉鉆進，并保持孔內水位略高于地下水位。當孔壁不穩定時，可用泥漿護壁，鉆至試驗標高以上15cm 處，清除孔底殘土后再進行試驗；

(2) 采用自動脫鉤的自由落錘法進行錘擊，并減小導向桿與錘間的摩阻力，避免錘擊時的偏心和側向晃動，保持貫入器、探桿、導向桿聯接后的垂直度，錘擊速率應小于30 擊/min；

(3) 貫入器打入土中15cm 后，開始記錄每打入10cm 的錘擊數，累計打入30cm的錘擊數為標準貫入試驗錘擊數N。

試驗成果有標貫擊數N與深度的關系曲線、標貫孔工程地質柱狀剖面圖。成果應用由標貫成果可判定飽和砂土的地震液化可能性及液化等級以及評定砂土的密實度和相對密度等。

2.4十字板剪切試驗(VST)

將十字板頭壓入被測土層中，施加一定的扭轉力矩，將土體剪壞，測定土體對抵抗扭剪的最大力矩，通過換算得到土體的抗剪強度值。

試驗時，先將十字板壓入土中至測試的深度，然后由地面上的扭力裝置對鉆桿施加扭矩，使埋在土中的十字板扭轉，直至土體剪切破壞（破壞面為十字板旋轉所形成的圓柱面）。

(1) 十字板板頭形狀宜為矩形，徑高比1:2，板厚宜為2 3mm；

(2) 十字板頭插入鉆孔底的深度不應小于鉆孔或套管直徑的3～5倍；

(3) 十字板插入至試驗深度后，至少應靜止2～3min，方可開始試驗；

(4) 扭轉剪切速率宜采用(1度～2度)/10s，并應在測得峰值強度后繼續測記1min；

(5) 在峰值強度或穩定值測試完后，順扭轉方向連續轉動6 圈后，測定重塑土的不排水抗剪強度；

(6) 對開口鋼環十字板剪切儀，應修正軸桿與土間的摩阻力的影響。

2.5 波速測試

波速測試是測定土層的波速，依據彈性波在巖土體內的傳播速度間接測定巖土體在小應變條件下（10-4--10-6）動彈性模量和泊松比[3]。

適用于測定各類巖土體的壓縮波、剪切波或瑞利波的波速。根據任務要求可采用單孔法、跨孔法或面波法。波速測試的應用成果有以下幾個方面：

(1)確定土力學參數楊氏模量E、剪切模量G和泊松比 。

(2)判別建筑場地類別和巖基質量

根據Vsm值將場地劃分為堅硬場地土(Vs＞500m/s)、中硬場地 土(500≥Vsm＞250)、中軟場地土(250≥Vsm＞140)、軟弱場地土(Vsm≤ 140m/s)等四種類型。

巖土工程勘察規范GB50021－94規定，當Vsm>=350時為強風化巖，350>Vsm>=250為全風化巖，Vsm<350為殘軟土。

(3)估算場地卓越周期。

(4)判斷砂土液化。

3 結論

通過原位測試，我們可以測定難于取得不擾動樣的有關工程力學性質，并且可避免取樣過程中應力釋放的影響；其影響范圍很大，代表性比較強，在工程地質勘查中是一項十分重要的測試方法和手段，也能更客觀的反映土體工程性質，更好的為基坑工程勘察、設計服務。

參考文獻

[1]盧新帆.基坑工程設計與施工階段若干問題探討[D].浙江大學，2007

[2]徐宜和.基坑工程技術現狀分析[J].四川建筑科學研究，2005(06)

[3]趙洪勇，呂賓林，朱忠林.聲波測試法在鐵路路基測試中的應用[J].鐵道建筑，2005(12)