最近三十年岩土原位测试技术新进展

2021-08-19王云南郑建国刘争宏于永堂门青波

岩土工程技术 2021年4期

王云南张龙郑建国刘争宏于永堂门青波

（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

岩土原位测试相比室内试验具有免取样、扰动少的特点，最大限度保持了岩土参数的客观性。经过多年发展，岩土原位测试方法从机械式到电测技术与信息化相结合，再到向智能化转变，变得越来越便捷、高效，在岩土工程领域的影响程度逐步加深。我国海外工程逐渐增多，国际工程更加重视原位测试成果，而国内诸如川藏铁路等重大、复杂的工程，也需要先进的、适合的原位测试手段解决工程中面临的问题。但由于对岩土原位测试技术的最新进展没有充分掌握，目前国内多数勘察企业运用的现场勘探手段仍停留在20世纪末的水平，无法满足当前工程的需求。

因此，根据上述实际情况，本文在郑建国发表的《岩土原位测试技术的现状与发展》（地基处理，1993年，第4 卷，第1 期）一文基础上，通过查阅国内外权威文献，从变形特性试验、抗剪强度试验、渗透试验、触探试验等几个方面概述了岩土原位测试技术的新进展，为企业认知最新的原位测试技术，运用或研发满足工程需要的原位测试方法提供帮助。

1 变形特性试验

变形特性试验是在外界荷载作用下测求岩土的变形，得出岩土的应力–应变关系曲线，据此分析岩土的变形特性。试验包括载荷试验、旁压试验和扁铲侧胀试验等。

1.1 载荷试验

载荷试验从20世纪30年代起就已成为地基原位测试的一种手段。近年载荷试验有了新进展：长春工程学院研制出了深层平板载荷试验装置SP-1，测深达100 m，可消除测深对位移、传力柱和孔壁摩擦对荷载测量值的影响，同时实现了自动显示、储存和打印功能[1−3]。还有学者研制了一种不受场地限制的简易型平板载荷试验装置，该装置利用试验点周围土体作为配重的反力，实现了在交通不便地区开展测试[4]。欧美发达国家载荷试验实现了无线数据传输技术，具有试验绝对可控、运行高效的特点，操作人员无需置身高危环境进行近距离操作。韩国海洋大学（2014）[4]研制了一种小型螺旋板载荷试验仪，将传统的螺旋板尺寸由160 mm 减小至75 mm，可以直接在钻孔中进行载荷试验，同时采用液压代替气缸装置，减轻了试验仪器的重量。

但总体上，平板载荷试验存在操作相对繁琐、仪器笨重和试验成本较高的缺点。

1.2 旁压试验

旁压仪起源于20世纪30年代，包括预钻式、自钻式和压入式三种。其中压入式对土体的挤压效应明显，很少使用。

预钻式旁压仪以法国梅纳旁压仪为代表，经过几十年的发展，产品实现了自动化功能（法国Apageo公司生产的Geospad2 梅纳旁压仪、GeoPAC 自动控制梅纳旁压仪等），包括数据的自动采集、试验按设定步骤自动执行、自主的弹性膜约束力和综合变形的校正等技术。

自钻式旁压仪是将钻孔、旁压器设备、定位、试验一次性完成，具有对孔壁土体扰动程度小的特点，以20世纪70年代的法国道桥式（PAF）和英国剑桥式（Camkometer）旁压仪为代表，经过了数代产品更新，目前已经实现数字化和自动化，操作灵活、精度较高，而且获得的参数不需要经验校正。

此外，旁压仪的应用范围也拓展到了隧道岩体中，以20世纪90年代日本和美国联合开发了超高压旁压仪为代表，深度可达1 km，压力超过100 MPa[5]。

多功能旁压仪方面：法国第三代道桥式旁压仪（PAF-76 型）探头可以调换成其他功能装置（如剪切仪、渗透仪和摩擦仪等），达到了一孔多用的目的[6]。20世纪90年代末，徐光黎、前田良刀等开发了原位剪切联合旁压试验仪，能同时测出抗剪强度、变形模量等力学参数，后改进成自钻式原位剪切旁压仪。

旁压试验应用广泛，但经过了几十年的发展，依然没有改变横向加载的特征，对于具有各向异性的土体，不能获取全面的土体参数。

1.3 扁铲侧胀试验

扁铲侧胀试验由意大利人Silvano Marchetti 于1980年发明的一种原位测试方法。扁铲侧胀试验最大的特点之一就是能够提供土体的应力历史信息，基于此，对于处于超固结或欠固结状态土体的压缩模量的估算都能够很好地将应力历史的影响考虑进去[7]。

目前市场上主流的扁铲侧胀设备包括两种：标准扁铲侧胀仪（DMT）和地震扁铲侧胀仪（SDMT）[8]，其中地震扁铲侧胀仪除了常规的测试指标外，还能够提供场地的地震剪切波速Vs。该试验具有操作简便、连续测试、扰动小、成本低、重复性好等优点，可用静探贯入设备或钻机将扁铲直接压入土中，广泛应用于欧美发达国家，并编入欧洲的Eurocode7、美国的ASTM(2002)等规范中。我国于1988年引入该技术，21世纪初在上海地区进行了大量研究，积累了不排水抗剪强度指标、固结系数等经验，并编入当地规范[9−10]。黄土地区也有应用，但效果不理想[11−12]。

扁铲侧胀试验的局限性和旁压试验类似，即土体受力方向与实际土体受荷载方向不一致，而且试验成果都是基于统计分析和经验公式，成果存在地域属性。

2 抗剪强度试验

原位抗剪强度试验是在现场通过仪器对土体进行剪切，从而获取土体的抗剪强度参数。主要包括原位剪切试验、十字板剪切试验和钻孔剪切试验，其中钻孔剪切试验的最新研究成果相对丰富，其余两项进展缓慢。

2.1 原位剪切试验

原位剪切试验分为直剪试验和水平推剪试验。近些年，各大高校和科研单位相继研制出了一系列改进的直剪、推剪仪器[13−15]。目前的原位直剪试验实现了计算机控制，包括数据自动采集和储存，并且试验精度较高（位移精度0.01 mm，荷载精度0.02 kN），避免了人工操作带来的误差[16]。但原位剪切试验只能对浅表层的土体进行试验，而且仪器笨重、不便携带，试验造价也较高，仅科研高校应用相对较多。

2.2 十字板剪切试验

十字板剪切试验是1928年由瑞士的John Olsson 提出，目前市场上主要分为机械式、电测式和电动式。国内学者结合实际工程项目，利用机械式和电测式两种十字板剪切试验求算地基承载力、围堤稳定、软黏土的灵敏度及固结历史等地基参数，提出了两种十字板剪切试验在该地区十字板剪切试验指标综合应用的相应关系式。荷兰的GVT-100 电动式十字板剪切仪实现了测试过程和数据采集全部由专门软件控制，旋转速度可以自定义，测试精度也有所提高。已有学者专家对十字板试验测试的设备进行数字化、智能化创新，以期实现十字板剪切试验的信息化。

但十字板剪切试验仅适用于软土地区，而且由于土的黏结性，十字板在剪切时的破坏面比十字板直径要大，导致测得的强度参数存在偏差，应用时需进行修正[17−21]。以上问题是十字板剪切试验的局限性，也是十字板剪切试验未来研究中需要突破的关键点。

2.3 钻孔剪切试验

钻孔剪切试验由Handy[22]1967年首次提出，目前主要有美国的Iowa 钻孔剪切试验仪和法国的Phicometer 钻孔剪切试验仪，其中Iowa 钻孔剪切试验仪实现了力的施加、数据采集和循环加载的自动化控制[23−24]。

Handy 等（1976）[25]研发了一套岩石钻孔剪切仪，贾志欣等（2013）[26]在岩石钻孔剪切仪的基础上，开发了岩体钻孔弹性模量测试系统，实现了同步获取岩体力学和变形参数。西南交通大学（2018）[27]也针对我国钻孔的大孔径特征，自主研发了一套钻孔剪切设备，并成功应用在实际工程中。机械工业勘察设计研究院有限公司（2016）[28−29]通过改进试验设备，在黄土地区的测试深度达到22.8 m，并通过对试验结果的统计分析发现：与室内三轴试验和直剪试验相比，该试验的测试结果表现出了c值降低、φ值增高的特征。

目前钻孔剪切试验还存在诸多难点，包括如何规避剪切板嵌入岩土体过程中对试验结果的影响；计算公式中，试验的剪切面积等于剪切板面积是否合理；获取的抗剪强度参数如何合理使用等。

3 渗透试验

岩土原位渗透试验分为抽水试验、注水试验和压水试验三类，其中压水试验是测定岩石渗透性最常用的一种试验方法，抽水试验一般用于解决水文地质参数问题，土工界应用较多的是注水试验。

但目前广泛应用的原位渗透试验，普遍存在工作量较大、时间长、成本高的特点，如钻孔注水试验、钻孔抽水试验；或者仅能获取浅表层土体的渗透参数，如试坑注水（渗水）试验。针对上述问题，浙江大学岩土工程研究所联合荷兰IFCO 公司（2005）[30]引进了瑞典工程师Bengt-Arne Torstensson 的BAT 系统[31]，并加以改进研制成IFCO BAT 渗透系数测试系统，该系统测试简单，耗时短，结果可靠，但仅适用于饱和软土地区。

总体上，原位渗透试验进展较缓慢，实际工程应用中主要还是延用过去的试验方法和设备。

4 触探试验

触探试验是在外力的作用下，使一定规格的锥头贯入土中，测出土的贯入阻力，以此确定土的物理力学性质[32]。主要包括静力触探试验、标准贯入试验和圆锥动力触探试验。

4.1 静力触探试验

静力触探试验起源于20世纪30年代的荷兰，历经了机械式（1932−1948年）、电测式（1948−1970年）、电子式（1970−1985年）和数字式（1985年至今）等四代的发展，其中19世纪60年代（电测静力触探）和19世纪80年代（孔压静力触探CPTU）是两个标志性阶段。时至今日，已经形成了一系列成熟的技术产品（探头），包括国际研究机构和专业的原位测试仪器开发公司研制了用于CPTU 的多功能、数字化的新型传感器，见表1[33−34]。静力触探技术目前在地震灾害风险评估、工业污染场地环境评价与海洋工程勘察等领域有广泛的应用。

表1 CPT/CPTU 测试技术列表

当前的静力触探贯入设备也实现了集成化和自动化，如履带式静力触探、全地形静力触探车、集装箱贯入式、全自动式连续静力触探设备和车载式CPTU 系统等相继出现，可以实现工作一天触探深度达300 m 左右，并自动记录、打印和处理成果。部分设备可进行无线操作，如瑞典的Geotech AB 公司生产的Cpt-Nova Acoustic。

但影响静力触探结果的因素很多，要建立一个把所有因素都考虑在内的理论公式是很难实现的，所以，静力触探目前依然只是一种经验方法。

4.2 标准贯入试验

标贯试验起源于1902年。由于标准贯入试验无法像静力触探一样得到类似于贯入阻力等定量化的指标，为此，国内外开展了一系列标贯试验的定量化研究，如在钻杆中安装加速度传感器和测力计进行动力测量，进而通过计算得到锤击能量，通过能量值完成对土体力学效应分析[44−46]。通过锤击能量也能将国内外标贯成果互相转化，为开展国际项目提供有利条件。这方面研究以南京大学[47]和美国PDI 公司研发的设备为代表，均取得了一定的研究成果。

目前，对标贯试验的质量控制也是重点研究方向之一，包括实时监测标贯试验过程并自动记录试验的测试深度、锤击数、每一锤的贯人度、钻杆所承受的每一锤冲击力等，并且可以计算出各锤的能量传递率[48]。

4.3 圆锥动力触探试验

圆锥动力触探起源于20世纪50年代，由于标贯试验对碎石类土不适用，英国帕尔曼（Palmar）和司度特（Stuart）提出用60°圆锥头替代标贯管靴，自此，圆锥动力触探登上历史舞台。

目前圆锥动力触探设备实现了多方面的技术升级，具备了取土样、远程操控、数据自动采集、分析和处理等功能，典型代表为法国Apageo 公司的APAFOR®50 和APAFOR100 动力触探仪。

针对动力触探进行倾斜平面探测，国内外进行了研究，如法国Sol-solution 公司的轻型可变能量动力触探仪（PANDA 2 型号，总重21 kg）[49−50]，可进行水平和倾斜方向的勘探。国内北京市勘察设计研究院有限公司（2015）[51]也构想了利用动力做功代替重力，并提出了锤击修正公式，为动力触探应用在非水平探测面（如暗挖隧道的掌子面、垃圾堆积体、高填方和边坡的坡面等）提供了理论基础。

但截至目前，动力触探成果依然比较粗糙，属于经验性总结，缺乏定量数据的支持。