巖土工程地質(zhì)勘察中的原位測(cè)試技術(shù)分析

施展

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)（江蘇南京地質(zhì)工程勘察院） 江蘇 南京 210041

原位測(cè)試技術(shù)作為地質(zhì)勘察中重要的技術(shù)手段，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)和施工提供精確的地質(zhì)參數(shù)和可靠的技術(shù)依據(jù)。本文針對(duì)巖土工程中常用的四種原位測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括平板載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)、波速試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。通過介紹這些測(cè)試技術(shù)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(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為巖土工程地質(zhì)勘察提供更好的技術(shù)支持和指導(dǎo)，從而提高工程質(zhì)量和安全性。

1 平板載荷試驗(yàn)

1.1 基本原理

平板載荷試驗(yàn)的基本原理是利用荷載與沉降之間的關(guān)系來計(jì)算土體的力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)，在土體表面放置一個(gè)直徑為0.3m～1.5m的平板，通過加荷使平板在土體表面產(chǎn)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(duì)荷載-沉降曲線的分析和計(jì)算，可以得到土體的承載力、彈性模量、泊松比等重要參數(shù)。

1.2 操作方法

平板載荷試驗(yàn)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(yàn)區(qū)域內(nèi)挖出一個(gè)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，平板表面應(yīng)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(jī)、油壓機(jī)等設(shè)備。荷載應(yīng)按照一定的程序逐步增加，直至達(dá)到試驗(yàn)要求的最大荷載。同時(shí)，應(yīng)記錄下荷載的大小和施加荷載的時(shí)間。3.記錄沉降量：在荷載達(dá)到最大值后，需要記錄平板下沉的變形量。通常使用沉降計(jì)或位移傳感器等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量時(shí)應(yīng)注意避免外界干擾，并記錄下測(cè)量時(shí)間、測(cè)量點(diǎn)位置等信息。

1.3 適用范圍和限制條件

平板載荷試驗(yàn)適用于軟土、半固態(tài)和砂質(zhì)土等地質(zhì)環(huán)境。由于該試驗(yàn)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(shù)的工程項(xiàng)目。同時(shí)，需要注意以下限制條件：

1.平板直徑：平板直徑的大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。如果平板直徑過小，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確；如果平板直徑過大，則會(huì)增加試驗(yàn)難度和成本。2.荷載施加速度：荷載施加速度應(yīng)適中，過快的荷載施加速度會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。3.試驗(yàn)深度：平板載荷試驗(yàn)通常適用于地表附近的土層，如果需要測(cè)試較深的土層，可能需要采用更加復(fù)雜的試驗(yàn)方法。4.地下水位：地下水位對(duì)平板載荷試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，因此需要對(duì)地下水位進(jìn)行考慮和控制。5.試驗(yàn)場(chǎng)地條件：平板載荷試驗(yàn)需要較大的試驗(yàn)場(chǎng)地，并且需要具備平整、堅(jiān)實(shí)、無裂縫、無腐蝕等特點(diǎn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。6.荷載施加方式：荷載施加方式應(yīng)選擇合適的方法，以確保荷載均勻施加在平板上，避免試驗(yàn)結(jié)果的誤差[2]。

2 靜力觸探試驗(yàn)

2.1 基本原理

靜力觸探試驗(yàn)是基于卡鉗靜力學(xué)原理的一種地質(zhì)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(xué)特性，進(jìn)而推斷地層結(jié)構(gòu)[2]。當(dāng)鉆桿通過壓實(shí)土體時(shí)，土體會(huì)受到靜載荷的作用，同時(shí)產(chǎn)生軸向阻力和側(cè)向摩阻力。靜力觸探設(shè)備內(nèi)部的卡鉗測(cè)力傳感器會(huì)實(shí)時(shí)記錄這些反作用力的大小和方向，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)。靜力觸探試驗(yàn)可以通過記錄卡鉗的位置和相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)，來評(píng)估土壤或巖石的強(qiáng)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(yàn)的操作方法包括推進(jìn)、記錄、卸載三個(gè)步驟。在進(jìn)行試驗(yàn)前，需要先進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)的劃定和標(biāo)記。然后，將靜力觸探裝置插入到鉆孔中，并利用液壓馬達(dá)、電機(jī)等裝置進(jìn)行推進(jìn)。在鉆桿推進(jìn)過程中，需要記錄下不同深度的鉆桿插入長(zhǎng)度、插入鉆桿的靜力載荷、卡鉗的位置等數(shù)據(jù)。同時(shí)，還需測(cè)定鉆桿的豎直度、水平度等參數(shù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)鉆桿達(dá)到預(yù)定深度或遇到鉆遇時(shí)，需要卸載靜力載荷，記錄下卡鉗的位置、插入深度和力學(xué)參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的需求和地質(zhì)環(huán)境，還可以通過靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備的更換和組合，進(jìn)行多參數(shù)、多層位的勘探[3]。

2.3 適用范圍和限制條件

靜力觸探試驗(yàn)的適用范圍較廣，可用于軟土、黏土、砂土等多種類型的地質(zhì)環(huán)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(yàn)均可提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此在巖土工程勘探中得到廣泛應(yīng)用。

然而，靜力觸探試驗(yàn)也存在一些限制條件。首先是鉆桿粘滯問題。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于鉆桿表面沾有泥土或巖屑，會(huì)導(dǎo)致鉆桿下降受阻，從而影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。此時(shí)需對(duì)鉆桿表面進(jìn)行清洗，以確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。其次是沉降量問題。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，若地基沉降較大，可能導(dǎo)致試驗(yàn)中的鉆桿下降速度過慢或停滯不前，從而無法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。此時(shí)需要采取相應(yīng)措施，如增加鉆桿重量或減小試驗(yàn)深度等，以確保試驗(yàn)的可靠性。

3 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

3.1 基本原理

動(dòng)力觸探試驗(yàn)利用沖擊波傳遞來判斷土層或巖石的力學(xué)性質(zhì)。在測(cè)試中，鉆桿通過輕微的自由落體運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)下部的沖擊頭向下沖擊地層，測(cè)量沖擊波的傳播時(shí)間和反彈系數(shù)，來判斷地層的承載能力、壓實(shí)度和土層類型等。當(dāng)沖擊頭與地層接觸時(shí)，產(chǎn)生沖擊波，波將沿著鉆桿和土層的接觸面?zhèn)鞑?，部分波能被反射回鉆桿內(nèi)部，部分則繼續(xù)向下傳播，當(dāng)波能消耗殆盡時(shí)，沖擊頭會(huì)反彈回來，波能再次傳遞至鉆桿內(nèi)部。根據(jù)沖擊波的傳播時(shí)間、反彈系數(shù)等參數(shù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以判斷土層或巖石的力學(xué)性質(zhì)。

3.2 操作方法

動(dòng)力觸探試驗(yàn)的操作流程包括設(shè)備組裝、基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理和分析等步驟。

1.設(shè)備組裝：動(dòng)力觸探試驗(yàn)主要設(shè)備包括沖擊器、探桿和數(shù)據(jù)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(lián)錘等組成。探桿的長(zhǎng)度和直徑應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況和鉆孔深度進(jìn)行選擇。數(shù)據(jù)記錄儀主要用于記錄和儲(chǔ)存沖擊次數(shù)、回彈次數(shù)和深度等數(shù)據(jù)。2.基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)備：在進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)之前，需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行準(zhǔn)備。首先需要對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行清理，以便于設(shè)備的組裝和試驗(yàn)操作。其次需要對(duì)鉆孔進(jìn)行開鑿和清理，以保證探桿能夠順利推進(jìn)。3.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施：動(dòng)力觸探試驗(yàn)的實(shí)施需要多名技術(shù)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(shù)人員可以通過操作液壓或氣壓裝置，驅(qū)動(dòng)沖擊錘對(duì)探桿進(jìn)行沖擊。每次沖擊后，探桿會(huì)向下推進(jìn)一定深度，同時(shí)產(chǎn)生回彈。沖擊次數(shù)和回彈次數(shù)是衡量土層或巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。4.數(shù)據(jù)處理和分析：動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)記錄儀記錄和儲(chǔ)存。在實(shí)際操作中，數(shù)據(jù)處理和分析是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。首先需要將沖擊次數(shù)和回彈次數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，并進(jìn)行解碼和分析。然后，可以通過分析數(shù)據(jù)圖形、計(jì)算沖擊能量、確定相對(duì)密度、推算土層承載力等方法，對(duì)土層或巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行判斷。

3.3 適用范圍和限制條件

動(dòng)力觸探試驗(yàn)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(jī)場(chǎng)工程等方面的土工勘察和設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。與其他原位測(cè)試方法相比，動(dòng)力觸探試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試速度快、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)。 然而，在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)力觸探試驗(yàn)也存在一些限制條件。首先是探針長(zhǎng)度的限制，通常不超過30米，因此對(duì)于深厚土層和巖石層的測(cè)試存在局限性。其次是對(duì)土層類型的適用性較弱，對(duì)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(cè)試結(jié)果可能存在一定的誤差。此外，在測(cè)試過程中需要保證操作人員的技術(shù)水平和測(cè)試設(shè)備的質(zhì)量，否則測(cè)試結(jié)果也可能出現(xiàn)偏差。因此，在實(shí)際工程中，需要綜合考慮各種因素，選擇合適的測(cè)試方法和技術(shù)手段[4]。

4 波速試驗(yàn)

4.1 基本原理

波速測(cè)試適用于測(cè)定各類巖體的壓縮波、巖土體的剪切波的波速。波速測(cè)試成果計(jì)算巖土體小應(yīng)變的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量和動(dòng)泊松比。

4.2 操作方法

波速試驗(yàn)在鉆探孔中進(jìn)行，土層測(cè)試剪切波，計(jì)算土層等效剪切波速度，判定場(chǎng)地土的類型和場(chǎng)地類別。巖層測(cè)試壓縮波，測(cè)定巖層聲波速度，并測(cè)定相應(yīng)深度上的巖塊速度，計(jì)算巖體完整性指數(shù)。測(cè)試方法下面介紹一下單孔法的操作方法。

剪切波測(cè)試：工作時(shí)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(zhì)。震源為水平激振(垂直井壁)激發(fā)產(chǎn)生P·S波沿井壁地層傳播，由兩個(gè)相距1m的檢波器接收沿井壁傳播的P·S波振動(dòng)信號(hào)并把P·S波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電纜由主機(jī)記錄顯示存儲(chǔ)。

主機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后采用兩道互相關(guān)分析方法，自動(dòng)計(jì)算S波在兩道檢波器間傳播的時(shí)間差，從而計(jì)算出兩道檢測(cè)波間的S波傳播速度。測(cè)試順序自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)距離基本間隔1.0m。

壓縮波測(cè)試方法：工作時(shí)將一發(fā)雙收探頭(即一道信號(hào)發(fā)生器和兩道接收器)放入孔中，用孔中的泥漿液作為信號(hào)耦合介質(zhì)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生聲波，兩個(gè)相距0.4m的信號(hào)接收器接收沿井壁傳播的P波振動(dòng)信號(hào)，并把P波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電纜由主機(jī)記錄顯示存儲(chǔ)。由P波在兩道接收器間傳播的時(shí)間差，計(jì)算出兩道檢測(cè)波間的P波傳播速度。測(cè)試順序自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)深度基本間隔1.0m。

巖塊聲波測(cè)試：用一發(fā)一收兩個(gè)平面探頭置于巖塊兩端(側(cè))，用黃油作耦合介質(zhì)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生聲波，信號(hào)接收器接收沿巖塊傳播的P波振動(dòng)信號(hào)，并把P波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電纜由主機(jī)記錄顯示存儲(chǔ)。由P波在巖塊中傳播的時(shí)間和巖塊的長(zhǎng)度(直徑)，計(jì)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(cè)試適用于測(cè)定各類巖土體的壓縮波、剪切波或瑞利波的波速，可根據(jù)任務(wù)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(fā)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生豐富的剪切波，從而在鉆孔內(nèi)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(duì)地層反應(yīng)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(fēng)化、破碎帶外，主要為鄰近場(chǎng)地工程建筑的聲源振動(dòng)對(duì)其測(cè)試驗(yàn)成果的干攏影響很大。

5 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

5.1 基本原理

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的基本原理是利用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘作為貫入試驗(yàn)設(shè)備，通過鉆桿向土層內(nèi)連續(xù)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(shí)，由于土層內(nèi)的阻力作用，貫入鉆桿的下端會(huì)產(chǎn)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(shù)。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(shù)關(guān)系。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，可以得出土層的物理力學(xué)性質(zhì)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的單位阻力與土層的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。一般來說，單位阻力越大，土層的抗壓強(qiáng)度越高。單位阻力還可以用來判斷土層的密實(shí)度和壓縮模量等物理力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)土層的密實(shí)度較高時(shí)，單位阻力也會(huì)相應(yīng)地增加，而壓縮模量也會(huì)相對(duì)較高。因此，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在巖土工程勘察中被廣泛應(yīng)用。

5.2 操作方法

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的操作方法主要包括以下步驟：

準(zhǔn)備工作：根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的試驗(yàn)地點(diǎn)，并按照要求安裝好試驗(yàn)設(shè)備。

確定貫入點(diǎn)：根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備：安裝好貫入試驗(yàn)設(shè)備，包括貫入鉆桿、貫入錘、導(dǎo)向頭和鉆桿扣環(huán)等。

進(jìn)行貫入試驗(yàn)：用貫入錘連續(xù)敲擊鉆桿，每擊一次測(cè)量鉆桿頂部的下沉深度，并記錄下貫入錘的下落高度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出單位阻力，并將結(jié)果記錄下來。

試驗(yàn)結(jié)束：當(dāng)貫入錘下落高度達(dá)到規(guī)定的值，或者貫入錘在連續(xù)的若干擊后無法再深入時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。此時(shí)，可以根據(jù)記錄下來的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出土壤的抗剪強(qiáng)度、密實(shí)度、壓縮模量等力學(xué)參數(shù)[6]。

5.3 適用范圍和限制條件

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)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?guī)r、花崗巖等。同時(shí)，該試驗(yàn)方法還可以用于評(píng)估土壤的壓縮性、穩(wěn)定性和液化特性等重要性質(zhì)，對(duì)于土工和巖土工程的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。

雖然標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)具有廣泛的適用范圍和重要的應(yīng)用價(jià)值，但是其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些限制條件。例如，在特殊地質(zhì)條件下，如軟弱土層、淤泥、巖石等情況下，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)可能無法準(zhǔn)確反映土壤的真實(shí)性質(zhì)。

此外，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的結(jié)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要充分考慮這些因素，并進(jìn)行合理的校正和分析。同時(shí)，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該保證試驗(yàn)設(shè)備的豎直狀態(tài)，避免偏斜和擺動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，在進(jìn)行試驗(yàn)前還應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行充分的校準(zhǔn)和檢查，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，實(shí)際工程中，需要根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境和工程需求，選擇最合適的原位測(cè)試技術(shù)來獲取精確的地質(zhì)參數(shù)和可靠的技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于每種測(cè)試技術(shù)的操作方法和限制條件也需要充分了解，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本文的呀扭旨在提高人們對(duì)原位測(cè)試技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解，為巖土工程地質(zhì)勘察提供更好的技術(shù)支持和指導(dǎo)，也為巖土工程的設(shè)計(jì)和施工提供更可靠的技術(shù)支持。