岩土工程地质勘察中的原位测试技术分析

施展

江苏省地质矿产局第一地质大队（江苏南京地质工程勘察院） 江苏 南京 210041

原位测试技术作为地质勘察中重要的技术手段，通过现场测试和实测数据的分析，能够为工程设计和施工提供精确的地质参数和可靠的技术依据。本文针对岩土工程中常用的四种原位测试技术进行了详细分析，包括平板载荷试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、波速试验和标准贯入试验。通过介绍这些测试技术的基本原理、操作方法、适用范围和限制条件，可以更全面地了解这些技术的优缺点，为岩土工程地质勘察提供更好的技术支持和指导，从而提高工程质量和安全性。

1 平板载荷试验

1.1 基本原理

平板载荷试验的基本原理是利用荷载与沉降之间的关系来计算土体的力学性质。试验时，在土体表面放置一个直径为0.3m～1.5m的平板，通过加荷使平板在土体表面产生一定的沉降[1]。在荷载不变的情况下，记录平板下沉的变形量，得到荷载-沉降曲线。通过对荷载-沉降曲线的分析和计算，可以得到土体的承载力、弹性模量、泊松比等重要参数。

1.2 操作方法

平板载荷试验的操作方法包括平板放置、荷载施加、记录沉降量等步骤。具体操作如下：

1.平板放置：在试验区域内挖出一个试验坑，然后将平板放置在土体表面上，通常平板直径为0.3m～1.5m。为了保证试验结果的准确性，平板表面应平整、光滑，并且与土体接触良好。2.荷载施加：在平板上施加一定的荷载，可以使用压路机、油压机等设备。荷载应按照一定的程序逐步增加，直至达到试验要求的最大荷载。同时，应记录下荷载的大小和施加荷载的时间。3.记录沉降量：在荷载达到最大值后，需要记录平板下沉的变形量。通常使用沉降计或位移传感器等设备进行测量。在测量时应注意避免外界干扰，并记录下测量时间、测量点位置等信息。

1.3 适用范围和限制条件

平板载荷试验适用于软土、半固态和砂质土等地质环境。由于该试验需要施加大荷载，因此适用于需要确定土体承载力、弹性模量等参数的工程项目。同时，需要注意以下限制条件：

1.平板直径：平板直径的大小对试验结果有一定的影响。如果平板直径过小，会导致试验结果不准确；如果平板直径过大，则会增加试验难度和成本。2.荷载施加速度：荷载施加速度应适中，过快的荷载施加速度会导致试验数据的不准确性。3.试验深度：平板载荷试验通常适用于地表附近的土层，如果需要测试较深的土层，可能需要采用更加复杂的试验方法。4.地下水位：地下水位对平板载荷试验结果有一定的影响，因此需要对地下水位进行考虑和控制。5.试验场地条件：平板载荷试验需要较大的试验场地，并且需要具备平整、坚实、无裂缝、无腐蚀等特点，以确保试验结果的准确性和可靠性。6.荷载施加方式：荷载施加方式应选择合适的方法，以确保荷载均匀施加在平板上，避免试验结果的误差[2]。

2 静力触探试验

2.1 基本原理

静力触探试验是基于卡钳静力学原理的一种地质勘探方法，利用触探钻杆在垂直向下施加静载荷的作用下，记录土壤或岩石的力学特性，进而推断地层结构[2]。当钻杆通过压实土体时，土体会受到静载荷的作用，同时产生轴向阻力和侧向摩阻力。静力触探设备内部的卡钳测力传感器会实时记录这些反作用力的大小和方向，并将其转化为相应的数据。静力触探试验可以通过记录卡钳的位置和相应的载荷数据，来评估土壤或岩石的强度、厚度、地下水位和地层的分界面等。

2.2 操作方法

静力触探试验的操作方法包括推进、记录、卸载三个步骤。在进行试验前，需要先进行试验区的划定和标记。然后，将静力触探装置插入到钻孔中，并利用液压马达、电机等装置进行推进。在钻杆推进过程中，需要记录下不同深度的钻杆插入长度、插入钻杆的静力载荷、卡钳的位置等数据。同时，还需测定钻杆的竖直度、水平度等参数，以保证数据的准确性。当钻杆达到预定深度或遇到钻遇时，需要卸载静力载荷，记录下卡钳的位置、插入深度和力学参数等数据。根据不同的需求和地质环境，还可以通过静力触探试验设备的更换和组合，进行多参数、多层位的勘探[3]。

2.3 适用范围和限制条件

静力触探试验的适用范围较广，可用于软土、黏土、砂土等多种类型的地质环境中。在土层承载力、层位厚度、土层分界面位置等方面，静力触探试验均可提供较为准确的数据，因此在岩土工程勘探中得到广泛应用。

然而，静力触探试验也存在一些限制条件。首先是钻杆粘滞问题。在进行试验时，由于钻杆表面沾有泥土或岩屑，会导致钻杆下降受阻，从而影响实验的准确性。此时需对钻杆表面进行清洗，以确保试验顺利进行。其次是沉降量问题。在进行试验时，若地基沉降较大，可能导致试验中的钻杆下降速度过慢或停滞不前，从而无法获得准确的数据。此时需要采取相应措施，如增加钻杆重量或减小试验深度等，以确保试验的可靠性。

3 动力触探试验

3.1 基本原理

动力触探试验利用冲击波传递来判断土层或岩石的力学性质。在测试中，钻杆通过轻微的自由落体运动，带动下部的冲击头向下冲击地层，测量冲击波的传播时间和反弹系数，来判断地层的承载能力、压实度和土层类型等。当冲击头与地层接触时，产生冲击波，波将沿着钻杆和土层的接触面传播，部分波能被反射回钻杆内部，部分则继续向下传播，当波能消耗殆尽时，冲击头会反弹回来，波能再次传递至钻杆内部。根据冲击波的传播时间、反弹系数等参数，结合经验公式或现场试验数据，可以判断土层或岩石的力学性质。

3.2 操作方法

动力触探试验的操作流程包括设备组装、基础设施准备、现场实施、数据处理和分析等步骤。

1.设备组装：动力触探试验主要设备包括冲击器、探杆和数据记录仪等。冲击器通常由液压或气压装置、冲击锤、回弹锤和联锤等组成。探杆的长度和直径应根据现场的具体情况和钻孔深度进行选择。数据记录仪主要用于记录和储存冲击次数、回弹次数和深度等数据。2.基础设施准备：在进行动力触探试验之前，需要对基础设施进行准备。首先需要对工作区域进行清理，以便于设备的组装和试验操作。其次需要对钻孔进行开凿和清理，以保证探杆能够顺利推进。3.现场实施：动力触探试验的实施需要多名技术人员配合完成。首先需要将探杆插入钻孔中，并与冲击器连接。然后，技术人员可以通过操作液压或气压装置，驱动冲击锤对探杆进行冲击。每次冲击后，探杆会向下推进一定深度，同时产生回弹。冲击次数和回弹次数是衡量土层或岩石力学性质的重要指标。4.数据处理和分析：动力触探试验数据可以通过数据记录仪记录和储存。在实际操作中，数据处理和分析是至关重要的环节。首先需要将冲击次数和回弹次数数据转换为电子信号，并进行解码和分析。然后，可以通过分析数据图形、计算冲击能量、确定相对密度、推算土层承载力等方法，对土层或岩石的力学性质进行判断。

3.3 适用范围和限制条件

动力触探试验适用于软土、砂土、砾石、黏土等不同类型的土层或岩石，特别是在地基工程、桥梁工程、码头工程、机场工程等方面的土工勘察和设计中得到广泛应用。与其他原位测试方法相比，动力触探试验具有操作简便、测试速度快、数据处理方便等优点。 然而，在实际应用中，动力触探试验也存在一些限制条件。首先是探针长度的限制，通常不超过30米，因此对于深厚土层和岩石层的测试存在局限性。其次是对土层类型的适用性较弱，对于一些特殊土层如含水层、塑性土、砂土含水量较高的层等，其测试结果可能存在一定的误差。此外，在测试过程中需要保证操作人员的技术水平和测试设备的质量，否则测试结果也可能出现偏差。因此，在实际工程中，需要综合考虑各种因素，选择合适的测试方法和技术手段[4]。

4 波速试验

4.1 基本原理

波速测试适用于测定各类岩体的压缩波、岩土体的剪切波的波速。波速测试成果计算岩土体小应变的动弹性模量、动剪切模量和动泊松比。

4.2 操作方法

波速试验在钻探孔中进行，土层测试剪切波，计算土层等效剪切波速度，判定场地土的类型和场地类别。岩层测试压缩波，测定岩层声波速度，并测定相应深度上的岩块速度，计算岩体完整性指数。测试方法下面介绍一下单孔法的操作方法。

剪切波测试：工作时将悬挂式探头(即震源和检波器)放入孔中，用孔中的泥浆液作为震源和检波器与井壁耦合介质。震源为水平激振(垂直井壁)激发产生P·S波沿井壁地层传播，由两个相距1m的检波器接收沿井壁传播的P·S波振动信号并把P·S波的振动信号转换成电信号，通过电缆由主机记录显示存储。

主机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动计算S波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道检测波间的S波传播速度。测试顺序自下而上逐点进行，测点距离基本间隔1.0m。

压缩波测试方法：工作时将一发双收探头(即一道信号发生器和两道接收器)放入孔中，用孔中的泥浆液作为信号耦合介质。由信号发生器产生声波，两个相距0.4m的信号接收器接收沿井壁传播的P波振动信号，并把P波的振动信号转换成电信号，通过电缆由主机记录显示存储。由P波在两道接收器间传播的时间差，计算出两道检测波间的P波传播速度。测试顺序自下而上逐点进行，测点深度基本间隔1.0m。

岩块声波测试：用一发一收两个平面探头置于岩块两端(侧)，用黄油作耦合介质。由信号发生器产生声波，信号接收器接收沿岩块传播的P波振动信号，并把P波的振动信号转换成电信号，通过电缆由主机记录显示存储。由P波在岩块中传播的时间和岩块的长度(直径)，计算出岩块的P波传播速度[5]。

4.3 适用范围和限制条件

波速测试适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，可根据任务要求，采用如上所述的单孔法，也可以采用跨孔法或面波法。利用铁锤水平撞击木板，使板与地面之间发生运动，产生丰富的剪切波，从而在钻孔内不同高度处分别接收通过土层向下传播的剪切波。这种竖向传播的路径接近于天然地层由基岩竖向上传播的情况，因此对地层反应分析较为有用。限制条件除了岩土层岩性、裂隙、孔隙度、孔隙中充填物的影响、风化、破碎带外，主要为邻近场地工程建筑的声源振动对其测试验成果的干拢影响很大。

5 标准贯入试验

5.1 基本原理

标准贯入试验的基本原理是利用标准贯入锤作为贯入试验设备，通过钻杆向土层内连续敲击，从而使钻杆逐渐贯入土层中。在钻杆下端与土层接触时，由于土层内的阻力作用，贯入钻杆的下端会产生下沉，并将这种阻力通过钻杆传递到钻杆顶部，称为单位阻力或击数。单位阻力是每击钻杆在土壤中所承受的阻力，而贯入钻杆的下沉深度与单位阻力之间具有一定的函数关系。通过对这些数据的统计和分析，可以得出土层的物理力学性质。

标准贯入试验的单位阻力与土层的物理力学性质有着密切的关系。一般来说，单位阻力越大，土层的抗压强度越高。单位阻力还可以用来判断土层的密实度和压缩模量等物理力学性质。当土层的密实度较高时，单位阻力也会相应地增加，而压缩模量也会相对较高。因此，标准贯入试验在岩土工程勘察中被广泛应用。

5.2 操作方法

标准贯入试验的操作方法主要包括以下步骤：

准备工作：根据实际情况选择合适的试验地点，并按照要求安装好试验设备。

确定贯入点：根据试验要求，确定钻孔位置和孔深，并用砂浆或其他材料将钻孔底部封闭。

安装贯入试验设备：安装好贯入试验设备，包括贯入钻杆、贯入锤、导向头和钻杆扣环等。

进行贯入试验：用贯入锤连续敲击钻杆，每击一次测量钻杆顶部的下沉深度，并记录下贯入锤的下落高度。根据测量结果计算出单位阻力，并将结果记录下来。

试验结束：当贯入锤下落高度达到规定的值，或者贯入锤在连续的若干击后无法再深入时，试验结束。此时，可以根据记录下来的测量数据计算出土壤的抗剪强度、密实度、压缩模量等力学参数[6]。

5.3 适用范围和限制条件

标准贯入试验适用范围较广，可用于各种类型的土壤和岩石，包括砂、粘土、泥土、石灰岩、花岗岩等。同时，该试验方法还可以用于评估土壤的压缩性、稳定性和液化特性等重要性质，对于土工和岩土工程的设计和施工具有重要意义。

虽然标准贯入试验具有广泛的适用范围和重要的应用价值，但是其在实际应用中仍存在一些限制条件。例如，在特殊地质条件下，如软弱土层、淤泥、岩石等情况下，标准贯入试验可能无法准确反映土壤的真实性质。

此外，标准贯入试验的结果受到多种因素的影响，例如土层类型、土层湿度、钻杆形状和贯入速度等。因此，在进行试验时需要充分考虑这些因素，并进行合理的校正和分析。同时，在进行标准贯入试验时，应该保证试验设备的竖直状态，避免偏斜和摆动对试验结果的影响。此外，在进行试验前还应该对试验设备进行充分的校准和检查，确保试验结果的准确性和可靠性。

6 结语

综上所述，实际工程中，需要根据不同的地质环境和工程需求，选择最合适的原位测试技术来获取精确的地质参数和可靠的技术依据。同时，对于每种测试技术的操作方法和限制条件也需要充分了解，以保证测试结果的准确性和可靠性。本文的呀扭旨在提高人们对原位测试技术的认识和理解，为岩土工程地质勘察提供更好的技术支持和指导，也为岩土工程的设计和施工提供更可靠的技术支持。