第3章


岩土体原位测试技术



【本章导读】
本章主要介绍岩土体原位测试技术的常用方法，包括常用静力测试方法以及部分动力测试方法，以及各种方法的原理以及成果应用。原位测试方法很多并不直接测定岩土体的物理或力学指标，成果的应用依赖于经验关系式或半经验半理论公式。各种原位测试方法都有其自身的适用性，一些原位测试手段只适应于一定的地基条件，因此应用时需加以区别。

【本章重点】
(1) 静力载荷测试方法及成果应用； 
(2) 静力触探测试方法及成果应用； 
(3) 波速测试试验方法与成果应用； 
(4) 土体原位测试技术主要包括的内容； 
(5) 岩体原位测试技术主要包括的内容。


3.1概述
原位测试是在现场基本保持地基土的天然结构、天然含水量、天然应力状态的情况下测定
的物理力学指标，通过这些地基土的物理力学指标，依据理论分析或经验公式评定岩土设计参数
。原位测试是岩土工程监测与检测的主要方法，并可用于施工过程中或地基加固处理后地基土的物理力学性质及状态的变化检测。
原位测试的优点不仅是对难以取得不扰动土样或根本无法采样的土层通过现场原位测试获得岩土的参数，还能减少对土层的扰动，而且所测定的土体体积大，代表性好。

原位测试在很多项目并不直接测定土层的物理或力学指标，成果的应用依赖于经验关系式或半经验半理论公式。各种原位测试方法都有其自身的适用性，一些原位测试手段只能适应于一定的地基条件，应用时需加以区分。
本章主要介绍岩土工程中常用的原位测试试验方法，如静力载荷试验、静力触探试验、野外十字板剪切试验、动力触探试验、扁铲侧胀试验、旁压试验、土体波速测试、岩土体现场剪切试验等。

3.2土体原位测试技术
3.2.1静力载荷试验
3.2.1.1平板静力载荷试验

1. 平板静力载荷试验的基本原理



3.2土体原位测试技术

平板静力载荷试验(plate loading test)是一种最古老的且被广泛应用的土工原位测试方法。在拟建建筑场地开挖至预计基础埋置深度，整平坑底，放置一定面积的方形(或圆形)承压板，在其上逐级施加载荷，测定各相应载荷作用下地基沉降量。根据试验得到的载荷沉降关系曲线(ps曲线)，确定地基土的承载力； 并计算地基土的变形模量。由试验求得的地基土承载力特征值和变形模量综合反映了承压板下1.5~2.0倍承压板宽度(或直径)范围内地基土的强度和变形特性。



第3章岩土体原位测试技术





图31平板静力载荷试验ps

根据地基土的应力状态，ps曲线一般可划分为三个阶段，如图31所示。

第一阶段： 从ps曲线的原点到比例界限载荷p0，ps曲线呈直线关系。这一阶段受荷土体中任意点处的剪应力小于土的抗剪强度，土体变形主要由土体压密引起，土粒主要是竖向变位，称为压密阶段。

第二阶段： 从比例界限载荷p0到极限载荷pu，ps曲线转为曲线关系，曲线斜率Δs/Δp随压力p的增加而增大。这一阶段除土的压密外，在承压板周围的小范围土体中，剪应力已达到或超过土的抗剪强度，土体局部发生剪切破坏，土粒兼有竖向和侧向变位，称为局部剪切破坏。

第三阶段： 极限载荷pu以后，该阶段即使载荷不增加，承压板仍不断下沉，同时土中形成连续的剪切破坏滑动面，发生隆起及环状或放射状裂隙，此时滑动土体中各点的剪应力达到或超过土体的剪切强度，土体变形主要由土粒剪切引起的侧向变位，称之为整体破坏阶段。
根据土力学相关原理，结合工程实践经验和土层性质等对试验结果的分析，正确与合理地确定比例界限载荷和极限载荷是确定地基土承载力基本值和变形模量的前提，从而达到控制基底压力和地基变形的目的。
2. 平板静力载荷试验设备
常用载荷试验设备一般都由加荷稳压系统、反力系统和量测系统三部分组成。
(1) 加荷稳压系统： 包括承压板、加荷千斤顶、稳压器、油泵、油管等。
(2) 反力系统： 包括堆载式、撑臂式、锚固式等多种形式。
(3) 量测系统： 载荷量测一般采用测力环或电测压力传感器，并用压力表校核。承压板沉降量测采用百分表或用位移传感器。
静力载荷试验设备结构如图32所示。


图32静力载荷试验设备结构


3. 试验要求

承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。岩石载荷试验承压板面积不宜小于0.07m2。基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的3倍，以消除基坑周围土体的超载影响。

应注意保持试验土层的原状结构和天然湿度。承压板与土层接触处，应铺设不超过2mm厚的粗、中砂找平，以
确保承压板水平并与土层均匀接触。当试验土层为软塑、流塑状态的黏性土或饱和的松砂时，承压板周围应预留20~30cm厚的原土作为保护层。
试验加荷标准： 加荷等级不应小于8级，可参考表31选用。


表31每级载荷增量参考值



试验土层特征每级载荷增量/kPa试验土层特征每级载荷增量/kPa

淤泥、流塑黏性土、松散砂土<15坚硬黏性土、粉土、密实砂土50~100
软塑黏性土、粉土、稍密砂土15~25碎石土、软岩石、风化岩石100~200
可塑硬塑黏性土、粉土、中密砂土25~50

沉降稳定标准： 每级加荷后，按间隔5min、5min、10min、10min、15min，15min读沉降值，以后每隔30min读一次沉降值。当连续2h每小时的沉降量小于或等于0.1mm时，则认为本级载荷下沉降已趋稳定，可加下一级载荷。
极限载荷的确定。当试验中出现下列情况之一时，即可终止加载： 
(1) 承压板周围的土体明显侧向挤出； 
(2) 沉降急骤增大，载荷沉降(ps)曲线出现陡降段； 
(3) 某一载荷下，24h内沉降速率不能达到稳定标准； 

(4) s/b>0.06(b为承压板宽度或直径)。

满足前三种情况之一时，其对应的前级载荷为极限载荷。
4. 平板静力载荷试验资料整理
1) 校对原始记录资料和绘制试验关系曲线
各级载荷试验结束后，应及时对原始记录资料进行全面整理和检查，载荷作用下的稳定沉降值和沉降值随时间的变化，由载荷试验的原始资料可绘制ps曲线、lgplgs、lgtlgs等关系曲线。这既是静力载荷试验的主要成果，又是分析计算的依据。


图33平板静力载荷试验ps曲线修正

2) 沉降观测值的修正

根据原始资料绘制的ps曲线，有时由于受承压板与土之间不够密合、地基土的前期固结压力及开挖试坑引起地基土的回弹变形等因素的影响，使ps曲线的初始直线段不一定通过坐标原点。因此，在利用ps曲线推求地基土的承载力及变形模量前，应先对试验得到的沉降观测值进行修正，使ps曲线初始直线段通过坐标原点，如图33所示。

假设由试验得到的ps曲线初始直线段的方程为


s=s0+cp(31)


式中： s0——直线段与纵坐标s轴的截距(mm)； 

c——直线段的斜率； 

p——载荷(kPa)； 

s——与p对应的沉降量(mm)。
问题是如何解出s和c，求得s0和c值后可按下述方法修正沉降观测值。
比例界限点以前各点，按下式计算沉降修正值si： 


si=cpi(32)


式中： pi——比例界限点前某级载荷(kPa)； 

si——对应于载荷pi的沉降修正值。
5. 平板静力载荷试验资料应用
1) 确定地基土承载力特征值(fak)
(1) 强度控制法(以比例界限载荷p0作为地基土承载力特征值)
ps曲线上有明显的直线段，一般采用直线段的拐点所对应的载荷为比例界限载荷p0，取p0=fak。当极限载荷
pu<2p0时，取12pu=fak。

（2） 相对沉降量控制法
当ps曲线无明显拐点，曲线形状呈缓变曲线型时，可用相对沉降s/d来控制，决定地基土承载力特征值。如果承压板面积为0.25~0.5m2，可取s/d=0.01~0.015所对应的载荷值。同一土层中参加统计的试验点不应少于3个，当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取平均值作为地基土承载力特征值。
2) 确定地基土变形模量
土的变形模量应根据ps曲线的初始直线段，按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算。一般在ps曲线直线段上任取一点，取该点的载荷p和对应的沉降s，可按下式计算地基土的变形模量E0(MPa)： 


E0=I0(1-μ2)pds(33)


式中： I0——刚性承压板的形状系数(圆形承压板取0.785，方形承压板取0.86)； 

μ——土的泊松比(碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42)； 

d——承压板直径或边长(m)； 

p——ps曲线线性段的某级压力(kPa)； 

s——与p对应的沉降(mm)。
3.2.1.2螺旋板载荷试验

螺旋板载荷试验是将螺旋形承压板旋入地面以下预定深度，在土层的天然应力条件下，通过传力杆向螺旋形承压板施加压力，直接测定载荷与土层沉降的关系。螺旋板载荷试验通常用来测土的变形模量、不排水抗剪强度和固结系数等一系列重要参数。其测试深度可达10~15m。
1. 试验设备


图34螺旋板结构示意


1—导线； 2—测力传感器； 3—钢球； 4—传力顶校； 5—护套； 6—螺旋形承压板



螺旋板载荷试验设备通常有以下四部分组成。
1) 承压板
承压板呈螺旋形，它既是回转钻进时的钻头，又是钻进到达试验深度进行载荷试验的承压板。螺旋板通常有两种规格： 一种直径160mm，螺距40mm； 另一种直径252mm，螺距80mm。螺旋板结构示意如图34所示。

2) 量测系统
量测系统采用压力传感器、位移传感器或百分表分别量测施加的压力和土层的沉降量。
3) 加压装置
加压装置由千斤顶、传力杆组成。
4) 反力装置
反力装置由地锚和钢架梁等组成。
螺旋板载荷试验装置示意如图35所示。



图35螺旋板载荷试验装置示意


1—反力装置； 2—油压千斤顶； 3—百分表； 4—磁性座； 5—百分表横梁； 6—传力杆接头；

7—传力杆； 8—测力传感器； 9—螺旋形承压板



2. 试验要求

1) 应力法
用油压千斤顶分级加荷，每级载荷对于砂土、中低压缩性的黏性土、粉土宜采用50kPa，对于高压缩性土用25kPa。每加一级载荷后，按10min、10min、10min、15min，15min的间隔观测承压板沉降，以后的间隔为30min，达到相对稳定后施加下一级载荷。相对稳定的标准为连续观测两次以上沉降量小于0.1mm/h。
2) 应变法
用油压千斤顶加荷，加荷速率根据土性的不同而取值，对于砂土、中低压缩性土，宜采用1~2mm/min，每下沉1mm测读压力一次； 对于高压缩性土，宜采用0.25~0.5mm/min，每下沉0.25~0.5mm测读压力一次，直至土层破坏为止。试验点的垂直距离一般为1.0m。
3. 试验资料整理与成果应用

螺旋板载荷试验采用应力法时，根据试验可获得载荷沉降关系曲线(ps)、沉降与时间关系曲线(st曲线)； 采用应变法时，可获得载荷沉降关系曲线(ps曲线)。依据这些资料，通过理论分析可获得如下土层参数。
(1) 根据螺旋板试验资料绘制ps曲线，确定地基土的承载力特征值，其方法与静力载荷试验相同。
(2) 确定土的不排水变形模量： 


Eu=0.33ΔpDs(34)



式中： Eu——不排水变形模量(MPa)； 

Δp——压力增量(MPa)； 

s——压力增量Δp所对应的沉降量(mm)； 

D——螺旋板直径(mm)。
(3) 确定排水变形模量： 


E0=0.42ΔpDs(35)


式中： E0——排水变形模量(MPa)； 

s——在Δp压力增量下固结完成后的沉降量(mm)； 
其余符号同式(34)。
(4) 计算不排水抗剪强度： 


cu=PLkπR2(36)


式中： cu——不排水抗剪强度(kPa)； 

PL——ps曲线上极限载荷的压力(kN)； 

R——螺旋板半径(cm)； 

k——系数(对软塑、流塑软黏土取8.0~9.5，对其他土取9.0~11.5)。
(5) 计算一维压缩模量： 


Esc=mpappa1-α(37)

m=scs·(p-p0)Dpa(38)


式中： Esc——一维压缩模量(kPa)； 

pa——标准压力(kPa)； 取一个大气压pa=100kPa； 

p——ps曲线上的载荷(kPa)； 

p0——有效上覆压力(kPa)； 

s——与p对应的沉降量(cm)； 

D——螺旋板直径(cm)； 

m——模数； 

α——应力指数（超固结土取1.0，砂土、粉土取0.5，正常固结饱和黏土取0）； 

sc——无因次沉降系数，可从图36查得。


图36p0sc曲线


(a) 超固结黏土； (b) 砂土、粉土； (c) 正常固结黏土



(6) 计算径向固结系数：
根据试验得到的每级载荷下沉降量s与时间的平方根t绘制st曲线。Janbu根据一维轴对称径向排水固结理论，推导得径向固结系数为： 


Cr=T90R2t90(39)


式中：  Cr——径向固结系数(cm2/min)； 

R——螺旋板半径(cm)； 

T90——相当于90%固结度的时间因子，取0.335； 

t90——完成90%固结度的时间(min)。
可用做图法求得，如图37所示： 过st 曲线初始直线段与s轴的交点，做一条1.31倍初始段直线斜率的直线与st曲线相交，其交点即为完成90%固结度的时间t90。


图37st关系曲线


3.2.2静力触探试验
3.2.2.1静力触探试验概述


静力触探是岩土工程勘察中使用最为广泛的一个原位测试项目。其基本原理就是用准静力(相对动力触探而言，没有或很少有冲击载荷)将一个内部装有传感器的标准规格探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的状态或密实度不同，探头所受的阻力不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力转换成电信号，借助电缆传送到记录仪表记录下来，通过贯入阻力与土的工程地质特性之间的定性关系和统计相关关系，来实现获取土层剖面、提供浅基承载力、选择桩尖持力层和预估单桩承载力等岩土工程勘察的目的。

静力触探试验具有勘探和测试双重功能，它和常规的钻探取样室内试验等勘察程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等特点。特别是对于地层变化较大的复杂场地以及不易取得原状土样的饱和砂土和高灵敏度的软黏土地层的勘察，静力触探更具有其独特的优越性。桩基勘察中，静力触探的某些长处，如能准确地确定桩尖持力层等也是一般的常规勘察手段所不能比拟的。

当然，静力触探试验也有其缺点： ①贯入机理尚难搞清，无数理模型，因而目前对静力触探成果的解释主要还是经验性的； 
②它不能直接识别土层，并且对碎石类土和较密实砂土层难以贯入，因此有时还需要钻探与其配合才能完成工程地质勘察任务。尽管如此，静力触探的优越性还是相当明显的，因而能在国内外获得极其广泛的应用。
3.2.2.2静力触探的贯入设备
1. 加压装置

加压装置的作用是将探头压入土层。国内的静力触探仪按其加压装置分手摇式轻型静力触探、齿轮机械式静力触探、全液压传动静力触探仪三种类型。目前国内已研制出用微机控制的静力触探车，使微机控制应用从资料数据的处理扩展到操作领域。
2. 反力装置
静力触探的反力装置有三种形式： ①利用地锚作为反力； ②用重物作为反力； ③利用车辆自重作为反力。
3.2.2.3静力触探探头
1. 探头的工作原理


将探头压入土中，土层的阻力使探头受到一定的压力； 土层的强度越高，探头所受到的压力越大。通过探头内的阻力传感器，将土层的阻力转换为电信号，然后由仪表测量出来。为了实现这个目的，需运用三个方面的原理，即材料弹性变形的胡克定律、电量变化的电阻率定律和电桥原理。

静力触探就是通过探头传感器实现一系列量的转换： 土的强度土的阻力传感器的应变电阻的变化电压的输出，最后由电子仪器放大和记录下来，达到获取土的强度和其他指标的目的。
2. 探头的结构
目前,国内用的探头有单桥探头、双桥探头
和孔压静力触探探头。孔压静力触探探头是
能同时测量孔隙水压力的两用(psμ)或三用(qcμfs)探头，即在单桥或双桥探头的基础上增加量测孔隙水压力的功能。
1) 单桥探头
由图38可知，单桥探头由
传感器、顶柱和电阻应变片等组成，锥底的截面面积规格不一，常用的探头型号及规格见表32。单桥探头有效侧壁长度为锥底直径的1.6倍。



图38单桥探头结构


1—顶柱； 2—电阻应变片； 3—传感器； 4—密封垫圈套； 5—四芯电缆； 6—外套筒



表32单桥探头规格



型号锥头直径de/mm锥头截面面积A/cm2有效侧壁长度L/mm锥角α
/（°）
Ⅰ135.7105760
Ⅰ243.7157060

2) 双桥探头
单桥探头虽带有侧壁摩擦套筒，但不能分别测出锥头阻力和侧壁摩擦力。双桥探头除锥头传感器外，还有侧壁摩擦传感器及摩擦套筒。侧壁摩擦套筒的尺寸与锥底面积有关。双桥探头结构如图39所示，其规格见表33。


图39双桥探头结构


1—传力杆； 2—摩擦传感器； 3—摩擦筒； 4—锥尖传感器； 5—顶柱； 6—电阻应变片； 7—钢球； 8—锥尖头



表33双桥探头规格



型号锥头直径de
/mm锥头截面面积A
/cm2摩擦筒长度L
/mm摩擦筒表面积s

/mm锥角α
/（°）

Ⅰ135.71017920060
Ⅰ243.71521930060

3) 孔压静力触探探头
图310所示为带有孔隙水压力测试的静力触探探头，该探头除了具有双桥探头所需的各种部件外，还增加了由透水陶粒做成的透水滤器和一个孔压传感器。它能同时测定锥头阻力、侧壁摩擦阻力和孔隙水压力，同时还能测定探头周围土中孔隙水压力的消散过程。


图310孔压静力触探探头


3. 温度对传感器的影响及补偿方法

传感器在不受力的情况下，当温度变化时，应变片中电阻丝的阻值也会发生变化。与此同时，由于电阻丝材料与传感器材料的线膨胀系数不一样，使电阻丝受到附加拉伸或压缩，也会使应变片的阻值发生变化。这种热输出是和土层阻力无关的，因此必须设法消除才会