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與信息化相結合，再到向智能化轉變，變得越來越便捷、高效，在巖土工程領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、復雜的工程，也需要先進的、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的最新進展沒有充分掌握，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世紀末的水平，無法滿足當前工程的需求。

因此，根據(jù)上述實際情況，本文在鄭建國發(fā)表的《巖土原位測試技術的現(xiàn)狀與發(fā)展》（地基處理，1993年，第4 卷，第1 期）一文基礎上，通過查閱國內(nèi)外權威文獻，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的新進展，為企業(yè)認知最新的原位測試技術，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，得出巖土的應力–應變關系曲線，據(jù)此分析巖土的變形特性。試驗包括載荷試驗、旁壓試驗和扁鏟側脹試驗等。

1.1 載荷試驗

載荷試驗從20世紀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展：長春工程學院研制出了深層平板載荷試驗裝置SP-1，測深達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)達國家載荷試驗實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)傳輸技術，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)境進行近距離操作。韓國海洋大學（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30年代，包括預鉆式、自鉆式和壓入式三種。其中壓入式對土體的擠壓效應明顯，很少使用。

預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。

自鉆式旁壓儀是將鉆孔、旁壓器設備、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，旁壓儀的應用范圍也拓展到了隧道巖體中，以20世紀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），達到了一孔多用的目的[6]。20世紀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、變形模量等力學參數(shù)，后改進成自鉆式原位剪切旁壓儀。

旁壓試驗應用廣泛，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 扁鏟側脹試驗

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

目前市場上主流的扁鏟側脹設備包括兩種：標準扁鏟側脹儀（DMT）和地震扁鏟側脹儀（SDMT）[8]，其中地震扁鏟側脹儀除了常規(guī)的測試指標外，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、重復性好等優(yōu)點，可用靜探貫入設備或鉆機將扁鏟直接壓入土中，廣泛應用于歐美發(fā)達國家，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，21世紀初在上海地區(qū)進行了大量研究，積累了不排水抗剪強度指標、固結系數(shù)等經(jīng)驗，并編入當?shù)匾?guī)范[9?10]。黃土地區(qū)也有應用，但效果不理想[11?12]。

扁鏟側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，成果存在地域屬性。

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)學者結合實際工程項目，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綜合應用的相應關系式。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，旋轉速度可以自定義，測試精度也有所提高。已有學者專家對十字板試驗測試的設備進行數(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)，而且由于土的黏結性，十字板在剪切時的破壞面比十字板直徑要大，導致測得的強度參數(shù)存在偏差，應用時需進行修正[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和變形參數(shù)。西南交通大學（2018）[27]也針對我國鉆孔的大孔徑特征，自主研發(fā)了一套鉆孔剪切設備，并成功應用在實際工程中。機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司（2016）[28?29]通過改進試驗設備，在黃土地區(qū)的測試深度達到22.8 m，并通過對試驗結果的統(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參數(shù)問題，土工界應用較多的是注水試驗。

但目前廣泛應用的原位滲透試驗，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，浙江大學巖土工程研究所聯(lián)合荷蘭IFCO 公司（2005）[30]引進了瑞典工程師Bengt-Arne Torstensson 的BAT 系統(tǒng)[31]，并加以改進研制成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，原位滲透試驗進展較緩慢，實際工程應用中主要還是延用過去的試驗方法和設備。

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性質[32]。主要包括靜力觸探試驗、標準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60年代（電測靜力觸探）和19世紀80年代（孔壓靜力觸探CPTU）是兩個標志性階段。時至今日，已經(jīng)形成了一系列成熟的技術產(chǎn)品（探頭），包括國際研究機構和專業(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]。靜力觸探技術目前在地震災害風險評估、工業(yè)污染場地環(huán)境評價與海洋工程勘察等領域有廣泛的應用。

表1 CPT/CPTU 測試技術列表

當前的靜力觸探貫入設備也實現(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300 m 左右，并自動記錄、打印和處理成果。部分設備可進行無線操作，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 標準貫入試驗

標貫試驗起源于1902年。由于標準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，為此，國內(nèi)外開展了一系列標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行動力測量，進而通過計算得到錘擊能量，通過能量值完成對土體力學效應分析[44?46]。通過錘擊能量也能將國內(nèi)外標貫成果互相轉化，為開展國際項目提供有利條件。這方面研究以南京大學[47]和美國PDI 公司研發(fā)的設備為代表，均取得了一定的研究成果。

目前，對標貫試驗的質量控制也是重點研究方向之一，包括實時監(jiān)測標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50年代，由于標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備實現(xiàn)了多方面的技術升級，具備了取土樣、遠程操控、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。

針對動力觸探進行傾斜平面探測，國內(nèi)外進行了研究，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]，可進行水平和傾斜方向的勘探。國內(nèi)北京市勘察設計研究院有限公司（2015）[51]也構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。

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，缺乏定量數(shù)據(jù)的支持。

5 結論及展望

5.1 結論

從20世紀90年代初至今，巖土原位測試技術和設備實現(xiàn)了巨大進步，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：靜力觸探設備、旁壓試驗設備、鉆孔剪切試驗設備等測試設備實現(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）技術升級化：多款試驗設備在測試范圍、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。

目前的原位測試依然存在以下問題：

（1）成本較高：如應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，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)原位測試技術進展緩慢：國內(nèi)的原位測試儀器設備和方法基本都是延用國外數(shù)十年前的產(chǎn)品和技術，明顯滯后于歐美發(fā)達國家。

5.2 展望

（1）加強理論基礎：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)字信息技術的設備進行優(yōu)化升級；對未采用數(shù)字信息化的設備盡快更新，實現(xiàn)無線傳輸功能，為后期全面的數(shù)字化、信息化建設提供基礎。

（3）加強多功能設備研發(fā)：目前的多功能勘探設備還處于初期應用階段，隨著新型傳感技術的突破，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備將陸續(xù)出現(xiàn)，并且有將多種原位測試技術進行整合的趨勢。

（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，勘探技術扮演的角色會越發(fā)重要，相關測試設備及技術也應跟上時代的腳步。