巖土工程測(cè)試技術(shù)研究新進(jìn)展

秦鵬飛,齊 悅,楊 光,梁一星

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程學(xué)院， 河南 鄭州 450010)

巖土是歷經(jīng)千百萬年地質(zhì)作用形成的，物理力學(xué)性狀極其復(fù)雜的工程介質(zhì)。巖土工程測(cè)試是科學(xué)認(rèn)知巖土各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)，準(zhǔn)確進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、分析計(jì)算的重要方式，也是深入理解巖土工程力學(xué)性質(zhì)，助推學(xué)科蓬勃發(fā)展的重要?jiǎng)恿1-2]。伴隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的縱深推入，高土石壩、超高層建筑、深海采油平臺(tái)等工程項(xiàng)目不斷出新，超大粒徑堆石料、高寒冰凍土、天然氣水合物土等復(fù)雜土工介質(zhì)相繼涌現(xiàn)，對(duì)巖土工程測(cè)試技術(shù)提出了新的、更高的要求。

與工程建設(shè)的大規(guī)模開展相對(duì)應(yīng)，近年來巖土工程測(cè)試技術(shù)取得了巨大發(fā)展進(jìn)步。新型電子、光纖設(shè)備不斷被研發(fā)，聲波、電磁、物探方法不斷涌現(xiàn)，巖土工程測(cè)試技術(shù)的自動(dòng)化、智能化和精細(xì)化水平得到了大幅提升[3]。本文對(duì)巖土工程測(cè)試技術(shù)研究新進(jìn)展進(jìn)行闡釋述評(píng)，以期為工程建設(shè)提供有益參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)

在土工實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展、完成的試驗(yàn)，主要有土的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、空心圓柱扭剪試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)及熱物性參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)等。

1.1 三軸試驗(yàn)

三軸壓縮試驗(yàn)可以嚴(yán)格控制排水條件，測(cè)量軟黏土試樣的孔隙水壓力和體積變形，還可以進(jìn)行不同應(yīng)力路徑、不同應(yīng)力狀態(tài)的組合試驗(yàn)[4-5]。常規(guī)三軸試驗(yàn)中試樣處于軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)(σ1﹥?chǔ)?﹦σ3)，無法考慮中主應(yīng)力的影響，與實(shí)際受力狀況存在一定差異。真三軸試驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)三向獨(dú)立加載(σ1﹥?chǔ)?﹥?chǔ)?)，真實(shí)反映土體在三向受力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變特性(見圖1)，且可以考慮復(fù)雜應(yīng)力條件下土體的初始各向異性及誘發(fā)各向異性。

圖1 三軸試驗(yàn)分析

真三軸儀按荷載施加方式主要分3種：剛性加載型、柔性加載型和混合型加載型。清華大學(xué)研發(fā)了巖土大型靜動(dòng)真三軸試驗(yàn)機(jī)(THU-SDTTA)，該試驗(yàn)機(jī)采用異形乳膠膜和橢圓形試樣帽封樣，具有密封性好、量測(cè)精度高、操作便捷等優(yōu)勢(shì)，適宜于混合加載方式下的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試[6]；重慶大學(xué)自主研制的多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，能保證真三軸條件下氣液的自由滲流控制與精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)下巖體的應(yīng)力-應(yīng)變-滲流耦合性能測(cè)試[7]；中科院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RTX-3000非飽和土真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，位移量測(cè)精度達(dá)0.01 mm，可進(jìn)行拉壓、松弛、蠕變、循環(huán)等多種應(yīng)力路徑的力學(xué)特性試驗(yàn)[8]。

動(dòng)三軸試驗(yàn)(DTT)可用以測(cè)試土的動(dòng)剪切模量和阻尼比，在分析交通、波浪或地震荷載下土的動(dòng)力學(xué)特性方面用途極廣。美國(guó)Geocomp、英國(guó)GDS動(dòng)三軸測(cè)試儀位移精度0.7‰～1.0‰，軸向力精度1‰，在揭示粗粒砂的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變、孔隙水壓力消散規(guī)律特性，及液化機(jī)理分析方面功能強(qiáng)大。與常規(guī)動(dòng)三軸相比，變圍壓動(dòng)三軸能同時(shí)提供循環(huán)變化的偏應(yīng)力與循環(huán)變化的圍壓，可以模擬動(dòng)荷載下循環(huán)剪應(yīng)力與循環(huán)正應(yīng)力的耦合作用，廣泛應(yīng)用在考慮縱波影響的地震荷載、考慮水平應(yīng)力循環(huán)變化的交通荷載設(shè)計(jì)計(jì)算中。

1.2 離心模型試驗(yàn)

土工離心試驗(yàn)借助離心機(jī)產(chǎn)生離心力，通過將小尺寸土工模型置于ng(g為重力加速度)的重力加速度場(chǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜巖土工程問題的模擬分析。離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，能使離心模型產(chǎn)生與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同的應(yīng)力場(chǎng)，通過對(duì)離心模型的受力、變形分析，可以推測(cè)實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)、變形破壞機(jī)制。離心模擬測(cè)試技術(shù)具有“縮尺”與“縮時(shí)”效應(yīng)，目前已廣泛應(yīng)用在土石壩、邊坡、擋土墻、深基坑等工程領(lǐng)域，成為人們進(jìn)行土工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、探索巖土基本原理的重要技術(shù)手段[9]。

同濟(jì)大學(xué)較早開展了土工離心機(jī)的研發(fā)，其研制的TLJ-150復(fù)合型試驗(yàn)機(jī)最大荷載能力150g·t，最大離心加速度200g，為地鐵隧道等項(xiàng)目建設(shè)的順利實(shí)施提供了科技支撐[10]；大連理工大學(xué)土工鼓式離心機(jī)GT450環(huán)形槽直徑1.4 m，在數(shù)據(jù)處理精度、電機(jī)自動(dòng)化程度及作動(dòng)器加載模式方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[11]；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院建成的LXJ_4_450土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)水平和垂直雙向耦合振動(dòng)，能模擬不同能級(jí)的地震波動(dòng)效應(yīng)[12]；浙江大學(xué)的CHIEF(Centrifugal Hypergravity & Interdisciplinary Experiment Facility，CHIEF)離心模擬設(shè)備，可以開展高壩與邊坡、深海深地工程、巖土地震工程等重大項(xiàng)目的研究，建成后將成為世界領(lǐng)先、應(yīng)用范圍最廣的超重力多學(xué)科綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[13]。

在海工結(jié)構(gòu)、凍土路基及環(huán)境巖土力學(xué)等非傳統(tǒng)領(lǐng)域，土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)也具有其獨(dú)特、重要的科研價(jià)值。蔡正銀等[14]研發(fā)了一種土工離心造波裝置，該裝置可在120g離心加速度條件下模擬60 m水深產(chǎn)生的波浪，正常運(yùn)作時(shí)能精確控制波浪的頻率、波長(zhǎng)和幅值；陳湘生等[15]采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)開發(fā)了一套寒區(qū)超重力試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬±30℃極端條件下，高鐵凍土路基凍脹-融沉耦合作用的循環(huán)過程；詹良通等[16]以垃圾填埋場(chǎng)中的生化反應(yīng)-溶質(zhì)遷移-骨架變形模型為研究對(duì)象，通過離心試驗(yàn)分析了污染離子在不同土層中的長(zhǎng)期遷移規(guī)律等。

1.3 共振柱試驗(yàn)

共振柱試驗(yàn)(RCT)是利用激振力使試樣產(chǎn)生振動(dòng)，測(cè)出土樣共振頻率以確定彈性波的傳播速度，進(jìn)而計(jì)算土動(dòng)剪切模量和阻尼比的測(cè)試方法。共振柱試驗(yàn)以一維波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，是小應(yīng)變(1×10-6～1×10-4)條件下測(cè)定土體動(dòng)力特性參數(shù)理想的技術(shù)手段。其基本原理是在圓柱或圓筒形試樣上，以不同頻率施加縱向激振或扭轉(zhuǎn)激振，使土樣產(chǎn)生縱向振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，根據(jù)共振頻率及土樣的幾何尺寸，計(jì)算土體的動(dòng)剪切模量Gd(見式(1))、動(dòng)彈性模量Ed(見式(2)) , 根據(jù)衰減曲線計(jì)算土體的阻尼比λ(見式(3))。共振柱試驗(yàn)操作方便，測(cè)試結(jié)果離散性小，是現(xiàn)行地震安全性評(píng)價(jià)規(guī)范推薦的指定測(cè)試方法。

(1)

(2)

(3)

式中:Gd為土的動(dòng)剪切模量,kPa;fn為實(shí)測(cè)的共振頻率,Hz;hc為土樣固結(jié)后的高度,cm;ρ0為土樣質(zhì)量密度,g/cm3;βs、βL為無量綱頻率因數(shù);λ為土的阻尼比;N為計(jì)算所取的振動(dòng)次數(shù);A1為停止激振后第1周振動(dòng)的振幅,mm;AN+1為停止激振后第N+1周振動(dòng)的振幅,mm。

陳國(guó)興等[17]發(fā)現(xiàn)共振柱試驗(yàn)測(cè)出的動(dòng)剪切模量和阻尼比，在精度上與動(dòng)三軸測(cè)試結(jié)果略有差異，重大工程項(xiàng)目應(yīng)聯(lián)合利用這兩種測(cè)試方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)行場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)和抗震設(shè)計(jì)；賀為民等[18]指出均等固結(jié)條件下土的動(dòng)力學(xué)研究較為豐碩，而非均等固結(jié)條件下土的動(dòng)剪切模量、阻尼比等相關(guān)研究較少，亟需開展均等與非均等固結(jié)下土的動(dòng)力特性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系研究；楊文保等[19]研究表明，相同應(yīng)變水平下原狀粉土動(dòng)剪切模量隨土層深度增加而增加，動(dòng)剪切模量比G/Gmax隨剪應(yīng)變?chǔ)迷黾觿t迅速衰減；李劍等[20]通過對(duì)紅黏土的共振柱測(cè)試發(fā)現(xiàn)，彈性變形范圍內(nèi)(剪應(yīng)變小于1×10-4)，重塑紅黏土的動(dòng)剪切模量衰減較一般原狀土慢，當(dāng)應(yīng)變超過1×10-4后，紅黏土動(dòng)剪切模量的衰減速度較其它土體快。

1.4 水-熱-力多場(chǎng)耦合測(cè)試試驗(yàn)

熱量交換、溫度變化對(duì)巖土物理力學(xué)性質(zhì)具有很大影響，隨著地?zé)豳Y源開發(fā)利用、核廢料填埋處置及高寒凍土路基等項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)展，水-熱-力耦合作用下巖土力學(xué)特性研究越來越受到科研人員的關(guān)注。中科院蘇天明等[21]通過TC Probe熱導(dǎo)儀測(cè)試發(fā)現(xiàn)，水體的熱導(dǎo)率比巖土介質(zhì)的熱導(dǎo)率小，隨含水率增加巖土體的熱導(dǎo)率呈非線性下降趨勢(shì)(見式(4))，巖土的孔隙結(jié)構(gòu)、尺寸及其分布規(guī)律對(duì)熱導(dǎo)率也有一定影響;

K=-0.504lnw+3.09

(4)

式中:K為熱導(dǎo)率,W/m·K;w為巖土介質(zhì)含水率。姚仰平等[22]通過溫控三軸儀，對(duì)非飽和黏土試樣孔隙水壓力、體積變形進(jìn)行了精確量測(cè)，發(fā)現(xiàn)土的壓縮模量、前期固結(jié)壓力等參數(shù)隨溫度升高而呈現(xiàn)明顯改變；陳衛(wèi)忠等[23]通過構(gòu)建應(yīng)力與溫度耦合的屈服面模型分析黏性土本構(gòu)關(guān)系，試驗(yàn)表明隨溫度升高土體會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性變形(見式(5))。

(5)

式中:αp、a為土體屈服模型參數(shù);ΔT為溫度變化量。

2 原位測(cè)試技術(shù)

原位測(cè)試技術(shù)是指在工程建設(shè)、施工現(xiàn)場(chǎng)，通過輕微擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)的方式對(duì)原位土層進(jìn)行測(cè)試，以確定巖土物理力學(xué)參數(shù)、性質(zhì)的方法。原位測(cè)試可避免室內(nèi)試驗(yàn)取樣、運(yùn)輸過程中，土體原狀結(jié)構(gòu)的破壞及水分損失，準(zhǔn)確探明地基各土層的厚度、分布狀態(tài)及力學(xué)特性，測(cè)試結(jié)果具有很高的可靠性和代表性。

2.1 靜載荷試驗(yàn)

靜載荷試驗(yàn)通過液壓千斤頂、剛性承壓板逐級(jí)施加荷載，根據(jù)荷載-沉降(p-s)曲線確定地基承載力和變形模量(見圖2)。淺層平板載荷試驗(yàn)適宜于淺層地基(﹤5 m)的檢測(cè)分析(見式(6))，深層平板載荷試驗(yàn)、螺旋板載荷試驗(yàn)適宜于深層地基(﹥5 m)、大直徑樁和地下水位下土的檢測(cè)分析(見式(7))。

(6)

(7)

式中:I0為剛性承壓板的形狀系數(shù);μ為土的泊松比;d為承壓板直徑或邊長(zhǎng),m;p為荷載-沉降曲線線性段壓力,kPa;s為與壓力對(duì)應(yīng)的沉降,mm;ω為與試驗(yàn)深度和土類有關(guān)的參數(shù)。賴夏蕾等[24]指出未加載充分的靜載荷試驗(yàn)無法準(zhǔn)確反映地基承載力的極限值，可考慮通過灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)極限承載力值進(jìn)行預(yù)估；周同和等[25]認(rèn)為靜荷載試驗(yàn)，對(duì)于分析剛-柔性樁、CFG-PHC組合樁復(fù)合地基的荷載分配與傳遞機(jī)理、承載力發(fā)揮系數(shù)大小及應(yīng)力擴(kuò)散特征等具有重要意義，能有效促進(jìn)復(fù)合地基理論研究的發(fā)展進(jìn)步。

圖2 靜載荷試驗(yàn)與荷載p-沉降s曲線

2.2 觸探試驗(yàn)

圓錐靜力觸探(CPT)是通過準(zhǔn)靜力將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的金屬探頭垂直均勻壓入土中，以測(cè)定土層阻力和地基承載力的原位測(cè)試技術(shù)?？讐红o力觸探(CPTU)則在CPT的探頭上安裝透水濾器及量測(cè)元件，能同時(shí)測(cè)得探頭錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力及地下水壓力等參數(shù)信息。隨著環(huán)境巖土工程等研究領(lǐng)域的興起和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，CPTU涌現(xiàn)出許多新型傳感測(cè)試方式，促使CPTU朝著多功能和數(shù)字化方向邁進(jìn)。

劉松玉等[26]在CPTU的探頭上增加電阻率測(cè)試通道，研發(fā)了可用于測(cè)試土體電阻率的RCPTU系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于污染場(chǎng)地評(píng)價(jià)、液化分析及地基處理效果檢測(cè)(見圖3)；沈小克等[27]通過安置波速檢測(cè)設(shè)備研發(fā)了地震波孔壓靜力觸探(SCPTU)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)剪切波傳播時(shí)間測(cè)算土層的剪切波速，適宜于無黏性土相對(duì)密實(shí)度和液化勢(shì)的判別；蔡國(guó)軍等[28]通過數(shù)碼攝錄技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CPT的可視化，能現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到探孔中的薄夾層、透鏡體及裂隙等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；陳仁朋等[29]研發(fā)的熒光探頭LIF技術(shù)，可用于探測(cè)地下水的烴污染狀況和石油、木餾油等有害成分的含量。

輕型動(dòng)力觸探(DPT)是利用錘擊能量將一定規(guī)格的探頭打人土中，以確定地基土密實(shí)度、壓縮性和承載力的原位測(cè)試技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明DPT錘擊能量傳遞率可達(dá)80%以上，性能穩(wěn)定效率高，考慮鉆桿直徑、錘重與落距等因素的影響，可根據(jù)需要對(duì)DPT測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正。

圖3 新型CPTU觸探測(cè)試技術(shù)分析

2.3 旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)(PMT)是通過圓柱形探頭在鉆孔中對(duì)孔壁施壓，使土體產(chǎn)生徑向變形的原位測(cè)試方法。根據(jù)測(cè)得的膨脹壓力與土體變形，可以繪制應(yīng)力-體變、徑向壓力-位移關(guān)系曲線，進(jìn)而計(jì)算土層的旁壓模量、地基承載力及沉降變形等參數(shù)(見圖4)。旁壓試驗(yàn)最大測(cè)試深度可達(dá)20 m～30 m，與深層平板載荷試驗(yàn)相比，旁壓試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且能得到較大范圍內(nèi)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。旁壓試驗(yàn)可避開地下水的不利影響，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖4 旁壓試驗(yàn)分析

李廣信[30]指出試驗(yàn)鉆孔是旁壓測(cè)試分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為獲得高質(zhì)量的鉆孔旁壓鉆頭直徑Db、探頭直徑Ds和鉆孔直徑Dw需滿足Ds﹤Db﹤1.07Ds，1.03Ds﹤Dw﹤1.18Ds；孔令偉等[31]發(fā)現(xiàn)分級(jí)加載速率、加載穩(wěn)定間隔對(duì)測(cè)試結(jié)果也有較大影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明分級(jí)加載速率宜控制在3 kPa/s～5 kPa/s，加載穩(wěn)定時(shí)間間隔宜控制在2 min～5 min之間；楊光華等[32]將旁壓模量轉(zhuǎn)化為初始切線模量，進(jìn)行黏性土地基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和沉降計(jì)算(見式(8)、式(9))。

(8)

(9)

式中:EM、Et0分別為土的旁壓模量和初始切線模量,MPa;v為泊松比;Vs為旁壓探頭測(cè)量腔初始體積,cm3;V1、Vf為旁壓曲線直線段起始點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體變值,cm3；ΔP/ΔV為旁壓曲線直線段的斜率;P1、PL分別為起始?jí)毫蜆O限壓力,kPa。

2.4 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)(Field Vane Shear Test)是利用十字板剪切儀，測(cè)定軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度(見式(10))、靈敏度的原位測(cè)試技術(shù)，測(cè)試結(jié)果可用以評(píng)定土層的固結(jié)歷史和地基承載力。

(10)

式中:τ為土的抗剪強(qiáng)度,kPa;M為土層抵抗力矩,kN·m;D為旋轉(zhuǎn)圓柱直徑,m;H為旋轉(zhuǎn)圓柱高度,m。陳祖煜等[33]發(fā)現(xiàn)十字板剪切試驗(yàn)?zāi)苁管浲帘３痔烊粦?yīng)力狀態(tài)和原狀結(jié)構(gòu)(見圖5)，其測(cè)試結(jié)果普遍高于三軸壓縮和無側(cè)限抗壓的試驗(yàn)結(jié)果，高幅平均10%～30%；路德春等[34]研究表明十字板剪切試驗(yàn)適宜于靈敏度St≦10、固結(jié)系數(shù)cv≦100 m2/a的均質(zhì)飽和軟黏土強(qiáng)度測(cè)定，對(duì)夾有薄層細(xì)砂的非均質(zhì)土測(cè)試時(shí)，需作誤差分析處理。

3 結(jié) 語

巖土介質(zhì)是復(fù)雜的自然產(chǎn)物，巖土工程測(cè)試技術(shù)是深刻揭示巖土工程力學(xué)性質(zhì)的正確方式，也是論證土力學(xué)理論、優(yōu)化巖土項(xiàng)目設(shè)計(jì)的有效手段。巖土工程測(cè)試技術(shù)與巖土學(xué)科發(fā)展、項(xiàng)目建設(shè)休戚與共，始終緊密相連。隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，巖土工程測(cè)試技術(shù)日新月異，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。本文系統(tǒng)分析了三軸壓縮試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)及熱物性參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)的研究進(jìn)展，并全面闡釋了載荷試驗(yàn)、觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)的工程應(yīng)用，期望能為巖土項(xiàng)目建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展作出貢獻(xiàn)。