巖土工程試驗技術在巖土工程勘察中的應用

張倩清

（安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院, 安徽蚌埠 233000）

巖土工程試驗技術是巖土工程勘察中的主要組成部分, 是獲取巖土體物理力學參數的主要途徑, 在現代化建筑、橋梁、道路工程中的應用極為廣泛[1]。巖土工程試驗技術根據測試環境可分為室內試驗法和現場試驗法, 前者主要指的是土工試驗技術, 而后者則指的是原位測試技術[2]。原位測試技術能夠較精準地獲取擬建區域巖土體的物理力學參數, 為擬建項目設計編制提供了可靠的數據。本文以原位測試為研究對象, 分析其在巖土工程勘察中的應用。

1 原位測試技術概況

原位測試技術是施工現場快速獲取巖土體參數的主要方法, 可分為半定量和定量兩種方法。其中, 定量方法指的是在已經成形的巖土體上進行的原位測試, 如土體滲透試驗、靜止狀態的承載試驗等[3]；半定量方法指的是在缺乏試驗能力或者環境的條件下進行的試驗, 如深入樣品試驗、觸碰試驗等。因此, 現場原位測試技術類型是多樣的, 因此, 選擇技術方法應結合工程結構形式、擬建區域巖土體基本情況等選擇合理的測試技術[4]。波速測試技術是原位測試技術的一種, 在巖土工程勘察中應用極為廣泛。常見的波速測試技術包括鉆孔法和表面波測試法兩種類型, 前者又可分為單孔法和跨孔法。

（1）單孔法。單孔法是巖土工程勘察中最為常用的一種原位測試技術, 該方法的應用示意見圖1。單孔法測試方法主要包括地面的激振過程和鉆孔中的振動信號接收過程。在巖土工程波速測試過程中, 可以通過安裝激發器裝置對巖土體的剪切波進行測試, 生成相應的SH波信號和SV波信號, 再通過接收器中的三分量檢波器裝置接收信號。單孔法在巖土工程勘察中應用極為廣泛, 主要原因在于：①操作簡單, 便于現場操作；②準確性高, 該方法的檢測結果準確度高；③成本低, 該方法成本較低, 顯著地降低了測試成本。

圖1 單孔檢測法示意圖

（2）跨孔法。跨孔法在巖土工程勘察中的應用較廣泛, 尤其是在大型建筑、道路、橋梁工程中。跨孔法一般由三個孔組成, 且三個孔需呈直線狀排列, 在第一個孔中裝置震源激發器裝置, 其余兩個孔接收剪切波信號（圖2）。該方法中波速的計算就是通過波的傳播距離與傳播時間分析。此外, 跨孔法對使用條件較為苛刻, 一般多用于地面較為平坦、巖土體分布較為均勻的施工場地；同時, 該方法具有測試深度大, 尤其是在軟弱夾層剪切波測試中的應用效果更為明顯[5]。跨孔法的操作較單孔法的操作復雜, 且對施工場地的要求更高, 使用成本較高, 故小型施工場地一般不用該方法。

圖2 跨孔檢測法示意圖

（3）表面波測試法。表面波測試法也稱為瑞雷波測試技術, 該方法主要針對瑞雷波而得名。在實際巖土工程勘察中采用跨孔法進行巖土體參數獲取時, 無需進行鉆孔就可以實現層狀介質彈性波的測試, 具有測試準確度高和快速的特征, 并根據振動激發方式可將該方法分為穩定振動法和瞬態振動法兩種類型。

2 工程概況

某建筑場地園區分為4個建設區塊, 工程設計單柱最大載荷為200kN, 建筑結構為框架結構。擬建區域地形較平緩, 以耕地為主。施工區域地下水埋深較淺, 以孔隙潛水為主, 地下水資源較為豐富, 巖層以弱透水層為主。同時, 通過檢測發現, 地下水對混凝土鋼筋結構為弱腐蝕。為推進該工程建設進程, 需要對擬建區域內的巖土體進行土工測試分析。

3 巖土工程測試技術應用

3.1 測試方法選擇

擬建工程在規模上屬于小型建筑, 且要求施工周期較短。同時, 擬建區域巖土體結構較為復雜, 不適合跨孔法檢測。因此, 考慮到檢測成本以及檢測周期, 本文選擇波速檢測方法中的單孔法。

3.2 震源設備及測試設備

根據擬建工程基本特征, 本次選擇震源設備為CE-9201工程地震檢測儀。在使用單孔法進行檢測時, 將2m×0.3m×0.05m的激振板置于孔口1m處位置, 同時在木板上放置重物, 并使用大錘對木板兩側進行敲擊夯實處理, 使得巖土體產生剪切波。在擬建工程巖土體參數檢測過程中所使用的測試設備主要為孔內的三分量檢波器和地震儀。其中, 孔內三分量檢波器是由X、Y和Z三個方向的檢波器組成, 并將其密封在容器中, 其中橫波主要通過水平方向的檢波器接收信號, 縱波主要通過垂直方向上的檢波器進行接收。測試過程中三分量檢波器的位置處于孔深的10.0～14.0m處, 不同測試點的距離控制在0.5～1.0m處, 為了確保檢測結果的準確性, 對不同測試點進行了重復觀測。

3.3 數據處理

在巖土體剪切波測試過程中, 采用重復觀測的方式確定其準確度, 故在測試過程中對木板進行正反敲擊, 此時, 兩次敲擊所產生的剪切波的波形相位之間的差為180°, 能夠更加精準地獲取不同界面點剪切波到達的時間, 進而計算出不同巖土體層之間的波速值[6]。

3.4 測試結果分析

按照巖土工程勘察規范要求, 本項目對擬建區域的巖土體進行了波速檢測, 波速測試孔維23個, 所獲土層等效剪切波速統計見表1。

3.5 測試結果

由表1可知：本次對23個孔進行了巖土體剪切波波速測試, 其等效剪切波速介于253～335m/s之間, 其等效剪切波速平均值為289.4m/s。根據GB50011-2001《建筑抗震設計規范》中的要求可知, 該建設場地屬于中硬場地, 為Ⅱ類建筑場地, 故在施工場地內一般不會出現液化或者震陷問題。總體上, 施工場地的巖土工程條件良好, 能夠滿足該建設項目的基本要求。

表1 研究圖巖土體等效剪切波速統計表

4 結束語

綜上所述, 本文主要針對巖土工程勘察中的土工試驗技術進行了總結, 重點講述了現場試驗法中的原位測試技術, 并以波速測試方法中的單孔法為例, 通過實例分析的方法對該方法的應用進行了簡要的論述。根據本次測試結果表明, 使用單孔法獲取擬建區域巖土體參數, 不僅操作簡便, 準確度高, 而且試驗過程對工程施工場地的巖土體影響不大, 所獲結果準確性高, 成本低, 故該技術值得推廣使用。