王云南 張 龍 鄭建國 劉爭宏 于永堂 門青波

（機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

巖土原位測試相比室內(nèi)試驗具有免取樣、擾動少的特點，最大限度保持了巖土參數(shù)的客觀性。經(jīng)過多年發(fā)展，巖土原位測試方法從機械式到電測技術(shù)與信息化相結(jié)合，再到向智能化轉(zhuǎn)變，變得越來越便捷、高效，在巖土工程領(lǐng)域的影響程度逐步加深。我國海外工程逐漸增多，國際工程更加重視原位測試成果，而國內(nèi)諸如川藏鐵路等重大、復(fù)雜的工程，也需要先進(jìn)的、適合的原位測試手段解決工程中面臨的問題。但由于對巖土原位測試技術(shù)的最新進(jìn)展沒有充分掌握，目前國內(nèi)多數(shù)勘察企業(yè)運用的現(xiàn)場勘探手段仍停留在20世紀(jì)末的水平，無法滿足當(dāng)前工程的需求。

因此，根據(jù)上述實際情況，本文在鄭建國發(fā)表的《巖土原位測試技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展》（地基處理，1993年，第4 卷，第1 期）一文基礎(chǔ)上，通過查閱國內(nèi)外權(quán)威文獻(xiàn)，從變形特性試驗、抗剪強度試驗、滲透試驗、觸探試驗等幾個方面概述了巖土原位測試技術(shù)的新進(jìn)展，為企業(yè)認(rèn)知最新的原位測試技術(shù)，運用或研發(fā)滿足工程需要的原位測試方法提供幫助。

1 變形特性試驗

變形特性試驗是在外界荷載作用下測求巖土的變形，得出巖土的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線，據(jù)此分析巖土的變形特性。試驗包括載荷試驗、旁壓試驗和扁鏟側(cè)脹試驗等。

1.1 載荷試驗

載荷試驗從20世紀(jì)30年代起就已成為地基原位測試的一種手段。近年載荷試驗有了新進(jìn)展：長春工程學(xué)院研制出了深層平板載荷試驗裝置SP-1，測深達(dá)100 m，可消除測深對位移、傳力柱和孔壁摩擦對荷載測量值的影響，同時實現(xiàn)了自動顯示、儲存和打印功能[1?3]。還有學(xué)者研制了一種不受場地限制的簡易型平板載荷試驗裝置，該裝置利用試驗點周圍土體作為配重的反力，實現(xiàn)了在交通不便地區(qū)開展測試[4]。歐美發(fā)達(dá)國家載荷試驗實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有試驗絕對可控、運行高效的特點，操作人員無需置身高危環(huán)境進(jìn)行近距離操作。韓國海洋大學(xué)（2014）[4]研制了一種小型螺旋板載荷試驗儀，將傳統(tǒng)的螺旋板尺寸由160 mm 減小至75 mm，可以直接在鉆孔中進(jìn)行載荷試驗，同時采用液壓代替氣缸裝置，減輕了試驗儀器的重量。

但總體上，平板載荷試驗存在操作相對繁瑣、儀器笨重和試驗成本較高的缺點。

1.2 旁壓試驗

旁壓儀起源于20世紀(jì)30年代，包括預(yù)鉆式、自鉆式和壓入式三種。其中壓入式對土體的擠壓效應(yīng)明顯，很少使用。

預(yù)鉆式旁壓儀以法國梅納旁壓儀為代表，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，產(chǎn)品實現(xiàn)了自動化功能（法國Apageo公司生產(chǎn)的Geospad2 梅納旁壓儀、GeoPAC 自動控制梅納旁壓儀等），包括數(shù)據(jù)的自動采集、試驗按設(shè)定步驟自動執(zhí)行、自主的彈性膜約束力和綜合變形的校正等技術(shù)。

自鉆式旁壓儀是將鉆孔、旁壓器設(shè)備、定位、試驗一次性完成，具有對孔壁土體擾動程度小的特點，以20世紀(jì)70年代的法國道橋式（PAF）和英國劍橋式（Camkometer）旁壓儀為代表，經(jīng)過了數(shù)代產(chǎn)品更新，目前已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化和自動化，操作靈活、精度較高，而且獲得的參數(shù)不需要經(jīng)驗校正。

此外，旁壓儀的應(yīng)用范圍也拓展到了隧道巖體中，以20世紀(jì)90年代日本和美國聯(lián)合開發(fā)了超高壓旁壓儀為代表，深度可達(dá)1 km，壓力超過100 MPa[5]。

多功能旁壓儀方面：法國第三代道橋式旁壓儀（PAF-76 型）探頭可以調(diào)換成其他功能裝置（如剪切儀、滲透儀和摩擦儀等），達(dá)到了一孔多用的目的[6]。20世紀(jì)90年代末，徐光黎、前田良刀等開發(fā)了原位剪切聯(lián)合旁壓試驗儀，能同時測出抗剪強度、變形模量等力學(xué)參數(shù)，后改進(jìn)成自鉆式原位剪切旁壓儀。

旁壓試驗應(yīng)用廣泛，但經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，依然沒有改變橫向加載的特征，對于具有各向異性的土體，不能獲取全面的土體參數(shù)。

1.3 扁鏟側(cè)脹試驗

扁鏟側(cè)脹試驗由意大利人Silvano Marchetti 于1980年發(fā)明的一種原位測試方法。扁鏟側(cè)脹試驗最大的特點之一就是能夠提供土體的應(yīng)力歷史信息，基于此，對于處于超固結(jié)或欠固結(jié)狀態(tài)土體的壓縮模量的估算都能夠很好地將應(yīng)力歷史的影響考慮進(jìn)去[7]。

目前市場上主流的扁鏟側(cè)脹設(shè)備包括兩種：標(biāo)準(zhǔn)扁鏟側(cè)脹儀（DMT）和地震扁鏟側(cè)脹儀（SDMT）[8]，其中地震扁鏟側(cè)脹儀除了常規(guī)的測試指標(biāo)外，還能夠提供場地的地震剪切波速Vs。該試驗具有操作簡便、連續(xù)測試、擾動小、成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點，可用靜探貫入設(shè)備或鉆機將扁鏟直接壓入土中，廣泛應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國家，并編入歐洲的Eurocode7、美國的ASTM(2002)等規(guī)范中。我國于1988年引入該技術(shù)，21世紀(jì)初在上海地區(qū)進(jìn)行了大量研究，積累了不排水抗剪強度指標(biāo)、固結(jié)系數(shù)等經(jīng)驗，并編入當(dāng)?shù)匾?guī)范[9?10]。黃土地區(qū)也有應(yīng)用，但效果不理想[11?12]。

扁鏟側(cè)脹試驗的局限性和旁壓試驗類似，即土體受力方向與實際土體受荷載方向不一致，而且試驗成果都是基于統(tǒng)計分析和經(jīng)驗公式，成果存在地域?qū)傩浴?/p>

2 抗剪強度試驗

原位抗剪強度試驗是在現(xiàn)場通過儀器對土體進(jìn)行剪切，從而獲取土體的抗剪強度參數(shù)。主要包括原位剪切試驗、十字板剪切試驗和鉆孔剪切試驗，其中鉆孔剪切試驗的最新研究成果相對豐富，其余兩項進(jìn)展緩慢。

2.1 原位剪切試驗

原位剪切試驗分為直剪試驗和水平推剪試驗。近些年，各大高校和科研單位相繼研制出了一系列改進(jìn)的直剪、推剪儀器[13?15]。目前的原位直剪試驗實現(xiàn)了計算機控制，包括數(shù)據(jù)自動采集和儲存，并且試驗精度較高（位移精度0.01 mm，荷載精度0.02 kN），避免了人工操作帶來的誤差[16]。但原位剪切試驗只能對淺表層的土體進(jìn)行試驗，而且儀器笨重、不便攜帶，試驗造價也較高，僅科研高校應(yīng)用相對較多。

2.2 十字板剪切試驗

十字板剪切試驗是1928年由瑞士的John Olsson 提出，目前市場上主要分為機械式、電測式和電動式。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合實際工程項目，利用機械式和電測式兩種十字板剪切試驗求算地基承載力、圍堤穩(wěn)定、軟黏土的靈敏度及固結(jié)歷史等地基參數(shù)，提出了兩種十字板剪切試驗在該地區(qū)十字板剪切試驗指標(biāo)綜合應(yīng)用的相應(yīng)關(guān)系式。荷蘭的GVT-100 電動式十字板剪切儀實現(xiàn)了測試過程和數(shù)據(jù)采集全部由專門軟件控制，旋轉(zhuǎn)速度可以自定義，測試精度也有所提高。已有學(xué)者專家對十字板試驗測試的設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化、智能化創(chuàng)新，以期實現(xiàn)十字板剪切試驗的信息化。

但十字板剪切試驗僅適用于軟土地區(qū)，而且由于土的黏結(jié)性，十字板在剪切時的破壞面比十字板直徑要大，導(dǎo)致測得的強度參數(shù)存在偏差，應(yīng)用時需進(jìn)行修正[17?21]。以上問題是十字板剪切試驗的局限性，也是十字板剪切試驗未來研究中需要突破的關(guān)鍵點。

2.3 鉆孔剪切試驗

鉆孔剪切試驗由Handy[22]1967年首次提出，目前主要有美國的Iowa 鉆孔剪切試驗儀和法國的Phicometer 鉆孔剪切試驗儀，其中Iowa 鉆孔剪切試驗儀實現(xiàn)了力的施加、數(shù)據(jù)采集和循環(huán)加載的自動化控制[23?24]。

Handy 等（1976）[25]研發(fā)了一套巖石鉆孔剪切儀，賈志欣等（2013）[26]在巖石鉆孔剪切儀的基礎(chǔ)上，開發(fā)了巖體鉆孔彈性模量測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了同步獲取巖體力學(xué)和變形參數(shù)。西南交通大學(xué)（2018）[27]也針對我國鉆孔的大孔徑特征，自主研發(fā)了一套鉆孔剪切設(shè)備，并成功應(yīng)用在實際工程中。機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司（2016）[28?29]通過改進(jìn)試驗設(shè)備，在黃土地區(qū)的測試深度達(dá)到22.8 m，并通過對試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：與室內(nèi)三軸試驗和直剪試驗相比，該試驗的測試結(jié)果表現(xiàn)出了c值降低、φ值增高的特征。

目前鉆孔剪切試驗還存在諸多難點，包括如何規(guī)避剪切板嵌入巖土體過程中對試驗結(jié)果的影響；計算公式中，試驗的剪切面積等于剪切板面積是否合理；獲取的抗剪強度參數(shù)如何合理使用等。

3 滲透試驗

巖土原位滲透試驗分為抽水試驗、注水試驗和壓水試驗三類，其中壓水試驗是測定巖石滲透性最常用的一種試驗方法，抽水試驗一般用于解決水文地質(zhì)參數(shù)問題，土工界應(yīng)用較多的是注水試驗。

但目前廣泛應(yīng)用的原位滲透試驗，普遍存在工作量較大、時間長、成本高的特點，如鉆孔注水試驗、鉆孔抽水試驗；或者僅能獲取淺表層土體的滲透參數(shù)，如試坑注水（滲水）試驗。針對上述問題，浙江大學(xué)巖土工程研究所聯(lián)合荷蘭IFCO 公司（2005）[30]引進(jìn)了瑞典工程師Bengt-Arne Torstensson 的BAT 系統(tǒng)[31]，并加以改進(jìn)研制成IFCO BAT 滲透系數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)測試簡單，耗時短，結(jié)果可靠，但僅適用于飽和軟土地區(qū)。

總體上，原位滲透試驗進(jìn)展較緩慢，實際工程應(yīng)用中主要還是延用過去的試驗方法和設(shè)備。

4 觸探試驗

觸探試驗是在外力的作用下，使一定規(guī)格的錐頭貫入土中，測出土的貫入阻力，以此確定土的物理力學(xué)性質(zhì)[32]。主要包括靜力觸探試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和圓錐動力觸探試驗。

4.1 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗起源于20世紀(jì)30年代的荷蘭，歷經(jīng)了機械式（1932?1948年）、電測式（1948?1970年）、電子式（1970?1985年）和數(shù)字式（1985年至今）等四代的發(fā)展，其中19世紀(jì)60年代（電測靜力觸探）和19世紀(jì)80年代（孔壓靜力觸探CPTU）是兩個標(biāo)志性階段。時至今日，已經(jīng)形成了一系列成熟的技術(shù)產(chǎn)品（探頭），包括國際研究機構(gòu)和專業(yè)的原位測試儀器開發(fā)公司研制了用于CPTU 的多功能、數(shù)字化的新型傳感器，見表1[33?34]。靜力觸探技術(shù)目前在地震災(zāi)害風(fēng)險評估、工業(yè)污染場地環(huán)境評價與海洋工程勘察等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

表1 CPT/CPTU 測試技術(shù)列表

當(dāng)前的靜力觸探貫入設(shè)備也實現(xiàn)了集成化和自動化，如履帶式靜力觸探、全地形靜力觸探車、集裝箱貫入式、全自動式連續(xù)靜力觸探設(shè)備和車載式CPTU 系統(tǒng)等相繼出現(xiàn)，可以實現(xiàn)工作一天觸探深度達(dá)300 m 左右，并自動記錄、打印和處理成果。部分設(shè)備可進(jìn)行無線操作，如瑞典的Geotech AB 公司生產(chǎn)的Cpt-Nova Acoustic。

但影響靜力觸探結(jié)果的因素很多，要建立一個把所有因素都考慮在內(nèi)的理論公式是很難實現(xiàn)的，所以，靜力觸探目前依然只是一種經(jīng)驗方法。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

標(biāo)貫試驗起源于1902年。由于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗無法像靜力觸探一樣得到類似于貫入阻力等定量化的指標(biāo)，為此，國內(nèi)外開展了一系列標(biāo)貫試驗的定量化研究，如在鉆桿中安裝加速度傳感器和測力計進(jìn)行動力測量，進(jìn)而通過計算得到錘擊能量，通過能量值完成對土體力學(xué)效應(yīng)分析[44?46]。通過錘擊能量也能將國內(nèi)外標(biāo)貫成果互相轉(zhuǎn)化，為開展國際項目提供有利條件。這方面研究以南京大學(xué)[47]和美國PDI 公司研發(fā)的設(shè)備為代表，均取得了一定的研究成果。

目前，對標(biāo)貫試驗的質(zhì)量控制也是重點研究方向之一，包括實時監(jiān)測標(biāo)貫試驗過程并自動記錄試驗的測試深度、錘擊數(shù)、每一錘的貫人度、鉆桿所承受的每一錘沖擊力等，并且可以計算出各錘的能量傳遞率[48]。

4.3 圓錐動力觸探試驗

圓錐動力觸探起源于20世紀(jì)50年代，由于標(biāo)貫試驗對碎石類土不適用，英國帕爾曼（Palmar）和司度特（Stuart）提出用60°圓錐頭替代標(biāo)貫管靴，自此，圓錐動力觸探登上歷史舞臺。

目前圓錐動力觸探設(shè)備實現(xiàn)了多方面的技術(shù)升級，具備了取土樣、遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)自動采集、分析和處理等功能，典型代表為法國Apageo 公司的APAFOR?50 和APAFOR100 動力觸探儀。

針對動力觸探進(jìn)行傾斜平面探測，國內(nèi)外進(jìn)行了研究，如法國Sol-solution 公司的輕型可變能量動力觸探儀（PANDA 2 型號，總重21 kg）[49?50]，可進(jìn)行水平和傾斜方向的勘探。國內(nèi)北京市勘察設(shè)計研究院有限公司（2015）[51]也構(gòu)想了利用動力做功代替重力，并提出了錘擊修正公式，為動力觸探應(yīng)用在非水平探測面（如暗挖隧道的掌子面、垃圾堆積體、高填方和邊坡的坡面等）提供了理論基礎(chǔ)。

但截至目前，動力觸探成果依然比較粗糙，屬于經(jīng)驗性總結(jié)，缺乏定量數(shù)據(jù)的支持。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

從20世紀(jì)90年代初至今，巖土原位測試技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)了巨大進(jìn)步，表現(xiàn)出以下特征：

（1）自動化：儀器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和儲存功能，甚至整個流程均可由計算機控制完成，減輕了人力勞動，提高了測試準(zhǔn)確性。

（2）信息化：數(shù)據(jù)實現(xiàn)了無線傳輸功能，為數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)下載提供便利，提高了工作效率。

（3）多功能化：靜力觸探設(shè)備、旁壓試驗設(shè)備、鉆孔剪切試驗設(shè)備等測試設(shè)備實現(xiàn)了多功能測試，避免了以往一種試驗只能測試一種（類）參數(shù)的局面，可以縮短工期，降低試驗成本。

（4）技術(shù)升級化：多款試驗設(shè)備在測試范圍、方法和性能方面實現(xiàn)了全面升級和拓展，為后續(xù)的原位測試研究提供了基礎(chǔ)。

目前的原位測試依然存在以下問題：

（1）成本較高：如應(yīng)用較廣泛的載荷試驗，操作相對繁瑣，儀器笨重，耗費大量人力物力。

（2）理論基礎(chǔ)薄弱：大部分觸探試驗得到的依然是經(jīng)驗性成果，缺乏理論基礎(chǔ)，成果缺乏普遍適用性。

（3）試驗自身局限性：如十字板剪切試驗僅適用于飽和軟土地區(qū)；扁鏟側(cè)脹試驗和旁壓試驗的加載方向與土體真實受力方向不一致等。

（4）國內(nèi)原位測試技術(shù)進(jìn)展緩慢：國內(nèi)的原位測試儀器設(shè)備和方法基本都是延用國外數(shù)十年前的產(chǎn)品和技術(shù)，明顯滯后于歐美發(fā)達(dá)國家。

5.2 展望

（1）加強理論基礎(chǔ)：對諸如鉆孔剪切試驗等破壞機理存疑的試驗，需要開展課題深入研究，為試驗成果尋求可靠的理論依據(jù)。

（2）加強數(shù)字化和信息化：對已經(jīng)使用數(shù)字信息技術(shù)的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級；對未采用數(shù)字信息化的設(shè)備盡快更新，實現(xiàn)無線傳輸功能，為后期全面的數(shù)字化、信息化建設(shè)提供基礎(chǔ)。

（3）加強多功能設(shè)備研發(fā)：目前的多功能勘探設(shè)備還處于初期應(yīng)用階段，隨著新型傳感技術(shù)的突破，像多功能靜力觸探一樣擁有更多功能的多功能原位測試設(shè)備將陸續(xù)出現(xiàn)，并且有將多種原位測試技術(shù)進(jìn)行整合的趨勢。

（4）由陸地向其他區(qū)域拓展：隨著人類活動區(qū)域向海洋、極地、甚至太空拓展，勘探技術(shù)扮演的角色會越發(fā)重要，相關(guān)測試設(shè)備及技術(shù)也應(yīng)跟上時代的腳步。