[科普中國]-原位試驗(yàn)

試驗(yàn)方法

確定巖體變形模量最常用的原位試驗(yàn)是平板載荷試驗(yàn)(千斤頂試驗(yàn))，這類試驗(yàn)有的是用加壓扁千斤頂作用在壓桿上，有的是通過一套液壓千斤頂，將荷載加到預(yù)制好的巖面上。

這類試驗(yàn)經(jīng)常通過測(cè)量承載板的位移量來計(jì)算變形模量，造成結(jié)果不夠準(zhǔn)確，其原因有承載板的偏斜、板與巖體之間空隙的閉合及承載板下面卸荷裂隙與爆破所形成裂隙的閉合。Ribacchi對(duì)此問題作了詳細(xì)的調(diào)查，得出只有在承載板以下一定深度處量測(cè)位移量，才能得到可靠的結(jié)果。因此，應(yīng)盡可能用埋于巖體中的多點(diǎn)應(yīng)變計(jì)來量測(cè)變形量。1

分類原位試驗(yàn)是指直接在現(xiàn)場(chǎng)地基土層中進(jìn)行的試驗(yàn)。由于試驗(yàn)土體的體積大，所受的擾動(dòng)小，測(cè)得的指標(biāo)有較好的代表性，因此近年來，此類試驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用范圍均有很大的發(fā)展。前面闡述的觸探試驗(yàn)也可算是原位試驗(yàn)，不過它所測(cè)定的不是土的某種物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。直接測(cè)定原位土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，常用的有平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、十字板試驗(yàn)、大型直剪試驗(yàn)、壓水和注水試驗(yàn)等。

平板載荷試驗(yàn)平板載荷試驗(yàn)是一種模擬實(shí)體基礎(chǔ)承受荷載的原位試驗(yàn)，用以測(cè)定地基土的變形模量、地基承載力以及估算建筑物的沉降量等。工程中常認(rèn)為這是一種能夠提供較為可靠成果的試驗(yàn)方法，所以在取原狀土樣很困難時(shí)，如對(duì)于重要建筑物地基或復(fù)雜地基，特別是碰到松散砂土或高靈敏度軟黏土，均要求進(jìn)行這種試驗(yàn)。

旁壓試驗(yàn)旁壓試驗(yàn)又稱橫壓試驗(yàn)，是在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的橫向載荷試驗(yàn)，能測(cè)定較深處土層的變形模量和承載力。

旁壓儀是由旁壓器、充水系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和變形量測(cè)系統(tǒng)4部分組成。旁壓器是旁壓儀的主要部分。它是外徑為56mm的圓柱形橡皮囊，內(nèi)部用橫隔膜分成中腔和上下腔。中腔直接用以量測(cè)，稱為量測(cè)室；上下腔用以保持中腔的變形均勻，將空問問題簡化成平面應(yīng)變問題，稱為輔助室。

試驗(yàn)時(shí)，先將旁壓器豎立于地面上，打開充水系統(tǒng)的注水閥，向旁壓器及管路充水。充滿后，關(guān)閉注水閥門。將旁壓器置于鉆孔中預(yù)定的測(cè)試位置。這時(shí)旁壓器的橡皮囊尚未緊貼在四周的巖土表面上。隨后利用加壓系統(tǒng)，經(jīng)量測(cè)管(包括輔助管)分級(jí)向旁壓器加壓，量測(cè)室和輔助室因內(nèi)部水壓升高而體積膨脹。先是讓橡皮囊緊貼于巖土面上，繼而擠壓四周巖土體，產(chǎn)生軸對(duì)稱徑向變形。顯然量測(cè)段鉆孔的擴(kuò)張量就是該段橡皮囊的膨脹量，也就是加壓時(shí)所注入的水量，可以從量測(cè)管上的刻度讀取。2

十字板剪切試驗(yàn)十字板剪切試驗(yàn)是快速測(cè)定飽和軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度的一種簡易而可靠的方法。儀器主要由十字板頭和加荷裝置及測(cè)力裝置組成。近年來新式儀器多用自動(dòng)記錄顯示器和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)代替舊有的讀數(shù)表盤。在軟黏土中選用75mm×100mm或75mm×150mm板頭，在較硬的土中則選用50mm×100mm的板頭較為合適。2

優(yōu)缺點(diǎn)巖土工程的原位試驗(yàn)是指在工程現(xiàn)場(chǎng)以及在不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)巖土層的情況下通過特定的試驗(yàn)儀器對(duì)巖土層進(jìn)行試驗(yàn)，并運(yùn)用巖土力學(xué)的基本原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、分析、抽象和推理以判斷其狀態(tài)，以獲得所測(cè)巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及劃分巖土層，得出其性狀參數(shù)的綜合性試驗(yàn)技術(shù)。由于室內(nèi)的巖樣存在體積小、脫離巖體的地質(zhì)力學(xué)性能的全貌等缺點(diǎn)，因而不能充分反映巖體的力學(xué)性能。而巖體的野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)就較為全面地反映巖體力學(xué)性能的全貌，這是室內(nèi)試驗(yàn)所不及的。原位試驗(yàn)技術(shù)是巖土工程和工程地質(zhì)學(xué)科的重要組成部分，其優(yōu)點(diǎn)在于：①不用取樣；②樣本數(shù)量大；③快速、經(jīng)濟(jì)。由于原位動(dòng)態(tài)試驗(yàn)往往是在一定范圍內(nèi)的自然狀態(tài)巖體上進(jìn)行的，所以成果數(shù)據(jù)更能反映介質(zhì)的真實(shí)情況，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

原位試驗(yàn)也有其局限性。首先，原位試驗(yàn)的應(yīng)力條件復(fù)雜，一般很難直觀地得出某個(gè)參數(shù)，而如按反饋分析的方法，則在選擇計(jì)算模型和確定邊界條件時(shí)將不得不采取一些簡化假設(shè)，由此引起的誤差也可能使得出的參數(shù)不能理想地表征實(shí)際巖體的性狀，特別是當(dāng)原位試驗(yàn)中的巖體變形和破壞模式與實(shí)際工程中不一致時(shí)。其次，原位試驗(yàn)一般只能測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)實(shí)荷重條件下的參數(shù)，而無法預(yù)測(cè)后者在荷重變化時(shí)的發(fā)展趨勢(shì)。最后，原位試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)錢，試驗(yàn)數(shù)量因而受到限制，特別是一些大型試驗(yàn)，得到的參數(shù)數(shù)量甚至少到無法進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于性質(zhì)變異較大且十分不均勻的巖體來說，少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的不具有代表性?？傊?，對(duì)于測(cè)定巖體參數(shù)，僅僅強(qiáng)調(diào)原位試驗(yàn)也是不可行的。關(guān)于對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的取樣擾動(dòng)影響，現(xiàn)有的一些精細(xì)的取樣技術(shù)，足可以使取巖樣擾動(dòng)的影響降低到最小限度。3

應(yīng)用目前，應(yīng)用原位試驗(yàn)技術(shù)來定量或準(zhǔn)定量地評(píng)價(jià)工程巖體質(zhì)量已取得了很大的進(jìn)展。通過對(duì)工程巖體的原位試驗(yàn)或無損檢測(cè)，獲取其原始狀態(tài)下的多種物理力學(xué)參數(shù)，再配合一定的大型試臉和室內(nèi)試驗(yàn)就能全面地取得工程巖體物理力學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)工程巖體進(jìn)行評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)、施工等部門提供可靠的定量依據(jù)。原位試驗(yàn)所使用的儀器輕便、操作簡單，工作條件要求不高。可以現(xiàn)場(chǎng)做出切合實(shí)際的定量分析評(píng)價(jià)。

原位試驗(yàn)是在巖體的局部施加載荷測(cè)定巖土的反應(yīng)，以估計(jì)巖土的指標(biāo)，如強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)等?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是在比較大的范圍內(nèi)施加載荷測(cè)讀巖石的綜合反應(yīng)，用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性，測(cè)定施工過程中巖體的反應(yīng)，估計(jì)宏觀的指標(biāo)范圍以校正原位試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果。原位試驗(yàn)方法應(yīng)根據(jù)巖土條件、設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)的要求、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方法的適用性等因素選用。根據(jù)原位試驗(yàn)成果，利用地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)估算巖土工程特性參數(shù)和對(duì)巖土工程問題做出評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)與室內(nèi)試驗(yàn)和工程反算參數(shù)作對(duì)比，檢驗(yàn)其可靠性。原位試驗(yàn)的儀器設(shè)備應(yīng)定期檢驗(yàn)和標(biāo)定。分析原位試驗(yàn)成果資料時(shí)，應(yīng)注意儀器設(shè)備、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法等對(duì)試驗(yàn)的影響，結(jié)合地層條件，剔除異常數(shù)據(jù)。

巖石力學(xué)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置方案應(yīng)以巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為依據(jù)。

①確定試驗(yàn)位置 確定試驗(yàn)位置是一件既關(guān)鍵又復(fù)雜的工作，要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，反復(fù)地研究工程地質(zhì)資料，對(duì)工程巖體進(jìn)行分區(qū)，確定分區(qū)內(nèi)的試驗(yàn)地點(diǎn)，經(jīng)過逐步篩選，以達(dá)到試件少而精，又具充分的代表性。

②對(duì)工程巖體進(jìn)行分區(qū)篩選 在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，首先研究工程巖體分區(qū)圖和工程巖體結(jié)構(gòu)圖，每一分區(qū)代表一種工程特性。每一分區(qū)的巖性、構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性等都不同于另一區(qū)，在分區(qū)的基礎(chǔ)上，還必須進(jìn)一步篩選。分區(qū)篩選的原則是根據(jù)每個(gè)分區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行判斷，判斷其工程的穩(wěn)定程度。

③運(yùn)用簡易手段和分析計(jì)算方法找出控制巖體穩(wěn)定關(guān)鍵部位 為了節(jié)省試驗(yàn)工作量，特別是現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)工作量，應(yīng)該盡量事先利用一些簡易手段或設(shè)備，運(yùn)用工程物探和一些經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)做出預(yù)測(cè)及判斷。同時(shí)，還應(yīng)在充分分析研究已有資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算方法，進(jìn)行靈敏度分析和參數(shù)研究，即針對(duì)不同巖體，在其設(shè)計(jì)參數(shù)的可能變化范圍內(nèi)，進(jìn)行不同方案的計(jì)算和分析，哪些部位的巖體和哪些參數(shù)是控制性的，從而確定巖體力學(xué)試驗(yàn)的重點(diǎn)。

④確定試驗(yàn)的主要內(nèi)容巖體力學(xué)試驗(yàn)的主要內(nèi)容，取決于巖體工程的破壞方式及工程作用的方式。

巖土工程多為隱蔽性工程，由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜多變，加之結(jié)構(gòu)體與巖土體之間的相互作用難以把握，故巖土工程中發(fā)生事故的幾率很大而且難于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。因此，重視和強(qiáng)化巖土工程中的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)工作是十分必要的，而原位試驗(yàn)(檢測(cè))是實(shí)際工作中最常用也是最直觀可靠的技術(shù)手段。3