原位测试

一、原位测试技术在工程勘察中的作用

原位测试是在岩土体原来所处的位置基本保持岩土体的天然结构、天然含水量以及天然应力状态下测定岩土的性能。

1.原位测试的优点

1）可以测定难以采取不扰动试样的土层（如碎石土、砂土、流塑淤泥等）的有关工程参数。

2）避免采样过程中应力释放和结构扰动的影响。

3）原位测试的试样体积远比室内试样大，因此代表性也强。

4）试样体受力状态更接近工程实际，试验数据更具合理性。

5）可大大缩短勘探试验的周期。

2.原位测试的不足之处

1）各种原位测试都有其适用条件，如使用不当则会影响其效果。

2）有些原位测试所获得的参数与土的工程性质间的关系往往是建立在统计经验关系上。

3）影响原位测试成果的因素较为复杂（如周围应力场、排水条件等），使得对测量定值的准确判断造成一定的困难。

4）原位测试的主应力方向往往与实际岩土工程问题中的主应力方向并不一致。

5）某些原位测试设备复杂、庞大。

因此，土的室内试验与原位测试，二者各有其技术优势，在全面研究岩土体的各项性状中，二者不可偏废，而应相辅相成。

随着科学技术的进步，原位测试的理论、方法和仪器设备必将有更大的发展和提升，原位测试在工程勘察中将会发挥越来越大的作用，其介入的深度和广度会更加充分。可以说，原位测试手段是工程勘察技术进步的发展方向，也是勘察技术更加成熟的标志。

二、原位测试方法

岩土体的原位测试方法很多。随着岩土工程技术和计算机技术的不断发展，新的原位测试理论、仪器设备和试验方法不断出现，使得岩土工程原位测试技术在工程实践中越来越受到重视。

在工程中经常采用的原位测试方法见表2-2-69至表2-2-71。

表2-2-69 岩体原位测试方法

表2-2-70 土体原位测试方法

表2-2-71 水文地质原位测试方法

续表

由于原位测试是勘察工作的重要和必不可少的技术手段，所以有关工程勘察的规程规范，都有关于原位测试的技术要求和工作方法。不同的原位测试方法适用于不同的工程和地质条件，取得的岩土参数也有侧重。表2-2-72为部分测试方法的适用范围。

表2-2-72 原位测试方法适用范围

三、原位测试在深圳地区的应用

自建立特区始，原位测试一直是深圳工程勘察的一个重要手段。1980年，便有专门的原位测试队随勘察队伍进入深圳，在大量工程勘察项目中使用原位测试手段。1983年，航空部综合勘察单位用原位测试手段对花岗岩残积土进行了系统的研究，得出了花岗岩残积土的含水量、变形模量的确定方法，揭示了花岗岩残积土本应具有的较高承载力。1985年，地质矿产部“深圳市区域稳定性评价”编写组在区内多处进行地应力测量，为区域稳定性分析提供了可靠资料。而后的二十多年中，深圳市的勘察单位在软土地基勘察中使用十字板剪切、静力触探、旁压、螺旋板载荷试验等方法测定软土特性，用标准贯入试验判定花岗岩风化程度、砂土液化，用平板载荷试验判定地基加固处理的效果等等。近年来引进扁铲侧胀试验等新方法。可以说，原位测试是工程勘察工作常规的、不可缺少的手段。

（一）金城大厦挖孔桩孔底平板载荷试验

罗湖区金城大厦共6栋26层塔式住宅楼，建筑面积约58000m2，采用框架剪力墙结构体系。每座塔楼总荷重达2万余吨，基底压力达50t/m2。拟建场地地质条件复杂，有数条高倾角破碎带通过，局部破碎带深度40～50m，勘察工作进行于1981年。

时值特区建设初期，罗湖区开始动工兴建的几栋高层建筑均采用1.0m直径的冲孔灌注桩，以微风岩为桩端持力层。如果金城大厦采用此类桩型，不仅桩距过密且不少桩长超过50m。经过详细的技术方案比较，金城大厦决定采用大直径挖孔灌注桩基础，以强风化岩为桩端持力层。由于当时国内对强风化岩的桩端承载力的取值并无成功经验可以参考，仅就强风化岩的原位载荷试验的资料也不多，可资利用的资料极少。为了准确获取强风化岩的极限承载力和变形模量作为桩基设计参数，由深圳市勘察设计联合公司设计四室提出要求，深圳市房地产公司资助，在市建委总工程师室、罗湖工程建设指挥部的直接领导下，委托冶金部建筑研究单位进行强风化岩的载荷试验工作。

试验在工程桩内进行，以桩孔护壁加反力梁作为反力装置，采用遥控高压加荷，应变自动记录系统和闭路电视监视现场试验情况。圆形压板面积1225mm2和1250mm2。

1982年4月开始试验挖孔施工，5月5日开始安装试验设备，5月15日完成2个桩位、3种深度的强风化岩的载荷试验，试验结果见表2-2-73。

表2-2-73 金城大厦强风化岩载荷试验成果

（二）罗湖山风化岩平板载荷试验

1983年11月，受深圳火车站建设有限公司的委托，根据香港胡应湘设计事务所对拟建联检大楼挖孔桩底强-中风化千枚岩作载荷试验的要求，以研究其承载力及变形特征，深圳市勘察设计联合公司勘察经理部在罗湖山（现已挖平）进行了4处平板载荷试验。

试验在罗湖山工事洞内进行，以洞顶作为反力装置，采用FQ100型分离式油压千斤顶施加垂直压力，加荷压力值由标准压力表观测，沉降值由百分表量测。圆形压板面积800cm2，试验结果见表2-2-74。

表2-2-74 罗湖山强-中风化千枚岩平板载荷试验成果

通过上述两处7点的载荷试验结果，对强风化岩和中风化岩能否作为桩基持力层及其承载能力和变形特性有了新的认识。编制提出了深圳特区不同风化程度基岩的桩基容许端承力表（表2-2-75）。该表在1984年开始试行的《深圳地区钢筋混凝土高层建筑结构设计试行规程》（SJG 1-84）被采纳编入规程中，后继续编入《深圳地区建筑地基基础设计试行规程》（SJG 1-88）中。

表2-2-75 深圳特区桩基基岩容许端承力表 kPa

应该注意到，两处载荷试验的圆形压板面积都不大，试验点板下平面直径远大于压板直径的3倍。所以说，两处载荷试验机理仍属于浅层载荷板试验，试验结果一般用于天然地基的计算，用于桩端承载力的确定，理论上是偏安全的。

（三）花岗岩残积土的试验研究

花岗岩残积土用常规土工试验所得到的孔隙比大、压缩系数大、压缩模量小的特征，从而出现按常规程试验指标查表求承载力偏低的结果，与实际情况相差较大。在特区建立伊始，就开始了利用原位测试手段对花岗岩残积土的研究。首先由航空部综合勘察单位将原位测试手段运用在上步工业区、上海宾馆和白沙岭住宅区的勘察工程中，继而有华新小区花岗岩残积土的试验研究。在这些项目的勘察研究中，除钻探、取样外，采用了一定数量的平板载荷、旁压、标准贯入和静力触探等试验。华新小区的载荷试验在井内进行，以井孔护壁加钢梁作反力装置，油压千斤顶施加垂直荷载，位移传感器量测沉降值。圆形压板面积为2500 cm 2，试验井旁另设降水井。综合各项试验成果，见表2-2-76，77。

应该说明，下表仅说明采用多种原位测试手段可以更全面地了解土的特性。表中数值不宜作为具体工程引用。

通过数个工程的试验研究，证实花岗岩残积土具有较高承载能力和总体变形较小。航空部综合勘察单位提出了花岗岩残积土变形模量（Eo）与标准贯入击数的关系式：

Eo=2.2N(MPa)

上式被《深圳地区建筑地基基础设计试行规程》（SJG 1-88）采用，并列入规程条文中。根据大量标准贯入击数与现场土的状态及矿物风化程度的对比，深圳市勘察测量单位提出以标贯击数50击（修正后）作为花岗岩残积土和强风化岩的界线标准。这一标准也列入SJG 1-88规程中。此后，通过大量工程实践，现行《岩土工程勘察规范》（G B 50021-2001）规定花岗岩类岩石按标准贯入击数（不修正）划分风化程度，N大于等于50为强风化岩；N小于50，大于等于30为全风化岩；N小于30为残积土。

表2-2-76 上步工业区残积土砾质黏性土原位测试综合简表（1983年）

表2-2-77 华新村残积土砾质黏性土原位测试综合简表（1985年）

（四）地应力测量

1985年，地质矿产部“深圳市区域稳定性评价”编写组，为了取得区内地应力状态的资料，采用压磁电感法和水压致裂法，进行了区内地应力测量。压磁电感法使用SYL-2数字压磁应力代和卧式围压率定机等设备，水压致裂法使用定向印模器确定压裂方向。测量结果见表2-2-78，2-2-79。

表2-2-78 1985年深圳市压磁电感法地应力测量结果一览表

表2-2-79 1985～1986年深圳经济特区水压致裂法地应力测量结果一览表

（五）软土地基勘察的原位测试

因为软土（淤泥和淤泥质土）很难取得保持自然状态的试样，更难以保证试样在运输、保存和试验过程中不被扰动破坏，所以用原位测试手段（主要是静力触探和十字板剪切）来确定软土的工程特性，并与室内试验结果互为补充和印证，就显得尤为重要。特别是由于软土的不均匀性，常夹有薄层的粉细砂，采用静力触探试验方法，可以从上而下获得连续的贯入（强度）参数。深圳有大面积的软土分布，在保税区、深圳机场、后海前海填海工程等大面积开发区域，工程勘察单位在软土地基上作了数量可观的原位测试工作，获得了大量试验数据，为软基的加固处理提供较为准确的设计参数。以后海深港西部通道工程勘察为例，在采取大量土样进行室内试验，获得了淤泥的物理指标和力学特性（抗剪强度、固结系数等）的同时，进行了相当数量的静力触探和十字板剪切试验。试验结果见表2-2-80，2-2-81。

表2-2-80 淤泥静力触探试验结果

表2-2-81 淤泥十字板剪切试验结果

在大面积软基加固处理的工程中，处理前和处理后原位测试工作更是不可缺少的，并以此判断加固处理的时效和质量。

总压力盒（total pressure cell）最早由瑞典马沙尔屈（Massarsch,1975）研究使用。其状如铲，将它插入地下，可测取地层水平向总应力，故形象地称它为应力铲。

（一）测试设备和方法

1.测试设备

包括应力铲、接收仪器和压入设备。

应力铲是由两块1mm厚的不锈钢膜焊接而成，为高为215mm、宽为98mm、厚为5mm的扁盒，其内部设有宽40mm的补强钢板，以增大扁盒压入时的抗弯能力。盒内充满去气的硅油与铲上方压杆内的传感器相连通（见图7—13），国内铁四院已有生产。

图7—13　应力铲

应力铲的设计，根据平面应变和传感器体变要求，一般规定：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：δ——应力铲厚度，δ＝5mm

b——应力铲宽度，b=98mm

s——钢膜受压时的最大变形量（挠度）。

使用的电子接收仪器的精度应达1kPa。

2.试验方法

利用工程钻机或者借助触探仪贯入设备，将应力铲垂直压入地下指定深度，进行试验。

使用工程钻机时，应先开孔至试验点深度以上1m左右位置，然后将应力铲接上钻杆，通过立轴放至孔底，再以（20±5）mm/s的速度压入土中，随压随记贯入过程中的压力读数；记录的深度间隔以10—20cm为宜。当压至预定的深度时，应立即记录水平总应力随时间而衰减的过程值，直至完全稳定为止。

应力铲的适用地层主要由它的抗弯刚度所决定，一般只适用于中等硬度或中密度以下的土层。试验时应注意以下两点：

（1）在场地地层情况不清楚的情况下，最好先使用CPT，根据工程特点选择合适的试验点，避免应力铲碰上硬地层导致损坏。

（2）及时点绘水平总应力随时间衰减曲线，以利判别应力松驰是否趋于稳定。

（二）资料整理

同CPTU一样，对贯入时测得的数据和停止贯入后压力随时间变化的数据，应进行初读数和零飘修正。根据修正的读数，分别点绘贯入时水平总应力随深度变化曲线和随时间变化曲线。然后在此基础上绘制归一化应力随时间的衰减曲线。所谓归一化应力是指应力铲在某一时刻的水平应力增量用初始水平应力增量来归一，即：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中： ——归一化应力；

σhi——贯入过程中土中各深度的水平总应力，当停止贯入时，即为初始水平总应力；

σht——贯入停止后，某时刻t时的水平总应力；

σhc——水平总应力衰减后的稳定值；此时，可近似认为σhc就是天然地基的原位水平总应力。

（三）成果分析与应用

应力铲试验成果可应用于以下诸方面：测定土的水平总应力；确定土的静止侧压力系数（K0）；推估饱和细粒土的水平固结系数（Ch）。

1.测定土的水平总应力

当应力铲垂直贯入地下时，垂直作用于应力铲板面的水平方向的力系组成下式：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：σht——贯入停止后t时刻的水平总应力；

σh0——原位有效水平应力；

△σ′ht——由应力铲压入时所引起的在t时刻的有效水平应力增量；

△ut——由应力铲压入后在t时刻的超孔压；

uw——静止水压力。

当超孔压消散终了时，有△ut=0，而σht则达稳定值σhc，上式变为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

由于应力铲厚仅5mm，据空穴扩张理论，2.5mm的空穴扩张产生的应变是很小的；另外，在应力铲周边产生剪应变集中，应力铲膜中的剪应变一般小于平均剪应变。因此，由贯入引起的水平有效应力增量一般不大，特别在饱和软粘土中，可近似假定 ，即△σ′ht=0，这时便有：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

由此可得任何应力史和任何应力状态下的饱和粘性土的原位水平总应力或原位水平有效应力。

应力铲测试方式灵活，可方便地用于挡土墙及桩基等地基基础的水平应力测量；对于超固结和施行过地基改良的土体或具有偏压作用荷重历史的土，应力铲也能测其原位水平总应力。另外，对由挖方、坍塌、滑移等引起的地基水平应力的变化，应力铲能提供一个更为准确的水平应力增量值，因为此时不涉及到应力铲插入产生的水平有效应力增量。

2.确定土的静止侧压力系数（K0）

应力铲试验的直接目的，原本是在现场直接测定土层的原位K0。K0对确定土的原位初始应力状态、土强度与变形特性分析的K-G模型、应力路径、桩基承载力和挡土墙的稳定分析等方面，都是一个重要的参数。土的K0值多用室内K0固结仪或特殊三轴仪测定，通常也根据经验关系推估K0。近十多年来，国外一些研究者研制发展了多种原位测试K0的方法，例如水力劈裂法、压入式板状膨胀仪、自钻式旁压仪、K0步进板等测试方法。但迄今还没有一种公认为完善的测试方法。因此，目前采用多种试验方法，然后根据测试结果进行综合分析，从中选择一个合理的K0值。

推求K0的公式繁多，对于正常固结的粘土，可应用布鲁克尔（Brooker）和爱雷兰德（Ireland,1965）提出的（7—31）式或阿尔潘（Alpan,1967）提出的（7—32）式进行估算：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

K0与土质结构及应力历史密切相关。室内K0试验，常因取样和制备等原因，造成土样的扰动，易于模糊土的应力史，而原位测试则可减少这种扰动的影响。

对于天然沉积层，K0为水平向与垂向的有效应力之比：

或

土体原位测试机理、方法及其工程应用

在地下水位和土的饱和重度已知的条件下，就可根据应力铲的稳定值σhc通过上式求得K0。

3.推估饱和细粒土的水平固结系数（Ch）

应力铲测得的水平总应力变化，反映了超孔隙水压力和水平有效应力增量共同变化的结果。由于应力铲贯入产生的△ht值很小，因此σh的变化主要反映了超孔压的变化。若假定△ht=△hc不随时间而变，那么，由式（7—28）得：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

由此得到超孔隙水压消散值的近似值。

（1）超孔压的初始分布：设超孔压沿板面中心法线（水平）方向的初始分布服从罗埃（Roy,1981）等人总结的经验分布规律，即：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：f（ρ）——超孔压初始分布函数，f（ρ）=u（ρ，t=0）；

△U0——应力铲板面中心与土的界面处的初始超孔压，按式（7—34）计算，

即△U0＝σhi－σhc，亦即△u0＝△ut=0=u（ρ＝0,t=0）；

ρ——距离比，ρ＝x/r,

x——土单元距板面中心的法向距离

δ——板厚；

α——经验指数，与土性质有关。

其它符号意义同前。

（2）水平固结系数计算：正如前面第二章所论述的那样，理论上，水平固结系数可据式（t=Tr2/Ch）计算，即：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

基于同一道理，Ch应取下式：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中符号意义同前。

为取得Ch的最佳值，可采用曲线拟合方法，反复调整α值，直到实测曲线与理论曲线达到最佳拟合时为止。

原位测试：在岩土层原来所处的位置，基本保持的天然结构,天然含水量以及天然应力状态下，测定岩土的工程力学性质指标。

原位测试包括静力触探、动力触探、标准贯入试验、十字板剪切、旁压试验、静载试验、扁板侧胀试验、应力铲试验、现场直剪试验、岩体应力试验、岩土波速测试等。

用载荷试验确定地基承载力时，承压板面积不宜小于0.5平米 。承载力基本值的选用，应根据压力和沉降、沉降与时间关系曲线的特征，结合地区经验取值。

具体的取值就要看你是什么基础，什么岩土。

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