土体测试手段在岩土工程勘察中的现状及发展

2010-08-15李凯宏

山西建筑 2010年17期

李凯宏

1 岩土工程勘察及原位测试概述

岩土工程勘察就是通过调查、测绘、勘探与试验等方法获得与工程建设有关的岩体、土体和水体的空间分布、变化规律及其物理力学参数等信息,以此评价、论证、检验场地的稳定性、建筑的适宜性及环境的演化性,并提出设计施工的基本资料与原则建议。

土体原位测试一般是指在岩土工程勘察现场,在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试,以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层的一种土工勘测技术。它是一项自成体系的试验科学,在岩土工程勘察中占有重要位置。这是因为它与钻探、取样、室内试验的传统方法比较起来,具有下列明显优点:

1)可在拟建工程场地进行测试,无需取样,避免了因钻探取样所带来的一系列困难和问题,如原状样扰动问题等。2)原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多,因而更能反映土的宏观结构(如裂隙等)对土的性质的影响。

2 一般常见的岩土原位测试手段及适用范围

1)载荷试验:可用于测定承压板下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形模量。2)静力触探试验:适用于软土、一般黏性土、粉土、砂土和含少量碎石的土,可根据工程需要采用单桥探头、双桥探头或带孔隙水压力量测的单双桥探头,可测定贯入阻力、锥尖阻力、侧壁阻力和贯入时的孔隙水压力。3)圆锥动力触探试验:轻型圆锥动力触探主要适用于浅部的填土、砂土、粉土、黏性土;重型圆锥动力触探试验主要适用于砂土、中密以下的碎石土、极软岩;超重型圆锥动力触探试验主要适用于密实和很密的碎石土、软岩、极软岩。4)标准贯入试验:适用于砂土、粉土和一般黏性土。5)十字板剪切试验:可用于测定饱和软黏性土的不排水抗剪强度和灵敏度。6)旁压试验:适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩。7)扁铲侧胀试验:适用于软土、一般黏性土、粉土、黄土和松散～中密的砂土。8)现场直接剪切试验:可用于岩土体本身、岩土体沿软弱结构面和岩体与其他材料接触面的剪切试验。9)波速测试:适用于测定各类岩土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速。10)激振法测试:用于测定天然地基和人工地基的动力特性,为动力机器基础设计提供地基刚度、阻尼比和参振质量。

3 现阶段岩土工程勘察中常用原位测试手段及优缺点

3.1 动力触探试验

动力触探技术在国内外应用极为广泛,是一种主要的土的原位测试技术,这是和它所具有的独特优点分不开的。其优点是:设备简单且坚固耐用;操作及测试方法容易;适应性广,砂土、粉土、砾石土、软岩、强风化岩石及黏性土均可;快速、经济,能连续测试土层;有些动力触探测试(如标准贯入),可同时取样观察描述。动力触探试验方法可以归为两大类,即圆锥动力触探试验和标准贯入试验。

3.1.1 标准贯入试验

岩土工程勘察中采用标准贯入试验手段主要用以判定砂土、粉土、黏性土的物理状态,土的强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力,砂土和粉土的液化,成桩的可能性等作出评价。现阶段是野外钻探常用的一种原位测试手段,但在钻探过程中,通过标贯实测,发现真正传输给杆件系统的锤击能量有很大差异,它受机具设备、钻杆接头的松紧、落锤方式、导向杆的摩擦、操作水平及其他偶然因素等支配,以及操作时的人为因素等造成勘察成果报告中提供地基土承载力时指标存在偏差。

3.1.2 圆锥动力触探试验

圆锥试验和标准贯入试验都属动力触探,圆锥动力触探是利用一定的锤击动能,将一定规格的圆锥探头打入土中,根据打入土中的阻力大小判别土层的变化,对土层进行力学分层,并确定土层的物理学性质,对地基土作出工程地质评价。通常以打入土中一定距离所需的锤击数来表示土的阻力。动力触探按锤击能量的大小不同可分为轻型、重型、超重型三种。轻型动力触探的优点是轻便,对于施工验槽、填土勘察、查明局部软弱土层、洞穴等分布,均有实用价值,重型动力触探是应用最广泛的一种,主要其规格与国际通用标准一致,超重型动力触探的能量指数适用于碎石土。圆锥动力触探试验目前也是应用较多的一种原位测试手段,圆锥动力触探的优点是设备简单、操作方便、工效较高、适应性广,并具有连续贯入的特性。对难以取样的砂土、粉土、碎石类土等,对静力触探难以贯入的土层,动力触探是十分有效的勘探测试手段。圆锥动力触探的缺点是不能采样对土进行直接鉴别描述,试验误差较大,直观性差。而且由于它和标准贯入试验一样均受锤击能量、落距等的影响,使其指标在应用过程中受到影响,还存在触探杆与土间的侧摩阻力的影响,以及在黏性土中击入的间歇使侧摩阻力增大,对试验成果都有影响。再有在操作过程中锤击速度也影响试验成果等,造成在勘察成果报告中提供地基土承载力时存在偏差。

3.2 静力触探试验

静力触探(CPT)是将圆锥形的金属探头以静力方式按一定的速率均匀压入土中,量测其贯入阻力,借以间接判定土的物理力学性质的试验。其优点是可在现场快速、连续、较精确地直接测得土的贯入阻力指标,了解土层原始状态的物理力学性质,兼有勘探与测试双重作用;特别是对于不易取样的饱和砂土、高灵敏的软土层,以及土层竖向变化复杂而不能密集取样或测试以查明土层性质变化的情况下,静力触探具有它独特的优点。缺点是不能取土直接观察鉴别,测试深度不大(常小于50 m),对基岩和碎石类土层不适用。

4 原位测试手段的发展方向

根据现阶段勘探中常采用的几种原位测试手段来看,标准贯入试验和圆锥动力触探试验由于受机具设备、人为因素的影响造成对指标产生偏差,技术人员在成果报告整理过程中考虑其影响因素采用指标时较为保守,很大程度上降低了地基土承载力,使地基基础工程在造价上受到影响。

目前从所采用的勘察成果资料看,静力触探其指标精准度相对较高,与动力触探试验指标相比,动力触探在测试时人为因素影响较静力触探大,在成果报告中采用静力触探指标提供的地基土承载力较动力触探指标更切合实际,会更适用于设计,为建设单位减少投资,但目前受市场经济影响,静力触探试验现阶段基本在中高层建筑以及有特殊要求的场地上采用,还未被广泛应用于勘探中,我们建议在今后勘探中多采用静力触探手段,多层建筑中静力触探孔可以适当将其作为勘探孔(指在适用于静力触探测试时)。

波速测试是根据弹性波在岩土体内的传播速度,间接测定岩土体的小应变条件下动弹性模量。在弹性波速测试中,为确定与波速有关的岩土参数,进行场地类别划分,为场地地震反应分析和动力机器基础进行动力分析提供地基土动力参数,目前试验方法有跨孔法、单孔法和面波法。波速测试现阶段也主要应用在中高层建筑场地中,多层建筑场地类别划分也是估算,不能准确的反映场地类别,因为场地类别直接影响设计及建设成本,据调查资料显示,Ⅱ类场地比Ⅲ类场地在工程造价上至少节约30%的成本。

载荷试验在各种原位测试手段中是较为可靠的一种测试方法,载荷试验的主要优点是对地基土不产生扰动,利用其成果确定的地基承载力最可靠、最有代表性,可直接用于工程设计。其成果用于预估建筑物的沉降量效果也很好。因此,在对大型工程、重要建筑物的地基勘测中,载荷试验一般是不可少的。由于勘察阶段对于成本控制等因素考虑,采用载荷试验手段的工程很少。

综合以上分析,建议静力触探、波速测试、载荷试验能在勘察工程中被广泛应用,其手段能较准确提供地基土的性能,为建设工程节约成本。