不同巖土試驗及原位測試方法在地鐵勘察中的應(yīng)用

劉志剛

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

不同巖土試驗及原位測試方法在地鐵勘察中的應(yīng)用

劉志剛*

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

在地鐵工程勘察中，不同工法可采用不同的巖土試驗及原位測試方法。本文著重介紹了不同試驗及測試在地鐵勘察中的應(yīng)用，取樣及測試的位置與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，取樣及測試的數(shù)量要求等內(nèi)容。

巖土室內(nèi)試驗；原位測試；地鐵勘察

1 引 言

在地鐵工程勘察中，不同工法包括明挖法、礦山法、盾構(gòu)法及高架工法，需要提供不同的巖土參數(shù)，而這些巖土參數(shù)都是通過巖土試驗及原位測試等手段得到的。其中有些是針對不同工法勘察必須要做的試驗及測試，如明挖法的巖土抗剪強度試驗及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，礦山法中的巖石抗壓強度試驗及巖體波速試驗，盾構(gòu)法(TBM法)中的巖石耐磨試驗等；有些也是不需要做的，如高架工法中的巖體的剪切波(Vs)測試等。對于不同試驗及測試，取樣位置及取樣的數(shù)量也是不同的。

2 室內(nèi)試驗

2.1巖石室內(nèi)試驗

(1)單軸抗壓強度試驗

分天然、飽和、干燥狀態(tài)下的單軸抗壓強度試驗。

①天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度試驗，當(dāng)巖石為易溶性巖石、膨脹性巖石、崩解性巖石等不具備做飽和單軸抗壓強度實驗的巖石時，需要做天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度，用來替代飽和單軸抗壓強度使用。

②飽和單軸抗壓強度試驗是地鐵勘察中普遍需要做的巖石試驗，用來確定巖石的堅硬程度，并與巖體完整性指數(shù)Kv一起計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，與縱波(Vp)波速一并指導(dǎo)圍巖分級。還可以確定各巖層的巖土施工工程分級、TBM及復(fù)合式盾構(gòu)(EPB)工法中刀具的選擇、地基承載力、高架工點嵌巖樁的計算等。

③干燥狀態(tài)下的單軸抗壓強度試驗，用來計算軟化系數(shù)KR(飽和單軸抗壓強度與干燥時抗壓強度的比值)，當(dāng)軟化系數(shù)≤0.75時，巖石為軟化巖石，當(dāng)軟化系數(shù)>0.75時為不軟化巖石。對于花崗巖等硬質(zhì)巖石來說，干燥狀態(tài)下的抗壓強度是不需要做的。對于軟化巖石如泥巖、泥質(zhì)砂巖來說，為確定軟化系數(shù)，需要做該試驗。

④取樣位置對于地下工程來說，應(yīng)在洞身及洞頂以上一倍洞徑范圍(一倍洞徑以上如果出現(xiàn)其他風(fēng)化帶巖石，要單獨取樣)及洞底位置；取樣間距洞身范圍要小一些，洞頂以上取樣間距大一些。在巖體波速試驗鉆孔中取樣時，取樣深度應(yīng)與縱波波速深度相對應(yīng)。

對于明挖基坑，應(yīng)在基坑開挖范圍及基底取樣(如果基底以下要采用抗拔樁，還要在抗拔樁入巖深度范圍適當(dāng)取樣)。

對于高架工程，應(yīng)在樁身入巖深度范圍及樁端以下一倍樁徑范圍內(nèi)采取。

⑤取樣數(shù)量每種巖性、每種風(fēng)化帶不少于9個，取樣長度不小于 15 cm。

(2)點荷載試驗

當(dāng)巖芯破碎，不能取得短柱狀巖芯用來做單軸抗壓強度時，可以采取塊狀巖芯做點荷載試驗，用來換算飽和單軸抗壓強度。取樣位置及取樣數(shù)量同單軸抗壓強度試驗，取樣長度不應(yīng)小于 3 cm。

(3)壓縮試驗

測定巖石的彈性模量(E)及彈性泊松比(μ)，用以計算巖體垂直向及水平向變形。試驗樣品可以與單軸抗壓強度試驗共用，不用單獨取樣。

(4)巖石直剪試驗

測定巖石的抗剪強度參數(shù)(c、φ)，用以計算巖體穩(wěn)定性(基坑及硐室)及巖土壓力。取樣位置同單軸抗壓強度試驗，取樣數(shù)量每種巖性、每種風(fēng)化帶不少于6個(用來計算標(biāo)準(zhǔn)值)，取樣長度不小于 15 cm。

(5)劈裂試驗

測定巖石的抗拉強度(σt)，對巖石鉆進及爆破方面進行指導(dǎo)作用。該試驗可只在暗挖車站、隧道或明挖基坑中取樣。取樣位置同單軸抗壓強度試驗，取樣數(shù)量每種巖性、每種風(fēng)化帶不少于6個，取樣長度不小于 15 cm。

(6)巖芯波速試驗

測定巖塊的縱波(Vp)及剪切波(Vs)波速。

①巖塊縱波(Vp)波速用來計算巖體完整性指數(shù)(Kv)，應(yīng)在巖體波速試驗鉆孔中取樣，并且取樣深度應(yīng)與縱波波速深度相對應(yīng)。

②巖塊剪切波(Vs)波速用來與縱波(Vp)波速一起計算動彈性模量及動泊松比，取樣應(yīng)與巖塊縱波波速相對應(yīng)。

③該試驗可只在暗挖車站、隧道或明挖基坑中取樣。試驗樣品可以與單軸抗壓強度或點荷載試驗共用，不用單獨取樣。

(7)巖礦鑒定試驗

當(dāng)無法判定巖石巖性的情況下，可以通過巖礦鑒定試驗對巖石進行定名。試驗樣品可以與其他巖石試驗共用，不用單獨取樣。取樣位置及取樣數(shù)量沒有特殊要求，一種巖性有1組即可。

(8)熱物理性指標(biāo)試驗

測定巖塊的比熱(C)及導(dǎo)熱系數(shù)(λ)，通過公式計算導(dǎo)溫系數(shù)(α)，用來計算城市軌道交通工程通風(fēng)負荷。該試驗可只在暗挖車站、隧道或明挖基坑中取樣。試驗樣品可以與其他巖石試驗共用，不用單獨取樣。取樣位置同單軸抗壓強度試驗，取樣數(shù)量每種巖性、每種風(fēng)化帶不少于6個，取樣長度不小于 5 cm。

(9)巖石物理性指標(biāo)試驗

巖石物理性指標(biāo)包括含水率、自由吸水率、飽和吸水率、塊體密度(包括天然、風(fēng)干、飽和塊體密度，一般只做天然狀態(tài)下的塊體密度即可)及顆粒密度(比重)，對于每種巖性及風(fēng)化帶巖石可以有選擇性的采用試驗。試驗樣品可以與其他巖石試驗共用，不用單獨取樣。取樣數(shù)量每種巖性、每種風(fēng)化帶不少于6個。

(10)巖石耐磨性試驗、礦物成分

巖石耐磨性試驗及礦物成分分析，用來測定巖石耐磨性指數(shù)CAI及分析巖石的礦物成分，在TBM或復(fù)合式盾構(gòu)(EPB)工法中，用來選擇刀具及對刀具的磨損進行測算。取樣位置應(yīng)在洞身范圍內(nèi)，取樣數(shù)量每種風(fēng)化帶、每種巖性不得少于6塊，滿足統(tǒng)計要求。

(11)膨脹性、耐崩解性試驗

對于黏土礦物含量較高的巖石，測定巖石的自由膨脹率、耐崩解性指數(shù)。取樣可以選擇性采取。取樣位置同單軸抗壓強度試驗，取樣數(shù)量每種巖性、每種風(fēng)化帶不少于6個，取樣長度不小于 5 cm。

2.2土工室內(nèi)試驗

(1)土的物理性質(zhì)試驗

①土的物理性質(zhì)試驗是對于黏性土、粉土等細粒土，在地鐵勘察中普遍需要做的試驗。其中由試驗直接測定的基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括含水率(W)、天然密度(ρo)、土粒比重(Gs)，由以上指標(biāo)計算求得的基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括干密度(ρd)、孔隙比(eo)、飽和度(Sr)。土的物理性質(zhì)試驗中含水率(W)，可以評價土的承載力及凍脹性，粉土的濕度；天然密度(ρo)可以計算土的自重壓力、土壓力、地基的穩(wěn)定性和承載力；干密度(ρd)可以評價土的密實度；孔隙比(eo)及飽和度(Sr)可以評價土的密實度及承載力。

②取樣位置對于地下工程(暗挖車站、隧道)來說，如果土層在隧道洞身以上，應(yīng)在鉆探揭露的主要土層中采??；如果土層在隧道洞身范圍，應(yīng)在洞身及洞頂以上一倍洞徑范圍及洞底位置采取；取樣間距洞身范圍要小一些，洞頂以上取樣間距大一些。

對于明挖基坑，應(yīng)在基坑開挖范圍及基底取樣。對于高架工程，應(yīng)在樁身入土深度范圍及內(nèi)采取。

③取樣數(shù)量每一主要土層不少于6組。

(2)界限含水率試驗

①界限含水率試驗與土的物理性質(zhì)試驗一樣，都是黏性土、粉土等細粒土普遍需要做的試驗。通過試驗測定液限(WL)、塑性(Wp)，從而計算塑性指數(shù)(IP)及液性指數(shù)(IL)，用來對黏性土進行分類，劃分黏性土的狀態(tài)，評價土的承載力及樁基參數(shù)等。

②取樣位置及取樣數(shù)量同土的物理性質(zhì)試驗。試驗樣品可以與土的物理性質(zhì)試驗共用，不用單獨取樣。

(3)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗

①對于黏性土在地鐵勘察中普遍需要做的試驗。通過試驗測定壓縮系數(shù)(av0.1-0.2)、壓縮模量(Es0.1-0.2)；對于飽和狀態(tài)下的軟土，如果采用真空預(yù)壓或堆載預(yù)壓進行地基處理，還要測定不同壓力下的固結(jié)系數(shù)(CH、Cv)、先期固結(jié)壓力(Pc)、壓縮指數(shù)(Cc)或回彈指數(shù)(Cs)等。壓縮系數(shù)、壓縮模量及壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)用來計算地基變形，評價土的承載力；固結(jié)系數(shù)用來計算沉降時間及固結(jié)度；先期固結(jié)壓力用來判斷土的應(yīng)力狀態(tài)和壓密狀態(tài)。

②取樣位置及取樣數(shù)量同土的物理性質(zhì)試驗。試驗樣品可以與土的物理性質(zhì)試驗共用，不用單獨取樣。

(4)直接剪切試驗

①對于黏性土、粉土等細粒土普遍需要做的試驗。一般包括快剪、固結(jié)快剪、慢剪試驗。其中快剪試驗(常用)適用于加荷速率快，排水條件差，如斜坡的穩(wěn)定性，厚度很大的飽和黏土地基；固結(jié)快剪試驗(常用)用來評價地基的穩(wěn)定性，并且施工期間具有一定的固結(jié)作用；慢剪適用于加荷速率慢，排水條件好，施工期場，如透水性好的低塑性土以及在軟弱飽和土層上的高填方。分層控制填筑等。

②通過剪切試驗測定土的黏聚力(c)、摩擦角(φ)，用來評價地基的穩(wěn)定性，計算承載力、斜坡的穩(wěn)定性、擋土墻的土壓力等。

③取樣位置同土的物理性質(zhì)試驗。取樣數(shù)量每一主要土層不少于6組，滿足統(tǒng)計要求(計算標(biāo)準(zhǔn)值)，試驗樣品可以與土的物理性質(zhì)試驗共用，不用單獨取樣(同一土樣只能做一種直剪試驗)。

(5)三軸試驗

①對于黏性土、粉土等細粒土可以選擇性采用的剪切試驗。一般包括不固結(jié)不排水剪(UU)、固結(jié)不排水剪(CU)、固結(jié)排水剪切(CD)試驗。其中不固結(jié)不排水剪(常用)與直接快剪試驗的適用范圍一致；固結(jié)不排水剪(常用)與固結(jié)快剪試驗的適用范圍一致；固結(jié)排水剪切與直接慢剪試驗的適用范圍一致。

②取樣位置及取樣數(shù)量同土的直接剪切試驗。試驗樣品要單獨取樣(同一土樣只能做一種三軸試驗)。

(6)無側(cè)限抗壓強度試驗

①對于飽和軟黏性土，選擇性采用的土工試驗，測定飽和黏性土的無側(cè)限抗壓強度(qu)，并且通過計算求得靈敏度(St)及內(nèi)摩擦角φ≈0的抗剪強度，從而估算土的承載力、評價土的結(jié)構(gòu)性。

②應(yīng)在對工程有影響的土層中取樣，取樣數(shù)量每一主要土層不少于6組。試驗樣品要單獨取樣。

(7)顆粒分析試驗

對于各類砂土、粉土，在地鐵勘察中普遍需要做的試驗。測定各砂土、粉土的顆粒組成，用來砂土定名、砂土液化的判定，計算不均勻系數(shù)(Cu)及曲率系數(shù)(Cc)。取樣位置及取樣數(shù)量同土的物理性質(zhì)試驗。

(8)易溶鹽試驗

用來測定各種土中易溶鹽含量，對易溶鹽含量大于0.3%的鹽漬巖土，需要判別鹽漬土的類別，評價其溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性。應(yīng)在地下水位以上單獨進行采取，每個場地、每種土樣不少于2件。

(9)其他特殊性試驗

包括膨脹性土的自由膨脹率、膨脹率(一定荷載)、收縮、膨脹力試驗，濕陷性土的黃土濕陷性試驗，有機質(zhì)土的有機質(zhì)含量試驗等。取樣數(shù)量每一主要土層不少于6組，并且試驗樣品要單獨取樣。

熱物理指標(biāo)及基床系數(shù)，應(yīng)在對工程有影響的主要土層中采取，其中基床系數(shù)一般在基底位置對應(yīng)土層采取，取樣數(shù)量不少于6組。試驗樣品可以與土的物理性質(zhì)試驗共用，不用單獨取樣。

2.3不同工法采用的室內(nèi)試驗方法

表1

3 原位測試

3.1巖體原位測試

(1)承壓板法載荷試驗

測定巖體變形參數(shù)(變形模量或彈性模量)、承載力特征值及基床系數(shù)(K30載荷板試樣)。對于基坑基底位于軟巖，對變形及承載能力要求較高的情況下可以選擇性采用。

(2)現(xiàn)場直剪試驗

測定預(yù)定剪切面的抗剪強度參數(shù)(c、φ)，用以計算巖體穩(wěn)定性。在基坑或者硐室開挖后，可以選擇性使用。

(3)巖體波速試驗

測定巖體的縱波(Vp)及剪切波(Vs)波速。

①巖體縱波(Vp)波速用來計算巖體完整性指數(shù)(Kv)，判斷巖體的風(fēng)化程度。并用Kv聯(lián)合飽和單軸抗壓強度一起計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，與縱波(Vp)波速一并指導(dǎo)圍巖分級。

②巖體的剪切波(Vs)波速，與縱波(Vp)一起計算巖體的動彈性系數(shù)(動彈性模量、動剪切模量、動泊松比)。

③測試數(shù)量每個地鐵車站或者區(qū)間不宜少于3個孔。

(4)孔內(nèi)井溫及電阻率測試

測定巖體的視電阻率，測試數(shù)量每個地鐵車站或者區(qū)間不宜少于2個孔。

3.2土層原位測試

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

①標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是地鐵勘察中普遍需要做的原位測試，對第四系黏性土、粉土、砂土及強風(fēng)化巖進行試驗，試驗操作按國家現(xiàn)行相關(guān)原位測試規(guī)程進行，其目的是確定砂土的密實度、基巖的風(fēng)化程度、地基承載力，估算單樁承載力，評價砂土液化等。

②標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗一般在所布置原位測試勘探孔中進行，原位測試勘探數(shù)量對于車站工程不應(yīng)少于勘探點總數(shù)的1/2，區(qū)間工程不應(yīng)少于勘探點總數(shù)的2/3。

③測試數(shù)量：每一單獨工點的每一土層不少于6次；對厚度大于 0.5 m的夾層或透鏡體，應(yīng)進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。

(2)重型動力觸探試驗

①根據(jù)巖土層情況，重型動力觸探試驗主要在雜填土、圓礫土、卵石土等因無法采取原狀土樣及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗時進行，試驗操作按國家現(xiàn)行相關(guān)原位測試規(guī)程。根據(jù)動力觸探指標(biāo)，利用地區(qū)經(jīng)驗，評定人工填土的均勻性及密實程度，對第四系土層進行力學(xué)分層。繪制N63.5隨土層深度變化曲線，對各土層的豎向均勻性做出評價。

②在所布置原位測試勘探孔中進行，原位測試勘探數(shù)量(可與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗一起)對于車站工程不應(yīng)少于勘探點總數(shù)的1/2，區(qū)間工程不應(yīng)少于勘探點總數(shù)的2/3。

③測試數(shù)量：地下工程每個車站、區(qū)間在同一地質(zhì)單元體內(nèi)，主要地層每層動力觸探試驗次數(shù)不少于10個。

(3)波速測試

①測定土體的橫波速度，計算等效剪切波速度Vse或平均剪切波速度Vsm進行工程場地、場地土分類，為抗震設(shè)計和場地地震安全性評價提供資料。

②測試數(shù)量：每工點(車站、區(qū)間)均應(yīng)進行聲波測井。測試數(shù)量每個地鐵車站或者區(qū)間，相同地貌單元不宜少于3個孔；如果工點橫跨2個地貌單元，每個地貌單元不少于3個孔。

(4)十字板剪切試驗

①測定飽和軟黏性土的不排水抗剪強度及靈敏度等參數(shù)，從而計算地基承載力、估算單樁極限承載力，判定軟土的固結(jié)歷史等。

②根據(jù)工程需要及場區(qū)地層情況，在所布置原位測試勘探孔中進行，測試鉆孔數(shù)量沒有特殊要求，需保證每一單獨工點的主要土層(飽和軟黏性土)測試點數(shù)不少于6個，滿足統(tǒng)計要求(計算標(biāo)準(zhǔn)值)。

(5)靜力觸探試驗

①測定軟土、粉土的比貫入阻力、錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力等，根據(jù)靜力觸探資料，利用地區(qū)經(jīng)驗，可進行力學(xué)分層，估算土的塑性狀態(tài)或密實度、強度、地基承載力、單樁承載力，進行液化判別等。

②測試鉆孔數(shù)量及測試點數(shù)同十字板剪切試驗。

(6)旁壓試驗

①對建筑場地內(nèi)第四系軟土、一般黏性土、粉土、黃土和松散-中密的砂土進行旁壓試驗，根據(jù)試驗資料確定土的臨塑壓力和極限壓力，估算土的旁壓模量、旁壓剪切模量及水平基床系數(shù)，估算黏性土的不排水抗剪強度及砂類土的內(nèi)摩擦角。

②根據(jù)工程需要及場區(qū)地層情況，在所布置原位測試勘探孔中進行，測試鉆孔數(shù)量沒有特殊要求，需保證每一單獨工點的主要土層測試點數(shù)不少于6個，滿足統(tǒng)計要求。

(7)載荷試驗

測定基坑底對應(yīng)土層的承載力及變形模量。根據(jù)工程需要及場區(qū)地層情況，待基坑開挖后選擇性采用。測試數(shù)量每個場地不宜少于3個，當(dāng)場地內(nèi)巖土體不均時，應(yīng)適當(dāng)增加。試驗位置應(yīng)布置在基礎(chǔ)底面標(biāo)高處。

3.3不同工法采用的原位測試方法

表2

4 結(jié) 語

地鐵工程勘察報告中巖土參數(shù)的選用，對于地鐵設(shè)計及施工都有著重要的作用。本文的目的是根據(jù)不同工法地鐵勘察，有針對性的選用巖土試驗及原位測試，給設(shè)計部門提供其需要的、準(zhǔn)確的巖土參數(shù)。

[1] GB 50307-2012. 城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2] GB 50021-2001(2009年版). 巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3] GB/T 50123-1999(2007年版). 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB/T 50266-2013. 工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會. 工程地質(zhì)手冊(第四版)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006，132～325.

DifferentGeotechnicalandIn-situTestApplicationinMetroInvestigation

Liu Zhigang

(Qingdao Surveying and Mapping Research Institute，Qingdao 266032，China)

In the metro investigation，different construction methods will be used in different geotechnical and in-situ test. This paper focuses on the application of different tests in themetro investigation，the relationship between the location and structure，and the number of sampling and testing requirements.

laboratory test of rock；in-situ Test；metro investigation

1672-8262(2017)05-172-05

P642

B

2017—01—12

劉志剛(1982—)，男，工程師，注冊土木(巖土)工程師，主要從事海域及陸域巖土工程勘察工作。