巖土工程試驗技術(shù)在巖土勘察中的應(yīng)用

李雪梅

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 巖土勘察技術(shù)的概念

巖土勘察技術(shù)主要是運(yùn)用各種勘察手段、技術(shù)方法，查明巖土工程施工場地可能出現(xiàn)的巖土工程問題，如場地地質(zhì)構(gòu)造、巖性以及地層厚度、水文地質(zhì)條件、地面及物理地質(zhì)現(xiàn)象等，為場地地基處理提供依據(jù)的技術(shù)[1]。

2 巖土工程中巖土勘察的重要性

2.1 揭露不良地質(zhì)問題

在巖土工程中，巖土類型、規(guī)模對施工建設(shè)具有不同程度的影響?？茖W(xué)開展巖土勘察，可以及時揭露不良地質(zhì)問題，明確現(xiàn)有地質(zhì)條件對工程建設(shè)造成的影響，確保基礎(chǔ)處理規(guī)范，避免上部構(gòu)造受損[2]。

2.2 輔助設(shè)計施工決策

在巖土工程中，巖土勘察可以根據(jù)不同階段的要求探明場地巖土形狀性質(zhì)、地質(zhì)條件，并結(jié)合工程設(shè)計、施工要求，輸出技術(shù)性論證結(jié)果，為巖土工程基礎(chǔ)、邊坡設(shè)計與施工提供指導(dǎo)，輔助巖土工程建設(shè)決策，確保巖土工程設(shè)計施工作業(yè)高效開展。

3 巖土工程試驗技術(shù)對巖土勘察的影響

在巖土工程勘察中，巖土室內(nèi)試驗是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，試驗技術(shù)的應(yīng)用規(guī)范性對試驗結(jié)果準(zhǔn)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(yīng)力路徑可提前選定，營造均一的小應(yīng)變場，獲得高精度土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。但是，一旦試驗技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)，將導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，直接影響巖土勘測任務(wù)完成度，進(jìn)而干擾巖土工程順利建設(shè)。比如，在試驗樣品采集環(huán)節(jié)，樣品采集技術(shù)應(yīng)用不合理，導(dǎo)致室內(nèi)試驗樣品與原有狀態(tài)偏差較大，影響巖土層工程狀態(tài)分析結(jié)果準(zhǔn)確性；再如，試驗技術(shù)應(yīng)用期間參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致巖土應(yīng)力（或原位觀測、三軸壓縮強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度試驗等）測試不合格，增加巖土勘察作業(yè)負(fù)擔(dān)[3]。

4 巖土工程試驗技術(shù)的實踐應(yīng)用

4.1 巖土應(yīng)力

三軸剪切試驗是測定巖土抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚應(yīng)力的一種方法，多選擇恒定圍壓環(huán)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(jù)排水條件差異，三軸剪切試驗可以劃分為不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪3 種。其中，不固結(jié)不排水剪主要是施加軸向偏應(yīng)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(jié)；固結(jié)不排水剪主要是先施加周圍壓力，促使試樣排水固結(jié)，再施加偏應(yīng)力（不允許試樣排水固結(jié)）至試樣破壞；固結(jié)排水剪主要是先施加周圍壓力，促使試樣排水固結(jié)，再施加偏應(yīng)力（允許試樣排水固結(jié)）至試樣剪切破壞[4]。在三軸壓縮強(qiáng)度試驗技術(shù)應(yīng)用時，根據(jù)需要可以選擇壓力室、施加周圍壓力系統(tǒng)、試驗機(jī)、體積變化與孔隙壓力測量系統(tǒng)組成的應(yīng)變控制式三軸儀，同時準(zhǔn)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(shè)備。在設(shè)備應(yīng)用前，檢查周圍壓力精度達(dá)到最大壓力的±1%，測讀分值為5 kPa，根據(jù)試樣強(qiáng)度選擇量力環(huán)的量程，確保最大軸向壓力精度大于或等于1%。確認(rèn)設(shè)備精度達(dá)到設(shè)計要求后，關(guān)閉量管閥，經(jīng)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(tǒng)施加壓力。在施加壓力過程中開啟量管閥，促使管路內(nèi)氣泡經(jīng)量管排出，反復(fù)操作至氣泡完全排出。排出氣泡后，將孔隙壓力閥、量管閥關(guān)閉，并借助調(diào)壓筒進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，最終孔隙壓力量測系統(tǒng)體積因數(shù)在1.5×10-5cm3/kPa 以內(nèi)。

設(shè)備準(zhǔn)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(zhì)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(jīng)試樣底座進(jìn)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(zhuǎn)兩端吸氣促使乳膠膜緊密貼合承膜筒內(nèi)壁。進(jìn)而安裝受壓室外罩，將水注滿壓力室并關(guān)閉排水孔，施加周圍壓力，單位施加標(biāo)準(zhǔn)為100 kPa、200 kPa 及300 kPa。施加周圍壓力的同時旋轉(zhuǎn)手輪至測力環(huán)量表動作，及時將測力環(huán)量表、軸向位移量表歸零。同時，啟動電動機(jī)，依據(jù)每分鐘應(yīng)變0.5%～1.0%的速度剪切，在試樣垂直應(yīng)變0.4%時記錄測力環(huán)讀數(shù)、垂直位移量表讀數(shù)。出現(xiàn)峰值后，進(jìn)行4%±1%垂直應(yīng)變，結(jié)束試驗，關(guān)閉電動機(jī)、周圍應(yīng)力閥并拔出離合器、排氣孔。以主應(yīng)力差為縱坐標(biāo)、軸向應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)，了解主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系，在存在峰值時，將曲線上主應(yīng)力差峰值作為試樣應(yīng)力破壞點(diǎn)。

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(tài)砂土孔隙比與天然孔隙比之差、松弛狀態(tài)砂土孔隙比與緊密狀態(tài)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(wěn)定性評價提供依據(jù)。首先，利用振動錘擊法，敲打至試樣體積不變時，進(jìn)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(nèi)，進(jìn)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(huán)刀法進(jìn)行測量。提前準(zhǔn)備內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm 的環(huán)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(jìn)行土樣切削，切削后稱量，直接稱取濕土質(zhì)量，試樣濕密度為濕土質(zhì)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(tài)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(jù)。烘干法是巖土含水率試驗常用方法，需要提前準(zhǔn)備烘箱、干燥劑（硅膠、氯化鈣等）、精度達(dá)到0.01 g 的天平、稱量盒等。現(xiàn)場收集試樣，巖石試樣尺寸超出巖石最大顆粒的10 倍，質(zhì)量超出40 g 但小于200 g。在記錄試樣結(jié)構(gòu)、顏色后，將試樣放入已烘干至恒定質(zhì)量的稱量盒，稱量盒質(zhì)量已稱量。進(jìn)而在烘箱內(nèi)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(jié)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(zhì)量與干燥稱量盒質(zhì)量之和，g；m2為試樣烘干后質(zhì)量與干燥稱量盒質(zhì)量之和，g；m0為稱量盒恒定質(zhì)量，g。一般試樣含水率變化應(yīng)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(tài)下，測定其性能。試驗本質(zhì)上是在巖土工程天然含水量、天然結(jié)構(gòu)、天然應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行巖土反應(yīng)與特定力學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)的測試，可為巖土工程性質(zhì)判定提供依據(jù)。原位試驗包括十字板剪切試驗、靜力觸探試驗、標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定形狀、尺寸的十字板板頭，剪切破壞土體，促使土體內(nèi)十字板頭等速扭轉(zhuǎn)，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(jīng)測定的土體最大抗扭力矩為地基土不排水抗剪強(qiáng)度測試提供依據(jù)。在十字板剪切試驗時，可以準(zhǔn)備由傳力系統(tǒng)、十字板頭、加力系統(tǒng)、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(diǎn)，相鄰試驗點(diǎn)之間距離為1 m。在各試驗點(diǎn)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(jìn)而依據(jù)1.5°/10 s±0.5°/10 s 的速度扭轉(zhuǎn)剪切，在達(dá)到峰值強(qiáng)度后繼續(xù)測記1 min。結(jié)束后順時針旋轉(zhuǎn)6 圈獲得重塑土的不排水抗剪強(qiáng)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(nèi)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(xué)性質(zhì)判定提供依據(jù)。探頭部分可以選擇有效側(cè)壁長57 mm×φ37.7 cm 的60°單橋探頭，也可以選擇摩擦筒側(cè)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(yīng)變計，根據(jù)配套測量電路自動計數(shù)。首先，排除探頭應(yīng)變腔液體全部氣泡；其次，確定探頭應(yīng)變腔飽和后，依據(jù)1.2 m/min 的貫入速度，將觸探頭壓入土體內(nèi)。在貫入深度超出30 m 時，利用測斜探頭進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗主要是在現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)貫入器（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格圓筒形探頭）進(jìn)入土體內(nèi)，根據(jù)30 cm 深錘擊次數(shù)評定土體性質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗所需裝置為穿心錘、貫入器、導(dǎo)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(dǎo)向桿；貫入器由對開關(guān)、管靴兩部分組成；導(dǎo)向桿為φ45 mm及以上無縫鋼管。在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗開展期間，利用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，鉆入土體內(nèi)，孔內(nèi)水位始終超出地下水位，必要時利用套管護(hù)壁（或泥漿護(hù)壁）。鉆入試驗標(biāo)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(wěn)下落到孔位，下落速率在30 擊/min 以內(nèi)，同時探桿最大相對彎曲度在1‰以內(nèi)。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(shù)，最終標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)為累計打入30 cm 的錘擊數(shù)，對應(yīng)實際貫入度的錘擊數(shù)為50 擊。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)計算公式為：

式中，N 為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)，擊；ΔS 為50 擊時實際貫入深度，cm。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)，可以進(jìn)行土體稠度狀態(tài)、變形參數(shù)、密實狀態(tài)的評價。

5 結(jié)語

綜上所述，巖土工程地形地貌復(fù)雜，巖土性質(zhì)變化大，且存在不良地質(zhì)發(fā)育情況。在工程開展前，應(yīng)進(jìn)行巖土勘察，在外業(yè)勘察的基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)試驗技術(shù)進(jìn)一步探測巖土性質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境變化，及時發(fā)現(xiàn)作用劇烈的特殊性巖土或?qū)こ逃绊戄^大的地下水，豐富巖土勘察報告，為巖土工程施工方案的優(yōu)化提供依據(jù)。