巖土工程地質勘察中的原位測試技術分析

施展

江蘇省地質礦產局第一地質大隊（江蘇南京地質工程勘察院） 江蘇 南京 210041

原位測試技術作為地質勘察中重要的技術手段，通過現場測試和實測數據的分析，能夠為工程設計和施工提供精確的地質參數和可靠的技術依據。本文針對巖土工程中常用的四種原位測試技術進行了詳細分析，包括平板載荷試驗、靜力觸探試驗、圓錐動力觸探試驗、波速試驗和標準貫入試驗。通過介紹這些測試技術的基本原理、操作方法、適用范圍和限制條件，可以更全面地了解這些技術的優缺點，為巖土工程地質勘察提供更好的技術支持和指導，從而提高工程質量和安全性。

1 平板載荷試驗

1.1 基本原理

平板載荷試驗的基本原理是利用荷載與沉降之間的關系來計算土體的力學性質。試驗時，在土體表面放置一個直徑為0.3m～1.5m的平板，通過加荷使平板在土體表面產生一定的沉降[1]。在荷載不變的情況下，記錄平板下沉的變形量，得到荷載-沉降曲線。通過對荷載-沉降曲線的分析和計算，可以得到土體的承載力、彈性模量、泊松比等重要參數。

1.2 操作方法

平板載荷試驗的操作方法包括平板放置、荷載施加、記錄沉降量等步驟。具體操作如下：

1.平板放置：在試驗區域內挖出一個試驗坑，然后將平板放置在土體表面上，通常平板直徑為0.3m～1.5m。為了保證試驗結果的準確性，平板表面應平整、光滑，并且與土體接觸良好。2.荷載施加：在平板上施加一定的荷載，可以使用壓路機、油壓機等設備。荷載應按照一定的程序逐步增加，直至達到試驗要求的最大荷載。同時，應記錄下荷載的大小和施加荷載的時間。3.記錄沉降量：在荷載達到最大值后，需要記錄平板下沉的變形量。通常使用沉降計或位移傳感器等設備進行測量。在測量時應注意避免外界干擾，并記錄下測量時間、測量點位置等信息。

1.3 適用范圍和限制條件

平板載荷試驗適用于軟土、半固態和砂質土等地質環境。由于該試驗需要施加大荷載，因此適用于需要確定土體承載力、彈性模量等參數的工程項目。同時，需要注意以下限制條件：

1.平板直徑：平板直徑的大小對試驗結果有一定的影響。如果平板直徑過小，會導致試驗結果不準確；如果平板直徑過大，則會增加試驗難度和成本。2.荷載施加速度：荷載施加速度應適中，過快的荷載施加速度會導致試驗數據的不準確性。3.試驗深度：平板載荷試驗通常適用于地表附近的土層，如果需要測試較深的土層，可能需要采用更加復雜的試驗方法。4.地下水位：地下水位對平板載荷試驗結果有一定的影響，因此需要對地下水位進行考慮和控制。5.試驗場地條件：平板載荷試驗需要較大的試驗場地，并且需要具備平整、堅實、無裂縫、無腐蝕等特點，以確保試驗結果的準確性和可靠性。6.荷載施加方式：荷載施加方式應選擇合適的方法，以確保荷載均勻施加在平板上，避免試驗結果的誤差[2]。

2 靜力觸探試驗

2.1 基本原理

靜力觸探試驗是基于卡鉗靜力學原理的一種地質勘探方法，利用觸探鉆桿在垂直向下施加靜載荷的作用下，記錄土壤或巖石的力學特性，進而推斷地層結構[2]。當鉆桿通過壓實土體時，土體會受到靜載荷的作用，同時產生軸向阻力和側向摩阻力。靜力觸探設備內部的卡鉗測力傳感器會實時記錄這些反作用力的大小和方向，并將其轉化為相應的數據。靜力觸探試驗可以通過記錄卡鉗的位置和相應的載荷數據，來評估土壤或巖石的強度、厚度、地下水位和地層的分界面等。

2.2 操作方法

靜力觸探試驗的操作方法包括推進、記錄、卸載三個步驟。在進行試驗前，需要先進行試驗區的劃定和標記。然后，將靜力觸探裝置插入到鉆孔中，并利用液壓馬達、電機等裝置進行推進。在鉆桿推進過程中，需要記錄下不同深度的鉆桿插入長度、插入鉆桿的靜力載荷、卡鉗的位置等數據。同時，還需測定鉆桿的豎直度、水平度等參數，以保證數據的準確性。當鉆桿達到預定深度或遇到鉆遇時，需要卸載靜力載荷，記錄下卡鉗的位置、插入深度和力學參數等數據。根據不同的需求和地質環境，還可以通過靜力觸探試驗設備的更換和組合，進行多參數、多層位的勘探[3]。

2.3 適用范圍和限制條件

靜力觸探試驗的適用范圍較廣，可用于軟土、黏土、砂土等多種類型的地質環境中。在土層承載力、層位厚度、土層分界面位置等方面，靜力觸探試驗均可提供較為準確的數據，因此在巖土工程勘探中得到廣泛應用。

然而，靜力觸探試驗也存在一些限制條件。首先是鉆桿粘滯問題。在進行試驗時，由于鉆桿表面沾有泥土或巖屑，會導致鉆桿下降受阻，從而影響實驗的準確性。此時需對鉆桿表面進行清洗，以確保試驗順利進行。其次是沉降量問題。在進行試驗時，若地基沉降較大，可能導致試驗中的鉆桿下降速度過慢或停滯不前，從而無法獲得準確的數據。此時需要采取相應措施，如增加鉆桿重量或減小試驗深度等，以確保試驗的可靠性。

3 動力觸探試驗

3.1 基本原理

動力觸探試驗利用沖擊波傳遞來判斷土層或巖石的力學性質。在測試中，鉆桿通過輕微的自由落體運動，帶動下部的沖擊頭向下沖擊地層，測量沖擊波的傳播時間和反彈系數，來判斷地層的承載能力、壓實度和土層類型等。當沖擊頭與地層接觸時，產生沖擊波，波將沿著鉆桿和土層的接觸面傳播，部分波能被反射回鉆桿內部，部分則繼續向下傳播，當波能消耗殆盡時，沖擊頭會反彈回來，波能再次傳遞至鉆桿內部。根據沖擊波的傳播時間、反彈系數等參數，結合經驗公式或現場試驗數據，可以判斷土層或巖石的力學性質。

3.2 操作方法

動力觸探試驗的操作流程包括設備組裝、基礎設施準備、現場實施、數據處理和分析等步驟。

1.設備組裝：動力觸探試驗主要設備包括沖擊器、探桿和數據記錄儀等。沖擊器通常由液壓或氣壓裝置、沖擊錘、回彈錘和聯錘等組成。探桿的長度和直徑應根據現場的具體情況和鉆孔深度進行選擇。數據記錄儀主要用于記錄和儲存沖擊次數、回彈次數和深度等數據。2.基礎設施準備：在進行動力觸探試驗之前，需要對基礎設施進行準備。首先需要對工作區域進行清理，以便于設備的組裝和試驗操作。其次需要對鉆孔進行開鑿和清理，以保證探桿能夠順利推進。3.現場實施：動力觸探試驗的實施需要多名技術人員配合完成。首先需要將探桿插入鉆孔中，并與沖擊器連接。然后，技術人員可以通過操作液壓或氣壓裝置，驅動沖擊錘對探桿進行沖擊。每次沖擊后，探桿會向下推進一定深度，同時產生回彈。沖擊次數和回彈次數是衡量土層或巖石力學性質的重要指標。4.數據處理和分析：動力觸探試驗數據可以通過數據記錄儀記錄和儲存。在實際操作中，數據處理和分析是至關重要的環節。首先需要將沖擊次數和回彈次數數據轉換為電子信號，并進行解碼和分析。然后，可以通過分析數據圖形、計算沖擊能量、確定相對密度、推算土層承載力等方法，對土層或巖石的力學性質進行判斷。

3.3 適用范圍和限制條件

動力觸探試驗適用于軟土、砂土、礫石、黏土等不同類型的土層或巖石，特別是在地基工程、橋梁工程、碼頭工程、機場工程等方面的土工勘察和設計中得到廣泛應用。與其他原位測試方法相比，動力觸探試驗具有操作簡便、測試速度快、數據處理方便等優點。 然而，在實際應用中，動力觸探試驗也存在一些限制條件。首先是探針長度的限制，通常不超過30米，因此對于深厚土層和巖石層的測試存在局限性。其次是對土層類型的適用性較弱，對于一些特殊土層如含水層、塑性土、砂土含水量較高的層等，其測試結果可能存在一定的誤差。此外，在測試過程中需要保證操作人員的技術水平和測試設備的質量，否則測試結果也可能出現偏差。因此，在實際工程中，需要綜合考慮各種因素，選擇合適的測試方法和技術手段[4]。

4 波速試驗

4.1 基本原理

波速測試適用于測定各類巖體的壓縮波、巖土體的剪切波的波速。波速測試成果計算巖土體小應變的動彈性模量、動剪切模量和動泊松比。

4.2 操作方法

波速試驗在鉆探孔中進行，土層測試剪切波，計算土層等效剪切波速度，判定場地土的類型和場地類別。巖層測試壓縮波，測定巖層聲波速度，并測定相應深度上的巖塊速度，計算巖體完整性指數。測試方法下面介紹一下單孔法的操作方法。

剪切波測試：工作時將懸掛式探頭(即震源和檢波器)放入孔中，用孔中的泥漿液作為震源和檢波器與井壁耦合介質。震源為水平激振(垂直井壁)激發產生P·S波沿井壁地層傳播，由兩個相距1m的檢波器接收沿井壁傳播的P·S波振動信號并把P·S波的振動信號轉換成電信號，通過電纜由主機記錄顯示存儲。

主機對信號進行數據處理后采用兩道互相關分析方法，自動計算S波在兩道檢波器間傳播的時間差，從而計算出兩道檢測波間的S波傳播速度。測試順序自下而上逐點進行，測點距離基本間隔1.0m。

壓縮波測試方法：工作時將一發雙收探頭(即一道信號發生器和兩道接收器)放入孔中，用孔中的泥漿液作為信號耦合介質。由信號發生器產生聲波，兩個相距0.4m的信號接收器接收沿井壁傳播的P波振動信號，并把P波的振動信號轉換成電信號，通過電纜由主機記錄顯示存儲。由P波在兩道接收器間傳播的時間差，計算出兩道檢測波間的P波傳播速度。測試順序自下而上逐點進行，測點深度基本間隔1.0m。

巖塊聲波測試：用一發一收兩個平面探頭置于巖塊兩端(側)，用黃油作耦合介質。由信號發生器產生聲波，信號接收器接收沿巖塊傳播的P波振動信號，并把P波的振動信號轉換成電信號，通過電纜由主機記錄顯示存儲。由P波在巖塊中傳播的時間和巖塊的長度(直徑)，計算出巖塊的P波傳播速度[5]。

4.3 適用范圍和限制條件

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，可根據任務要求，采用如上所述的單孔法，也可以采用跨孔法或面波法。利用鐵錘水平撞擊木板，使板與地面之間發生運動，產生豐富的剪切波，從而在鉆孔內不同高度處分別接收通過土層向下傳播的剪切波。這種豎向傳播的路徑接近于天然地層由基巖豎向上傳播的情況，因此對地層反應分析較為有用。限制條件除了巖土層巖性、裂隙、孔隙度、孔隙中充填物的影響、風化、破碎帶外，主要為鄰近場地工程建筑的聲源振動對其測試驗成果的干攏影響很大。

5 標準貫入試驗

5.1 基本原理

標準貫入試驗的基本原理是利用標準貫入錘作為貫入試驗設備，通過鉆桿向土層內連續敲擊，從而使鉆桿逐漸貫入土層中。在鉆桿下端與土層接觸時，由于土層內的阻力作用，貫入鉆桿的下端會產生下沉，并將這種阻力通過鉆桿傳遞到鉆桿頂部，稱為單位阻力或擊數。單位阻力是每擊鉆桿在土壤中所承受的阻力，而貫入鉆桿的下沉深度與單位阻力之間具有一定的函數關系。通過對這些數據的統計和分析，可以得出土層的物理力學性質。

標準貫入試驗的單位阻力與土層的物理力學性質有著密切的關系。一般來說，單位阻力越大，土層的抗壓強度越高。單位阻力還可以用來判斷土層的密實度和壓縮模量等物理力學性質。當土層的密實度較高時，單位阻力也會相應地增加，而壓縮模量也會相對較高。因此，標準貫入試驗在巖土工程勘察中被廣泛應用。

5.2 操作方法

標準貫入試驗的操作方法主要包括以下步驟：

準備工作：根據實際情況選擇合適的試驗地點，并按照要求安裝好試驗設備。

確定貫入點：根據試驗要求，確定鉆孔位置和孔深，并用砂漿或其他材料將鉆孔底部封閉。

安裝貫入試驗設備：安裝好貫入試驗設備，包括貫入鉆桿、貫入錘、導向頭和鉆桿扣環等。

進行貫入試驗：用貫入錘連續敲擊鉆桿，每擊一次測量鉆桿頂部的下沉深度，并記錄下貫入錘的下落高度。根據測量結果計算出單位阻力，并將結果記錄下來。

試驗結束：當貫入錘下落高度達到規定的值，或者貫入錘在連續的若干擊后無法再深入時，試驗結束。此時，可以根據記錄下來的測量數據計算出土壤的抗剪強度、密實度、壓縮模量等力學參數[6]。

5.3 適用范圍和限制條件

標準貫入試驗適用范圍較廣，可用于各種類型的土壤和巖石，包括砂、粘土、泥土、石灰巖、花崗巖等。同時，該試驗方法還可以用于評估土壤的壓縮性、穩定性和液化特性等重要性質，對于土工和巖土工程的設計和施工具有重要意義。

雖然標準貫入試驗具有廣泛的適用范圍和重要的應用價值，但是其在實際應用中仍存在一些限制條件。例如，在特殊地質條件下，如軟弱土層、淤泥、巖石等情況下，標準貫入試驗可能無法準確反映土壤的真實性質。

此外，標準貫入試驗的結果受到多種因素的影響，例如土層類型、土層濕度、鉆桿形狀和貫入速度等。因此，在進行試驗時需要充分考慮這些因素，并進行合理的校正和分析。同時，在進行標準貫入試驗時，應該保證試驗設備的豎直狀態，避免偏斜和擺動對試驗結果的影響。此外，在進行試驗前還應該對試驗設備進行充分的校準和檢查，確保試驗結果的準確性和可靠性。

6 結語

綜上所述，實際工程中，需要根據不同的地質環境和工程需求，選擇最合適的原位測試技術來獲取精確的地質參數和可靠的技術依據。同時，對于每種測試技術的操作方法和限制條件也需要充分了解，以保證測試結果的準確性和可靠性。本文的呀扭旨在提高人們對原位測試技術的認識和理解，為巖土工程地質勘察提供更好的技術支持和指導，也為巖土工程的設計和施工提供更可靠的技術支持。