岩土工程测试技术研究新进展

秦鹏飞,齐 悦,杨 光,梁一星

(郑州铁路职业技术学院 铁道工程学院， 河南 郑州 450010)

岩土是历经千百万年地质作用形成的，物理力学性状极其复杂的工程介质。岩土工程测试是科学认知岩土各项物理力学指标，准确进行工程设计、分析计算的重要方式，也是深入理解岩土工程力学性质，助推学科蓬勃发展的重要动力[1-2]。伴随着“一带一路”战略的纵深推入，高土石坝、超高层建筑、深海采油平台等工程项目不断出新，超大粒径堆石料、高寒冰冻土、天然气水合物土等复杂土工介质相继涌现，对岩土工程测试技术提出了新的、更高的要求。

与工程建设的大规模开展相对应，近年来岩土工程测试技术取得了巨大发展进步。新型电子、光纤设备不断被研发，声波、电磁、物探方法不断涌现，岩土工程测试技术的自动化、智能化和精细化水平得到了大幅提升[3]。本文对岩土工程测试技术研究新进展进行阐释述评，以期为工程建设提供有益参考和借鉴。

1 实验室测试技术

在土工实验室内开展、完成的试验，主要有土的基本物理性质试验、液塑限联合测定试验、击实试验、直剪试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验、空心圆柱扭剪试验、离心模型试验、共振柱试验及热物性参数测试试验等。

1.1 三轴试验

三轴压缩试验可以严格控制排水条件，测量软黏土试样的孔隙水压力和体积变形，还可以进行不同应力路径、不同应力状态的组合试验[4-5]。常规三轴试验中试样处于轴对称应力状态(σ1﹥σ2﹦σ3)，无法考虑中主应力的影响，与实际受力状况存在一定差异。真三轴试验能实现三向独立加载(σ1﹥σ2﹥σ3)，真实反映土体在三向受力状态下的应力应变特性(见图1)，且可以考虑复杂应力条件下土体的初始各向异性及诱发各向异性。

图1 三轴试验分析

真三轴仪按荷载施加方式主要分3种：刚性加载型、柔性加载型和混合型加载型。清华大学研发了岩土大型静动真三轴试验机(THU-SDTTA)，该试验机采用异形乳胶膜和椭圆形试样帽封样，具有密封性好、量测精度高、操作便捷等优势，适宜于混合加载方式下的各项参数测试[6]；重庆大学自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统，能保证真三轴条件下气液的自由渗流控制与精准监测，可以实现复杂状态下岩体的应力-应变-渗流耦合性能测试[7]；中科院武汉岩土力学研究所研制的RTX-3000非饱和土真三轴试验系统，位移量测精度达0.01 mm，可进行拉压、松弛、蠕变、循环等多种应力路径的力学特性试验[8]。

动三轴试验(DTT)可用以测试土的动剪切模量和阻尼比，在分析交通、波浪或地震荷载下土的动力学特性方面用途极广。美国Geocomp、英国GDS动三轴测试仪位移精度0.7‰～1.0‰，轴向力精度1‰，在揭示粗粒砂的动应力-应变、孔隙水压力消散规律特性，及液化机理分析方面功能强大。与常规动三轴相比，变围压动三轴能同时提供循环变化的偏应力与循环变化的围压，可以模拟动荷载下循环剪应力与循环正应力的耦合作用，广泛应用在考虑纵波影响的地震荷载、考虑水平应力循环变化的交通荷载设计计算中。

1.2 离心模型试验

土工离心试验借助离心机产生离心力，通过将小尺寸土工模型置于ng(g为重力加速度)的重力加速度场内，实现对复杂岩土工程问题的模拟分析。离心机高速旋转产生离心力，能使离心模型产生与实际结构相同的应力场，通过对离心模型的受力、变形分析，可以推测实际结构的力学性态、变形破坏机制。离心模拟测试技术具有“缩尺”与“缩时”效应，目前已广泛应用在土石坝、边坡、挡土墙、深基坑等工程领域，成为人们进行土工建筑物结构设计、探索岩土基本原理的重要技术手段[9]。

同济大学较早开展了土工离心机的研发，其研制的TLJ-150复合型试验机最大荷载能力150g·t，最大离心加速度200g，为地铁隧道等项目建设的顺利实施提供了科技支撑[10]；大连理工大学土工鼓式离心机GT450环形槽直径1.4 m，在数据处理精度、电机自动化程度及作动器加载模式方面已达到国际先进水平[11]；中国水利水电科学研究院建成的LXJ_4_450土工离心机振动台，可实现水平和垂直双向耦合振动，能模拟不同能级的地震波动效应[12]；浙江大学的CHIEF(Centrifugal Hypergravity & Interdisciplinary Experiment Facility，CHIEF)离心模拟设备，可以开展高坝与边坡、深海深地工程、岩土地震工程等重大项目的研究，建成后将成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台[13]。

在海工结构、冻土路基及环境岩土力学等非传统领域，土工离心模型试验技术也具有其独特、重要的科研价值。蔡正银等[14]研发了一种土工离心造波装置，该装置可在120g离心加速度条件下模拟60 m水深产生的波浪，正常运作时能精确控制波浪的频率、波长和幅值；陈湘生等[15]采用半导体制冷技术开发了一套寒区超重力试验系统，该系统可模拟±30℃极端条件下，高铁冻土路基冻胀-融沉耦合作用的循环过程；詹良通等[16]以垃圾填埋场中的生化反应-溶质迁移-骨架变形模型为研究对象，通过离心试验分析了污染离子在不同土层中的长期迁移规律等。

1.3 共振柱试验

共振柱试验(RCT)是利用激振力使试样产生振动，测出土样共振频率以确定弹性波的传播速度，进而计算土动剪切模量和阻尼比的测试方法。共振柱试验以一维波动理论为基础，是小应变(1×10-6～1×10-4)条件下测定土体动力特性参数理想的技术手段。其基本原理是在圆柱或圆筒形试样上，以不同频率施加纵向激振或扭转激振，使土样产生纵向振动或扭转振动，根据共振频率及土样的几何尺寸，计算土体的动剪切模量Gd(见式(1))、动弹性模量Ed(见式(2)) , 根据衰减曲线计算土体的阻尼比λ(见式(3))。共振柱试验操作方便，测试结果离散性小，是现行地震安全性评价规范推荐的指定测试方法。

(1)

(2)

(3)

式中:Gd为土的动剪切模量,kPa;fn为实测的共振频率,Hz;hc为土样固结后的高度,cm;ρ0为土样质量密度,g/cm3;βs、βL为无量纲频率因数;λ为土的阻尼比;N为计算所取的振动次数;A1为停止激振后第1周振动的振幅,mm;AN+1为停止激振后第N+1周振动的振幅,mm。

陈国兴等[17]发现共振柱试验测出的动剪切模量和阻尼比，在精度上与动三轴测试结果略有差异，重大工程项目应联合利用这两种测试方法，取长补短优势互补，进行场地安全性评价和抗震设计；贺为民等[18]指出均等固结条件下土的动力学研究较为丰硕，而非均等固结条件下土的动剪切模量、阻尼比等相关研究较少，亟需开展均等与非均等固结下土的动力特性参数转换关系研究；杨文保等[19]研究表明，相同应变水平下原状粉土动剪切模量随土层深度增加而增加，动剪切模量比G/Gmax随剪应变γ增加则迅速衰减；李剑等[20]通过对红黏土的共振柱测试发现，弹性变形范围内(剪应变小于1×10-4)，重塑红黏土的动剪切模量衰减较一般原状土慢，当应变超过1×10-4后，红黏土动剪切模量的衰减速度较其它土体快。

1.4 水-热-力多场耦合测试试验

热量交换、温度变化对岩土物理力学性质具有很大影响，随着地热资源开发利用、核废料填埋处置及高寒冻土路基等项目建设的进展，水-热-力耦合作用下岩土力学特性研究越来越受到科研人员的关注。中科院苏天明等[21]通过TC Probe热导仪测试发现，水体的热导率比岩土介质的热导率小，随含水率增加岩土体的热导率呈非线性下降趋势(见式(4))，岩土的孔隙结构、尺寸及其分布规律对热导率也有一定影响;

K=-0.504lnw+3.09

(4)

式中:K为热导率,W/m·K;w为岩土介质含水率。姚仰平等[22]通过温控三轴仪，对非饱和黏土试样孔隙水压力、体积变形进行了精确量测，发现土的压缩模量、前期固结压力等参数随温度升高而呈现明显改变；陈卫忠等[23]通过构建应力与温度耦合的屈服面模型分析黏性土本构关系，试验表明随温度升高土体会产生显著的塑性变形(见式(5))。

(5)

式中:αp、a为土体屈服模型参数;ΔT为温度变化量。

2 原位测试技术

原位测试技术是指在工程建设、施工现场，通过轻微扰动或基本不扰动的方式对原位土层进行测试，以确定岩土物理力学参数、性质的方法。原位测试可避免室内试验取样、运输过程中，土体原状结构的破坏及水分损失，准确探明地基各土层的厚度、分布状态及力学特性，测试结果具有很高的可靠性和代表性。

2.1 静载荷试验

静载荷试验通过液压千斤顶、刚性承压板逐级施加荷载，根据荷载-沉降(p-s)曲线确定地基承载力和变形模量(见图2)。浅层平板载荷试验适宜于浅层地基(﹤5 m)的检测分析(见式(6))，深层平板载荷试验、螺旋板载荷试验适宜于深层地基(﹥5 m)、大直径桩和地下水位下土的检测分析(见式(7))。

(6)

(7)

式中:I0为刚性承压板的形状系数;μ为土的泊松比;d为承压板直径或边长,m;p为荷载-沉降曲线线性段压力,kPa;s为与压力对应的沉降,mm;ω为与试验深度和土类有关的参数。赖夏蕾等[24]指出未加载充分的静载荷试验无法准确反映地基承载力的极限值，可考虑通过灰色理论、神经网络等方法对极限承载力值进行预估；周同和等[25]认为静荷载试验，对于分析刚-柔性桩、CFG-PHC组合桩复合地基的荷载分配与传递机理、承载力发挥系数大小及应力扩散特征等具有重要意义，能有效促进复合地基理论研究的发展进步。

图2 静载荷试验与荷载p-沉降s曲线

2.2 触探试验

圆锥静力触探(CPT)是通过准静力将标准规格的金属探头垂直均匀压入土中，以测定土层阻力和地基承载力的原位测试技术。孔压静力触探(CPTU)则在CPT的探头上安装透水滤器及量测元件，能同时测得探头锥尖阻力、侧壁摩阻力及地下水压力等参数信息。随着环境岩土工程等研究领域的兴起和探测技术的发展，CPTU涌现出许多新型传感测试方式，促使CPTU朝着多功能和数字化方向迈进。

刘松玉等[26]在CPTU的探头上增加电阻率测试通道，研发了可用于测试土体电阻率的RCPTU系统，已广泛应用于污染场地评价、液化分析及地基处理效果检测(见图3)；沈小克等[27]通过安置波速检测设备研发了地震波孔压静力触探(SCPTU)系统，该系统可根据剪切波传播时间测算土层的剪切波速，适宜于无黏性土相对密实度和液化势的判别；蔡国军等[28]通过数码摄录技术实现了CPT的可视化，能现场观测到探孔中的薄夹层、透镜体及裂隙等复杂结构；陈仁朋等[29]研发的荧光探头LIF技术，可用于探测地下水的烃污染状况和石油、木馏油等有害成分的含量。

轻型动力触探(DPT)是利用锤击能量将一定规格的探头打人土中，以确定地基土密实度、压缩性和承载力的原位测试技术。现场经验表明DPT锤击能量传递率可达80%以上，性能稳定效率高，考虑钻杆直径、锤重与落距等因素的影响，可根据需要对DPT测试数据进行适当修正。

图3 新型CPTU触探测试技术分析

2.3 旁压试验

旁压试验(PMT)是通过圆柱形探头在钻孔中对孔壁施压，使土体产生径向变形的原位测试方法。根据测得的膨胀压力与土体变形，可以绘制应力-体变、径向压力-位移关系曲线，进而计算土层的旁压模量、地基承载力及沉降变形等参数(见图4)。旁压试验最大测试深度可达20 m～30 m，与深层平板载荷试验相比，旁压试验操作简单，且能得到较大范围内土的应力应变关系曲线。旁压试验可避开地下水的不利影响，测试结果准确可靠。

图4 旁压试验分析

李广信[30]指出试验钻孔是旁压测试分析的关键环节，为获得高质量的钻孔旁压钻头直径Db、探头直径Ds和钻孔直径Dw需满足Ds﹤Db﹤1.07Ds，1.03Ds﹤Dw﹤1.18Ds；孔令伟等[31]发现分级加载速率、加载稳定间隔对测试结果也有较大影响，现场实测表明分级加载速率宜控制在3 kPa/s～5 kPa/s，加载稳定时间间隔宜控制在2 min～5 min之间；杨光华等[32]将旁压模量转化为初始切线模量，进行黏性土地基的稳定性评价和沉降计算(见式(8)、式(9))。

(8)

(9)

式中:EM、Et0分别为土的旁压模量和初始切线模量,MPa;v为泊松比;Vs为旁压探头测量腔初始体积,cm3;V1、Vf为旁压曲线直线段起始点和终点对应的体变值,cm3；ΔP/ΔV为旁压曲线直线段的斜率;P1、PL分别为起始压力和极限压力,kPa。

2.4 十字板剪切试验

十字板剪切试验(Field Vane Shear Test)是利用十字板剪切仪，测定软黏土不排水抗剪强度(见式(10))、灵敏度的原位测试技术，测试结果可用以评定土层的固结历史和地基承载力。

(10)

式中:τ为土的抗剪强度,kPa;M为土层抵抗力矩,kN·m;D为旋转圆柱直径,m;H为旋转圆柱高度,m。陈祖煜等[33]发现十字板剪切试验能使软土保持天然应力状态和原状结构(见图5)，其测试结果普遍高于三轴压缩和无侧限抗压的试验结果，高幅平均10%～30%；路德春等[34]研究表明十字板剪切试验适宜于灵敏度St≦10、固结系数cv≦100 m2/a的均质饱和软黏土强度测定，对夹有薄层细砂的非均质土测试时，需作误差分析处理。

3 结 语

岩土介质是复杂的自然产物，岩土工程测试技术是深刻揭示岩土工程力学性质的正确方式，也是论证土力学理论、优化岩土项目设计的有效手段。岩土工程测试技术与岩土学科发展、项目建设休戚与共，始终紧密相连。随着信息技术、电子技术、传感技术的发展，岩土工程测试技术日新月异，取得了长足进步。本文系统分析了三轴压缩试验、离心模型试验、共振柱试验及热物性参数测试试验的研究进展，并全面阐释了载荷试验、触探试验、旁压试验和十字板剪切试验的工程应用，期望能为岩土项目建设的高质量发展作出贡献。