不同岩土试验及原位测试方法在地铁勘察中的应用

刘志刚

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

不同岩土试验及原位测试方法在地铁勘察中的应用

刘志刚*

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

在地铁工程勘察中，不同工法可采用不同的岩土试验及原位测试方法。本文着重介绍了不同试验及测试在地铁勘察中的应用，取样及测试的位置与结构的关系，取样及测试的数量要求等内容。

岩土室内试验；原位测试；地铁勘察

1 引 言

在地铁工程勘察中，不同工法包括明挖法、矿山法、盾构法及高架工法，需要提供不同的岩土参数，而这些岩土参数都是通过岩土试验及原位测试等手段得到的。其中有些是针对不同工法勘察必须要做的试验及测试，如明挖法的岩土抗剪强度试验及标准贯入试验，矿山法中的岩石抗压强度试验及岩体波速试验，盾构法(TBM法)中的岩石耐磨试验等；有些也是不需要做的，如高架工法中的岩体的剪切波(Vs)测试等。对于不同试验及测试，取样位置及取样的数量也是不同的。

2 室内试验

2.1岩石室内试验

(1)单轴抗压强度试验

分天然、饱和、干燥状态下的单轴抗压强度试验。

①天然状态下的单轴抗压强度试验，当岩石为易溶性岩石、膨胀性岩石、崩解性岩石等不具备做饱和单轴抗压强度实验的岩石时，需要做天然状态下的单轴抗压强度，用来替代饱和单轴抗压强度使用。

②饱和单轴抗压强度试验是地铁勘察中普遍需要做的岩石试验，用来确定岩石的坚硬程度，并与岩体完整性指数Kv一起计算岩体基本质量指标BQ值，与纵波(Vp)波速一并指导围岩分级。还可以确定各岩层的岩土施工工程分级、TBM及复合式盾构(EPB)工法中刀具的选择、地基承载力、高架工点嵌岩桩的计算等。

③干燥状态下的单轴抗压强度试验，用来计算软化系数KR(饱和单轴抗压强度与干燥时抗压强度的比值)，当软化系数≤0.75时，岩石为软化岩石，当软化系数>0.75时为不软化岩石。对于花岗岩等硬质岩石来说，干燥状态下的抗压强度是不需要做的。对于软化岩石如泥岩、泥质砂岩来说，为确定软化系数，需要做该试验。

④取样位置对于地下工程来说，应在洞身及洞顶以上一倍洞径范围(一倍洞径以上如果出现其他风化带岩石，要单独取样)及洞底位置；取样间距洞身范围要小一些，洞顶以上取样间距大一些。在岩体波速试验钻孔中取样时，取样深度应与纵波波速深度相对应。

对于明挖基坑，应在基坑开挖范围及基底取样(如果基底以下要采用抗拔桩，还要在抗拔桩入岩深度范围适当取样)。

对于高架工程，应在桩身入岩深度范围及桩端以下一倍桩径范围内采取。

⑤取样数量每种岩性、每种风化带不少于9个，取样长度不小于 15 cm。

(2)点荷载试验

当岩芯破碎，不能取得短柱状岩芯用来做单轴抗压强度时，可以采取块状岩芯做点荷载试验，用来换算饱和单轴抗压强度。取样位置及取样数量同单轴抗压强度试验，取样长度不应小于 3 cm。

(3)压缩试验

测定岩石的弹性模量(E)及弹性泊松比(μ)，用以计算岩体垂直向及水平向变形。试验样品可以与单轴抗压强度试验共用，不用单独取样。

(4)岩石直剪试验

测定岩石的抗剪强度参数(c、φ)，用以计算岩体稳定性(基坑及硐室)及岩土压力。取样位置同单轴抗压强度试验，取样数量每种岩性、每种风化带不少于6个(用来计算标准值)，取样长度不小于 15 cm。

(5)劈裂试验

测定岩石的抗拉强度(σt)，对岩石钻进及爆破方面进行指导作用。该试验可只在暗挖车站、隧道或明挖基坑中取样。取样位置同单轴抗压强度试验，取样数量每种岩性、每种风化带不少于6个，取样长度不小于 15 cm。

(6)岩芯波速试验

测定岩块的纵波(Vp)及剪切波(Vs)波速。

①岩块纵波(Vp)波速用来计算岩体完整性指数(Kv)，应在岩体波速试验钻孔中取样，并且取样深度应与纵波波速深度相对应。

②岩块剪切波(Vs)波速用来与纵波(Vp)波速一起计算动弹性模量及动泊松比，取样应与岩块纵波波速相对应。

③该试验可只在暗挖车站、隧道或明挖基坑中取样。试验样品可以与单轴抗压强度或点荷载试验共用，不用单独取样。

(7)岩矿鉴定试验

当无法判定岩石岩性的情况下，可以通过岩矿鉴定试验对岩石进行定名。试验样品可以与其他岩石试验共用，不用单独取样。取样位置及取样数量没有特殊要求，一种岩性有1组即可。

(8)热物理性指标试验

测定岩块的比热(C)及导热系数(λ)，通过公式计算导温系数(α)，用来计算城市轨道交通工程通风负荷。该试验可只在暗挖车站、隧道或明挖基坑中取样。试验样品可以与其他岩石试验共用，不用单独取样。取样位置同单轴抗压强度试验，取样数量每种岩性、每种风化带不少于6个，取样长度不小于 5 cm。

(9)岩石物理性指标试验

岩石物理性指标包括含水率、自由吸水率、饱和吸水率、块体密度(包括天然、风干、饱和块体密度，一般只做天然状态下的块体密度即可)及颗粒密度(比重)，对于每种岩性及风化带岩石可以有选择性的采用试验。试验样品可以与其他岩石试验共用，不用单独取样。取样数量每种岩性、每种风化带不少于6个。

(10)岩石耐磨性试验、矿物成分

岩石耐磨性试验及矿物成分分析，用来测定岩石耐磨性指数CAI及分析岩石的矿物成分，在TBM或复合式盾构(EPB)工法中，用来选择刀具及对刀具的磨损进行测算。取样位置应在洞身范围内，取样数量每种风化带、每种岩性不得少于6块，满足统计要求。

(11)膨胀性、耐崩解性试验

对于黏土矿物含量较高的岩石，测定岩石的自由膨胀率、耐崩解性指数。取样可以选择性采取。取样位置同单轴抗压强度试验，取样数量每种岩性、每种风化带不少于6个，取样长度不小于 5 cm。

2.2土工室内试验

(1)土的物理性质试验

①土的物理性质试验是对于黏性土、粉土等细粒土，在地铁勘察中普遍需要做的试验。其中由试验直接测定的基本物理性质指标包括含水率(W)、天然密度(ρo)、土粒比重(Gs)，由以上指标计算求得的基本物理性质指标包括干密度(ρd)、孔隙比(eo)、饱和度(Sr)。土的物理性质试验中含水率(W)，可以评价土的承载力及冻胀性，粉土的湿度；天然密度(ρo)可以计算土的自重压力、土压力、地基的稳定性和承载力；干密度(ρd)可以评价土的密实度；孔隙比(eo)及饱和度(Sr)可以评价土的密实度及承载力。

②取样位置对于地下工程(暗挖车站、隧道)来说，如果土层在隧道洞身以上，应在钻探揭露的主要土层中采取；如果土层在隧道洞身范围，应在洞身及洞顶以上一倍洞径范围及洞底位置采取；取样间距洞身范围要小一些，洞顶以上取样间距大一些。

对于明挖基坑，应在基坑开挖范围及基底取样。对于高架工程，应在桩身入土深度范围及内采取。

③取样数量每一主要土层不少于6组。

(2)界限含水率试验

①界限含水率试验与土的物理性质试验一样，都是黏性土、粉土等细粒土普遍需要做的试验。通过试验测定液限(WL)、塑性(Wp)，从而计算塑性指数(IP)及液性指数(IL)，用来对黏性土进行分类，划分黏性土的状态，评价土的承载力及桩基参数等。

②取样位置及取样数量同土的物理性质试验。试验样品可以与土的物理性质试验共用，不用单独取样。

(3)标准固结试验

①对于黏性土在地铁勘察中普遍需要做的试验。通过试验测定压缩系数(av0.1-0.2)、压缩模量(Es0.1-0.2)；对于饱和状态下的软土，如果采用真空预压或堆载预压进行地基处理，还要测定不同压力下的固结系数(CH、Cv)、先期固结压力(Pc)、压缩指数(Cc)或回弹指数(Cs)等。压缩系数、压缩模量及压缩指数、回弹指数用来计算地基变形，评价土的承载力；固结系数用来计算沉降时间及固结度；先期固结压力用来判断土的应力状态和压密状态。

②取样位置及取样数量同土的物理性质试验。试验样品可以与土的物理性质试验共用，不用单独取样。

(4)直接剪切试验

①对于黏性土、粉土等细粒土普遍需要做的试验。一般包括快剪、固结快剪、慢剪试验。其中快剪试验(常用)适用于加荷速率快，排水条件差，如斜坡的稳定性，厚度很大的饱和黏土地基；固结快剪试验(常用)用来评价地基的稳定性，并且施工期间具有一定的固结作用；慢剪适用于加荷速率慢，排水条件好，施工期场，如透水性好的低塑性土以及在软弱饱和土层上的高填方。分层控制填筑等。

②通过剪切试验测定土的黏聚力(c)、摩擦角(φ)，用来评价地基的稳定性，计算承载力、斜坡的稳定性、挡土墙的土压力等。

③取样位置同土的物理性质试验。取样数量每一主要土层不少于6组，满足统计要求(计算标准值)，试验样品可以与土的物理性质试验共用，不用单独取样(同一土样只能做一种直剪试验)。

(5)三轴试验

①对于黏性土、粉土等细粒土可以选择性采用的剪切试验。一般包括不固结不排水剪(UU)、固结不排水剪(CU)、固结排水剪切(CD)试验。其中不固结不排水剪(常用)与直接快剪试验的适用范围一致；固结不排水剪(常用)与固结快剪试验的适用范围一致；固结排水剪切与直接慢剪试验的适用范围一致。

②取样位置及取样数量同土的直接剪切试验。试验样品要单独取样(同一土样只能做一种三轴试验)。

(6)无侧限抗压强度试验

①对于饱和软黏性土，选择性采用的土工试验，测定饱和黏性土的无侧限抗压强度(qu)，并且通过计算求得灵敏度(St)及内摩擦角φ≈0的抗剪强度，从而估算土的承载力、评价土的结构性。

②应在对工程有影响的土层中取样，取样数量每一主要土层不少于6组。试验样品要单独取样。

(7)颗粒分析试验

对于各类砂土、粉土，在地铁勘察中普遍需要做的试验。测定各砂土、粉土的颗粒组成，用来砂土定名、砂土液化的判定，计算不均匀系数(Cu)及曲率系数(Cc)。取样位置及取样数量同土的物理性质试验。

(8)易溶盐试验

用来测定各种土中易溶盐含量，对易溶盐含量大于0.3%的盐渍岩土，需要判别盐渍土的类别，评价其溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性。应在地下水位以上单独进行采取，每个场地、每种土样不少于2件。

(9)其他特殊性试验

包括膨胀性土的自由膨胀率、膨胀率(一定荷载)、收缩、膨胀力试验，湿陷性土的黄土湿陷性试验，有机质土的有机质含量试验等。取样数量每一主要土层不少于6组，并且试验样品要单独取样。

热物理指标及基床系数，应在对工程有影响的主要土层中采取，其中基床系数一般在基底位置对应土层采取，取样数量不少于6组。试验样品可以与土的物理性质试验共用，不用单独取样。

2.3不同工法采用的室内试验方法

表1

3 原位测试

3.1岩体原位测试

(1)承压板法载荷试验

测定岩体变形参数(变形模量或弹性模量)、承载力特征值及基床系数(K30载荷板试样)。对于基坑基底位于软岩，对变形及承载能力要求较高的情况下可以选择性采用。

(2)现场直剪试验

测定预定剪切面的抗剪强度参数(c、φ)，用以计算岩体稳定性。在基坑或者硐室开挖后，可以选择性使用。

(3)岩体波速试验

测定岩体的纵波(Vp)及剪切波(Vs)波速。

①岩体纵波(Vp)波速用来计算岩体完整性指数(Kv)，判断岩体的风化程度。并用Kv联合饱和单轴抗压强度一起计算岩体基本质量指标BQ值，与纵波(Vp)波速一并指导围岩分级。

②岩体的剪切波(Vs)波速，与纵波(Vp)一起计算岩体的动弹性系数(动弹性模量、动剪切模量、动泊松比)。

③测试数量每个地铁车站或者区间不宜少于3个孔。

(4)孔内井温及电阻率测试

测定岩体的视电阻率，测试数量每个地铁车站或者区间不宜少于2个孔。

3.2土层原位测试

(1)标准贯入试验

①标准贯入试验是地铁勘察中普遍需要做的原位测试，对第四系黏性土、粉土、砂土及强风化岩进行试验，试验操作按国家现行相关原位测试规程进行，其目的是确定砂土的密实度、基岩的风化程度、地基承载力，估算单桩承载力，评价砂土液化等。

②标准贯入试验一般在所布置原位测试勘探孔中进行，原位测试勘探数量对于车站工程不应少于勘探点总数的1/2，区间工程不应少于勘探点总数的2/3。

③测试数量：每一单独工点的每一土层不少于6次；对厚度大于 0.5 m的夹层或透镜体，应进行标准贯入试验。

(2)重型动力触探试验

①根据岩土层情况，重型动力触探试验主要在杂填土、圆砾土、卵石土等因无法采取原状土样及标准贯入试验时进行，试验操作按国家现行相关原位测试规程。根据动力触探指标，利用地区经验，评定人工填土的均匀性及密实程度，对第四系土层进行力学分层。绘制N63.5随土层深度变化曲线，对各土层的竖向均匀性做出评价。

②在所布置原位测试勘探孔中进行，原位测试勘探数量(可与标准贯入试验一起)对于车站工程不应少于勘探点总数的1/2，区间工程不应少于勘探点总数的2/3。

③测试数量：地下工程每个车站、区间在同一地质单元体内，主要地层每层动力触探试验次数不少于10个。

(3)波速测试

①测定土体的横波速度，计算等效剪切波速度Vse或平均剪切波速度Vsm进行工程场地、场地土分类，为抗震设计和场地地震安全性评价提供资料。

②测试数量：每工点(车站、区间)均应进行声波测井。测试数量每个地铁车站或者区间，相同地貌单元不宜少于3个孔；如果工点横跨2个地貌单元，每个地貌单元不少于3个孔。

(4)十字板剪切试验

①测定饱和软黏性土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数，从而计算地基承载力、估算单桩极限承载力，判定软土的固结历史等。

②根据工程需要及场区地层情况，在所布置原位测试勘探孔中进行，测试钻孔数量没有特殊要求，需保证每一单独工点的主要土层(饱和软黏性土)测试点数不少于6个，满足统计要求(计算标准值)。

(5)静力触探试验

①测定软土、粉土的比贯入阻力、锥尖阻力、侧壁摩阻力等，根据静力触探资料，利用地区经验，可进行力学分层，估算土的塑性状态或密实度、强度、地基承载力、单桩承载力，进行液化判别等。

②测试钻孔数量及测试点数同十字板剪切试验。

(6)旁压试验

①对建筑场地内第四系软土、一般黏性土、粉土、黄土和松散-中密的砂土进行旁压试验，根据试验资料确定土的临塑压力和极限压力，估算土的旁压模量、旁压剪切模量及水平基床系数，估算黏性土的不排水抗剪强度及砂类土的内摩擦角。

②根据工程需要及场区地层情况，在所布置原位测试勘探孔中进行，测试钻孔数量没有特殊要求，需保证每一单独工点的主要土层测试点数不少于6个，满足统计要求。

(7)载荷试验

测定基坑底对应土层的承载力及变形模量。根据工程需要及场区地层情况，待基坑开挖后选择性采用。测试数量每个场地不宜少于3个，当场地内岩土体不均时，应适当增加。试验位置应布置在基础底面标高处。

3.3不同工法采用的原位测试方法

表2

4 结 语

地铁工程勘察报告中岩土参数的选用，对于地铁设计及施工都有着重要的作用。本文的目的是根据不同工法地铁勘察，有针对性的选用岩土试验及原位测试，给设计部门提供其需要的、准确的岩土参数。

[1] GB 50307-2012. 城市轨道交通岩土工程勘察规范[S].

[2] GB 50021-2001(2009年版). 岩土工程勘察规范[S].

[3] GB/T 50123-1999(2007年版). 土工试验方法标准[S].

[4] GB/T 50266-2013. 工程岩体试验方法标准[S].

[5] 《工程地质手册》编写委员会. 工程地质手册(第四版)[M]. 北京：中国建筑工业出版社，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

刘志刚(1982—)，男，工程师，注册土木(岩土)工程师，主要从事海域及陆域岩土工程勘察工作。