原位测试在岩土工程地质勘察中的应用探析

薛文彬 （安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年来，随着我国在岩土工程领域的快速发展，原位测试技术也逐渐成为了业内的焦点。不同于室内土工试验，原位测试主要是在野外地区开展现场测试。由于现场测试对岩土体的扰动较小，往往能够较为准确地获取岩土体在天然状态下的各项物理力学参数。基于此，本文深入探讨了原位测试在岩土工程测试领域的应用，具体思路为首先分析了原位测试技术的特征及其常见的测试方法，其次针对相应的测试方法分析了其适用条件及结果应用，随后通过具体的案例分析重点研究了波速测试技术在岩土工程地质勘探领域的应用。通过开展上述研究以期为相关原位测试试验提供理论依据和技术支撑。

2 原位测试技术特征

作为岩土工程勘察的常见测试手段，原位试验往往在不影响岩土体赋存状态的情况下便可实现对岩土体各项参数的测定。相较于室内试验，原位试验具有如下特点[1-3]：首先，原位测试能够避免如室内测试采样带来的岩土体扰动，因此，能够更为真实合理地反映岩土体的力学及变形参数；其次，原位测试的岩土体样本较室内实验更为广泛，室内实验一般仅对场地局部进行取样，较难确保试样能够代表该区域岩土体，而原位测试往往所需的样本较大，能够更为合理地确定所测区域岩土体的性能指标参数；再者，室内实验一般无法实现类似于现场测试的连续性试验，相应地也就较难实现对工程场地岩土体的完整刻画；此外，随着我国科技技术的快速发展，目前已出现了类似于静力触探车等高级现场测试手段。综上所述，尽管原位测试能够更为合理描述工程场地实地岩土体的真实物理参数，但是部分指标参数很难通过单一的现场测试手段测试得到，与此同时，原位试验相较于室内试验具有更高的测试成本，因此这也给现场测试技术提出了新的挑战。

3 常见的原位测试方法及类型

3.1 常见的原位测试技术分类

实际工程中常见的原位测试技术大致可分为剖面测试法和专门测试法两种。对于剖面测试法而言，其主要是针对需要连续测试的场地所开展，具体包含静力触探试验、圆锥动力触探试验、地层剖面测试法等。此类方法通常较为简单快捷，但测试精度较差；对于专门测试法而言，通常是针对关键工程位置开展的专门测试，具体包括旁压原位测试、荷载测试等。此类方法所测岩土体工程指标参数准确性高，部分参数可直接作为设计指标参数进行参考，但相应的测试成本也较大。

上述两类原位测试类型均能对场地岩土体的工程参数进行测定，但适用范围、测试精度以及测试方法均有所差别。为了更好地获取工程场地的岩土体工程参数，在实际原位测试中需适当协调两种测试方法，使其能够充分发挥各自在原位测试试验中的优点。

3.2 常见的原位测试技术简介

通常岩土工程地质勘察中所采用的原位测试方法主要包含标准贯入试验、荷载试验、十字板剪切试验、静、圆锥动力触探试验以及波速测试等[4-5]，以下针对上述这6种常见的原位测试技术及其适用条件进行论述。

标准贯入试验是采用规定质量的重锤（63.5 kg）从76 cm高度处自由下落将标准贯入器击打至岩土体中，以贯入器贯入深度为判断指标，即可获得不同岩土体在相同贯入深度时所需的锤击次数。一般而言，标准贯入试验常用于土类及风化岩石强度的测定。对于黏土而言，标准贯入试验的结果可用于确定黏土体所处状态以及其无侧限条件下的抗压强度；对于砂质土而言，可用于判断砂土的密实程度以及液化可能性及液化等级；对于风化岩石来说，可用于判断岩石风化等级。

荷载试验通常又可细分为浅层平板荷载、深层平板荷载和螺旋板荷载三种形式。对于浅层平板荷载来说，其是通过给一定尺寸的承压板上逐渐加载，测定加载过程中地基土体的受力及变形特征，通常用于浅层地基且地基材料为土体（埋深小于3.0 m）的情况下，即浅层平板载荷试验适用于浅层地基土；深层平板类似于浅层平板加载试验，不同之处在于上方加载深度（试验深度不小于5.0m），其一般是用于较深层地基土体和大直径桩的桩端土的受力及变形测定且地基材料以软岩或风化岩石为主。浅层平板试验与深层平板的本质区别并不是试验的深度，而是试验压板的周围有没有边载，也就是试验的条件是在半无限体表面还是内部，是用Boussinisq解还是Mindlin解计算变形模量。螺旋板荷载与前述两种类似，不同之处在于承压板的结构形式为螺旋形，一般适用于深层地基土体（埋深范围为10-15 m）或地下水位以下岩土体力学参数的测定。

十字板剪切试验是将标准的十字板探头插入待测岩土体中，随后通过旋转测定岩土体破坏时的力矩从而来确定土体的强度指标。其主要应用于软土地区（深度不超过30 m）土体的强度指标测定，同时也可用于地基加固强度的检验。由于其特殊的结构组成，当地层中存在厚砂层、砾石层以及未分解的腐植物时，十字板剪切试验将不再适用。值得一提的是，由于十字板剪切试验中对地层的贯入装置同静力触探试验的设备通用，在软土地区进行原位测试时，可联合使用以提高工程地质勘探的效率。

静力触探测试是通过静力将监测探头按一定速率压入待测岩土体中，进而利用探头位置处的压力传感装置将下穿土层时的阻力转化为数字信号传出。通常静力触探试验适用于地层强度不高的区域，例如软土、黏土、砂土等。在获得触探曲线后，可用于对地层的划分、土体类别的判断、地层承载力以及变形模量的确定等等。

圆锥动力触探试验与标准贯入试验类似，也是通过将标准落锤从指定高度自由下落击打标准探头进入土体，以贯入击数或动贯入阻力作为判断依据，其主要由动力设备和贯入系统两部分组成。根据不同应用范围，圆锥动力触探试验可细分为轻型、重型以及超重型三类，其分别针对土层、含砂砾地层以及强度较大的软岩地层。在获得试验结果后其可用于对地层进行划分，判断土体性状、确定桩体承载力等多重指标的确定。

波速测试法是通过利用锤击、爆炸等形式作为激发震源，采用相应的波信号采集系统进行收集并分析，从而确定工程场地岩土体的物理力学参数等。波速测试主要分为面波法、单孔法、跨孔法三种形式。考虑到后文中工程案例部分采用的是单孔法，后文中提及的波速测试法均指的是单孔法。由于波速测试法是通过接受波的形式进行测试，岩土体由于结构及组分的影响当波穿过时常常会表现出明显的时间差异，因此，波速测试法适用于不同岩土体地层。在获取岩土体波速后可判定场地岩土体的物理力学参数、地基承载力以及地基震陷或液化的可能性。表1简要给出了上述常见原位测试方法的适用条件及结果应用，在实际原位测试过程中，应紧密结合工程场地条件、当地地质及水文条件、原位测试方法的适用性以及场地基础设计要求等，从原位测试设备、经济成本、试验条件等多方面入手，从而比选出最为合适的原位测试方法。在通过原位测试获得结果后也应同其他原位测试手段获得结果或室内试验结果进行对比分析，以期更好地指导工程设计和建设。

常见原位测试方法的适用条件及结果应用 表1

4 原位测试技术在工程勘查中的应用

4.1 工程案例

在某工业园区施工中，拟建高层建筑框架结构共计19层，设计中单桩承载力的极限值为1000 kN。其场地特点如下：工程场地为居民用地，地形平缓。为确定场地内岩土体的力学及变形指标，经合理确定勘察深度后将地层岩土体大致分为4层。场地的水文地质为地下水丰富、水位较高且地层多为弱透水层。

4.2 波速测试技术的应用

为了更为合理地确定上述工程场地的地基土体的动力特征，本文选用波速测试技术对拟建场地的地层开展了相应的研究。图1给出了本工程选用的单孔剪切波原位的示意图，其大致由激振系统、信号结构系统以及信号处理系统三部分组成。考虑到WZG工程地震仪具备良好的信号自动增益、采集以及图形显示等集成技术，本工程采用SWS-6工程地震仪作为了本工程的振源设备，其实物图及工作原理图如图2所示。钻孔时需保持井孔垂直，并且采用泥浆护壁或下套管的形式对孔壁进行保护。

图1 单孔剪切波测试示意图

图2 WZG工程地震仪及其工作原理

在开始检测前，将激振板放置在距钻孔口较近的位置处（1.0m），同时为使激振板能产生足够的振动荷载，在激振板上放置了质量大于400 kg的重物。随后检查三分量检波器各通道的一致性和绝缘性，确保其能正常工作。测试进行时，根据该工程特定及所处的地质分层条件，每隔1.0m布设一个测点，并从下而上按要求进行测试。此外，为使底层也产生相应的剪切波，在测试时还须敲击激振板两侧。测试工作结束后为防止测试结果出现较大误差，对部分已测测点重新观测。最后对测试结果进行处理，该部分操作较为简单，仅需将所测数据导入到相应的分析软件中便可得到相应的数据。值得注意的是，若遇到干扰影响较大的情况时需对信号进行数字滤波，从而确保试验结果的准确度，当干扰影响较小时，便可根据信号特征，确定波第一次到达时的时间。

在该岩土工程勘察时，该工程场地地层可分为四层，如图3所示。为确定该场地土类型，通过钻孔以及测定地层波速，结果如表2所示，通过对6个钻孔测定的土层等效剪切波速整理可得该场地平均剪切波速为251.5m/s。《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）中指出工程场地一般可分为4层，即坚硬土或岩石、中硬、中软以及软弱土地层，其对应的剪切波波速范围为vs＞500m/s，250m/s＜vs≤500m/s,140m/s＜vs≤250 m/s和vs≤140m/s。通过对照《建筑抗震设计规范》的不同工程场地剪切波范围可确定该场地的类型为中软～中硬场地，因此施工中一般不会产生震陷或粉土液化现象。

图3 工程场地地质剖面示意图

工程场地实测土层的剪切波速 表2

5 结论

本文从原位测试的特点出发，分别论述了当前常见的原位测试技术及其适用条件，为进一步地深入了解波速测试在岩土工程勘察领域的应用，结合工程实例对某一场地开展了相应的波速测试。总结上述研究工作可以看出，原位测试技术能够在不破坏工程场地力学特性的基础上完成对试样的指标的测试，此外，能够不存在取样造成试样的应力释放问题。总的来说，原位试验能够从工程实际出发，较为合理地实现工程场地的岩土体的测试及勘察要求，值得在岩土勘察领域大力推广。