巖土工程試驗技術在巖土勘察中的應用

李雪梅

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 巖土勘察技術的概念

巖土勘察技術主要是運用各種勘察手段、技術方法，查明巖土工程施工場地可能出現的巖土工程問題，如場地地質構造、巖性以及地層厚度、水文地質條件、地面及物理地質現象等，為場地地基處理提供依據的技術[1]。

2 巖土工程中巖土勘察的重要性

2.1 揭露不良地質問題

在巖土工程中，巖土類型、規模對施工建設具有不同程度的影響?？茖W開展巖土勘察，可以及時揭露不良地質問題，明確現有地質條件對工程建設造成的影響，確?；A處理規范，避免上部構造受損[2]。

2.2 輔助設計施工決策

在巖土工程中，巖土勘察可以根據不同階段的要求探明場地巖土形狀性質、地質條件，并結合工程設計、施工要求，輸出技術性論證結果，為巖土工程基礎、邊坡設計與施工提供指導，輔助巖土工程建設決策，確保巖土工程設計施工作業高效開展。

3 巖土工程試驗技術對巖土勘察的影響

在巖土工程勘察中，巖土室內試驗是關鍵環節，試驗技術的應用規范性對試驗結果準確與否具有直接影響。巖土工程試驗期間，邊界條件、排水條件均可控，且應力路徑可提前選定，營造均一的小應變場，獲得高精度土樣物理力學性質指標。但是，一旦試驗技術應用不當，將導致試驗結果出現偏差，直接影響巖土勘測任務完成度，進而干擾巖土工程順利建設。比如，在試驗樣品采集環節，樣品采集技術應用不合理，導致室內試驗樣品與原有狀態偏差較大，影響巖土層工程狀態分析結果準確性；再如，試驗技術應用期間參數設置不合理，導致巖土應力（或原位觀測、三軸壓縮強度、點荷載強度、直剪強度試驗等）測試不合格，增加巖土勘察作業負擔[3]。

4 巖土工程試驗技術的實踐應用

4.1 巖土應力

三軸剪切試驗是測定巖土抗剪強度、內聚應力的一種方法，多選擇恒定圍壓環境，借助3 個或4 個圓柱形試樣施加軸向壓力，直到試樣剪切破壞。根據排水條件差異，三軸剪切試驗可以劃分為不固結不排水剪、固結不排水剪、固結排水剪3 種。其中，不固結不排水剪主要是施加軸向偏應力、周圍壓力至試樣剪切破壞，整個過程不允許試樣排水固結；固結不排水剪主要是先施加周圍壓力，促使試樣排水固結，再施加偏應力（不允許試樣排水固結）至試樣破壞；固結排水剪主要是先施加周圍壓力，促使試樣排水固結，再施加偏應力（允許試樣排水固結）至試樣剪切破壞[4]。在三軸壓縮強度試驗技術應用時，根據需要可以選擇壓力室、施加周圍壓力系統、試驗機、體積變化與孔隙壓力測量系統組成的應變控制式三軸儀，同時準備分樣器、擊實筒、飽和器、承膜筒、橡皮膜、天平、切土器、量表等附屬設備。在設備應用前，檢查周圍壓力精度達到最大壓力的±1%，測讀分值為5 kPa，根據試樣強度選擇量力環的量程，確保最大軸向壓力精度大于或等于1%。確認設備精度達到設計要求后，關閉量管閥，經充滿無氣水（煮沸冷卻后蒸餾水）的三軸壓力室向孔隙壓力量測系統施加壓力。在施加壓力過程中開啟量管閥，促使管路內氣泡經量管排出，反復操作至氣泡完全排出。排出氣泡后，將孔隙壓力閥、量管閥關閉，并借助調壓筒進行壓力調節，最終孔隙壓力量測系統體積因數在1.5×10-5cm3/kPa 以內。

設備準備完畢后，將試樣切割為圓柱形，分別為φ39.1 mm×高80 mm、φ61.8 mm×高150 mm、φ101 mm×高200 mm。若為軟弱土樣，在切刀盤上利用切土刀（或鋼絲鋸）制備土樣；若為硬質土樣，則在切土架上利用切土器、切土刀制備樣品。將制備完畢的樣品放入壓力室施加20 kPa 的周圍壓力，促使無氣泡水經試樣底座進入、上部溢出，水頭高度為1 m，直到流入水量、溢出水量無差異。試樣飽和后，將不透水試樣帽、底座不透水圓板分別放置到試樣頂部、底部，承膜筒上套入乳膠膜并翻轉兩端吸氣促使乳膠膜緊密貼合承膜筒內壁。進而安裝受壓室外罩，將水注滿壓力室并關閉排水孔，施加周圍壓力，單位施加標準為100 kPa、200 kPa 及300 kPa。施加周圍壓力的同時旋轉手輪至測力環量表動作，及時將測力環量表、軸向位移量表歸零。同時，啟動電動機，依據每分鐘應變0.5%～1.0%的速度剪切，在試樣垂直應變0.4%時記錄測力環讀數、垂直位移量表讀數。出現峰值后，進行4%±1%垂直應變，結束試驗，關閉電動機、周圍應力閥并拔出離合器、排氣孔。以主應力差為縱坐標、軸向應變為縱坐標，了解主應力差與軸向應變關系，在存在峰值時，將曲線上主應力差峰值作為試樣應力破壞點。

4.2 巖土顆粒密度

相對密度是巖土顆粒密度的表示方式之一，特指處于松弛狀態砂土孔隙比與天然孔隙比之差、松弛狀態砂土孔隙比與緊密狀態孔隙比之差的比值，可以評價砂性土緊密程度，為建筑地基穩定性評價提供依據。首先，利用振動錘擊法，敲打至試樣體積不變時，進行砂性土的最大干密度試驗；其次，利用漏斗法與量筒法，促使試樣緩慢、均勻落入量筒內，進行砂性土的最小干密度試驗。最后，計算兩次測定密度差值（小于或等于0.03 g/cm3），計算公式為：

式中，D 為砂性土的相對密度；ρmax為最大干密度，g/cm3；ρmin為最小干密度，g/cm3；ρ 為要求的天然干密度，g/cm3。

此外，對于粉土、黏性土，可以利用環刀法進行測量。提前準備內徑61.8 mm、高20 mm 的環刀以及最小分度值0.1 g、稱量500 g 的天平。按照巖土工程勘察要求，取原狀土擊打密實后土樣，進行土樣切削，切削后稱量，直接稱取濕土質量，試樣濕密度為濕土質量與體積的比值，精確到0.01 g/cm3。而濕土干密度則為試樣濕密度、巖石含水率的1.1 倍的比值。

4.3 巖土含水率

巖土含水率試驗主要用于天然狀態下巖土含水率測定，可以為巖石致密程度、巖石孔隙判定提供依據。烘干法是巖土含水率試驗常用方法，需要提前準備烘箱、干燥劑（硅膠、氯化鈣等）、精度達到0.01 g 的天平、稱量盒等?，F場收集試樣，巖石試樣尺寸超出巖石最大顆粒的10 倍，質量超出40 g 但小于200 g。在記錄試樣結構、顏色后，將試樣放入已烘干至恒定質量的稱量盒，稱量盒質量已稱量。進而在烘箱內放入稱量盒，在105～110 ℃恒定溫度下烘干到恒定重量，時間為12～24 h。若為含結晶水巖石，則在55～65 ℃恒定溫度下烘干到恒定重量，時間為24～48 h。取出稱量盒冷卻到室溫，記錄烘干后試樣與稱量盒總重，巖石含水率為：

式中，W 為試樣含水率，%；m1為試樣烘干前質量與干燥稱量盒質量之和，g；m2為試樣烘干后質量與干燥稱量盒質量之和，g；m0為稱量盒恒定質量，g。一般試樣含水率變化應小于1%。

4.4 原位觀測

原位觀測主要是在被勘測巖土工程原有位置，不擾動、不破壞或盡可能少擾動、少破壞被測試樣原有狀態下，測定其性能。試驗本質上是在巖土工程天然含水量、天然結構、天然應力狀態下進行巖土反應與特定力學指標、物理指標的測試，可為巖土工程性質判定提供依據。原位試驗包括十字板剪切試驗、靜力觸探試驗、標準貫入試驗幾種類型。

4.4.1 十字板剪切試驗

十字板剪切試驗主要是將扭矩施加到插入地基土的規定形狀、尺寸的十字板板頭，剪切破壞土體，促使土體內十字板頭等速扭轉，形成圓柱狀破壞面（高為十字板頭高度、直徑為十字板頭直徑）。經測定的土體最大抗扭力矩為地基土不排水抗剪強度測試提供依據。在十字板剪切試驗時，可以準備由傳力系統、十字板頭、加力系統、力的測量裝置組成的十字板，十字板板頭尺寸為高100 m×φ50 mm×厚2 mm、高150 mm×φ75 mm×3 mm。沿豎向布置試驗點，相鄰試驗點之間距離為1 m。在各試驗點插入十字板頭，插入深度超出孔徑的3～5 倍，靜止放置2～3 min。進而依據1.5°/10 s±0.5°/10 s 的速度扭轉剪切，在達到峰值強度后繼續測記1 min。結束后順時針旋轉6 圈獲得重塑土的不排水抗剪強度。

4.4.2 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗主要是以恒定貫入速率，在土內壓入圓錐探頭（金屬探頭與土層之間呈90°），測記貫入探頭所承受阻力，為土體物理力學性質判定提供依據。探頭部分可以選擇有效側壁長57 mm×φ37.7 cm 的60°單橋探頭，也可以選擇摩擦筒側壁面積200 cm2×摩擦筒長度179 mm×φ37.7 cm 的60°雙橋探頭，錐頭底面積為10 cm2；貫入部分可以利用物探車，也可以利用液壓傳動式加壓裝置；貫入期間阻力測量工具為應變計，根據配套測量電路自動計數。首先，排除探頭應變腔液體全部氣泡；其次，確定探頭應變腔飽和后，依據1.2 m/min 的貫入速度，將觸探頭壓入土體內。在貫入深度超出30 m 時，利用測斜探頭進行修正，確保深度記錄誤差小于觸探深度±1%。最后，讀取停止貫入后不同時間孔壓值，確定地基土承載力。

4.4.3 標準貫入試驗

標準貫入試驗主要是在現場76 cm 高度自由下落63.5 kg穿心錘，促使帶有小型取土筒的標準貫入器（標準規格圓筒形探頭）進入土體內，根據30 cm 深錘擊次數評定土體性質。標準貫入試驗所需裝置為穿心錘、貫入器、導向探桿等。其中，穿心錘中間部分具有穿心孔，穿心孔直徑為45 mm，可以放入導向桿；貫入器由對開關、管靴兩部分組成；導向桿為φ45 mm及以上無縫鋼管。在標準貫入試驗開展期間，利用回轉鉆進方式，鉆入土體內，孔內水位始終超出地下水位，必要時利用套管護壁（或泥漿護壁）。鉆入試驗標高以下15 cm 后清除孔底殘余土體，利用自動脫鉤的自由落錘，平穩下落到孔位，下落速率在30 擊/min 以內，同時探桿最大相對彎曲度在1‰以內。將貫入器打入土體15 min 后，等間距擊打1.0～1.2 m，記錄每打入10 cm 時的錘擊次數，最終標準貫入試驗錘擊數為累計打入30 cm 的錘擊數，對應實際貫入度的錘擊數為50 擊。標準貫入錘擊數計算公式為：

式中，N 為標準貫入錘擊數，擊；ΔS 為50 擊時實際貫入深度，cm。

根據標準貫入錘擊數，可以進行土體稠度狀態、變形參數、密實狀態的評價。

5 結語

綜上所述，巖土工程地形地貌復雜，巖土性質變化大，且存在不良地質發育情況。在工程開展前，應進行巖土勘察，在外業勘察的基礎上，利用室內試驗技術進一步探測巖土性質、地質環境變化，及時發現作用劇烈的特殊性巖土或對工程影響較大的地下水，豐富巖土勘察報告，為巖土工程施工方案的優化提供依據。