發布時間：2022-05-07所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 土工參數是工程設計、施工的重要依據，準確可靠的土工參數有利于節約工期，降低造價、保證質量，并大幅提高經濟和社會效益。由于巖土介質復雜的多相性、碎散性和自然性特征，巖土工程測試技術對科學認知巖土各項物理力學指標，深入理解其工程力學性質起著極其重
摘 要: 土工參數是工程設計、施工的重要依據，準確可靠的土工參數有利于節約工期，降低造價、保證質量，并大幅提高經濟和社會效益。由于巖土介質復雜的多相性、碎散性和自然性特征，巖土工程測試技術對科學認知巖土各項物理力學指標，深入理解其工程力學性質起著極其重要的作用。從三軸壓縮試驗、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數試驗等方面，對室內土工測試技術研究新進展進行了闡釋，并從靜載荷試驗、觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗等方面，對巖土原位測試技術及其應用研究進行了分析。伴隨著巖土工程測試技術自動化、智能化、精細化水平的提高，巖土項目建設的質量和效益必將得以全面提升。
關鍵詞: 土工測試; 三軸壓縮; 離心模型; 共振柱; 光纖監測
巖土是歷經千百萬年地質作用形成的，物理力學性狀極其復雜的工程介質。巖土工程測試是科學認知巖土各項物理力學指標，準確進行工程設計、分析計算的重要方式，也是深入理解巖土工程力學性質，助推學科蓬勃發展的重要動力[1 - 2]。伴隨著“一帶一路”戰略的縱深推入，高土石壩、超高層建筑、深海采油平臺等工程項目不斷出新，超大粒徑堆石料、高寒冰凍土、天然氣水合物土等復雜土工介質相繼涌現，對巖土工程測試技術提出了新的、更高的要求。
與工程建設的大規模開展相對應，近年來巖土工程測試技術取得了巨大發展進步。新型電子、光纖設備不斷被研發，聲波、電磁、物探方法不斷涌現，巖土工程測試技術的自動化、智能化和精細化水平得到了大幅提升[3]。本文對巖土工程測試技術研究新進展進行闡釋述評，以期為工程建設提供有益參考和借鑒。
1 實驗室測試技術
在土工實驗室內開展、完成的試驗，主要有土的基本物理性質試驗、液塑限聯合測定試驗、擊實試驗、直剪試驗、三軸壓縮試驗、無側限抗壓強度試驗、空心圓柱扭剪試驗、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數測試試驗等。
1. 1 三軸試驗
三軸壓縮試驗可以嚴格控制排水條件，測量軟黏土試樣的孔隙水壓力和體積變形，還可以進行不同應力路徑、不同應力狀態的組合試驗[4 - 5]。常規三軸試驗中試樣處于軸對稱應力狀態( σ1 ﹥ σ2 ﹦ σ3 ) ，無法考慮中主應力的影響，與實際受力狀況存在一定差異。真三軸試驗能實現三向獨立加載( σ1 ﹥ σ2 ﹥ σ3 ) ，真實反映土體在三向受力狀態下的應力應變特性( 見圖 1) ，且可以考慮復雜應力條件下土體的初始各向異性及誘發各向異性。
真三軸儀按荷載施加方式主要分 3 種: 剛性加載型、柔性加載型和混合型加載型。清華大學研發了巖土大型靜動真三軸試驗機( THU - SDTTA) ，該試驗機采用異形乳膠膜和橢圓形試樣帽封樣，具有密封性好、量測精度高、操作便捷等優勢，適宜于混合加載方式下的各項參數測試[6]; 重慶大學自主研制的多功能真三軸流固耦合試驗系統，能保證真三軸條件下氣液的自由滲流控制與精準監測，可以實現復雜狀態下巖體的應力 - 應變 - 滲流耦合性能測試[7]; 中科院武漢巖土力學研究所研制的 RTX - 3000 非飽和土真三軸試驗系統，位移量測精度達 0. 01 mm，可進行拉壓、松弛、蠕變、循環等多種應力路徑的力學特性試驗[8]。
動三軸試驗( DTT) 可用以測試土的動剪切模量和阻尼比，在分析交通、波浪或地震荷載下土的動力學特性方面用途極廣。美國 Geocomp、英國 GDS 動三軸測試儀位移精度 0. 7‰ ～ 1. 0‰，軸向力精度 1‰，在揭示粗粒砂的動應力 - 應變、孔隙水壓力消散規律特性，及液化機理分析方面功能強大。與常規動三軸相比，變圍壓動三軸能同時提供循環變化的偏應力與循環變化的圍壓，可以模擬動荷載下循環剪應力與循環正應力的耦合作用，廣泛應用在考慮縱波影響的地震荷載、考慮水平應力循環變化的交通荷載設計計算中。
1. 2 離心模型試驗
土工離心試驗借助離心機產生離心力，通過將小尺寸土工模型置于 ng( g 為重力加速度) 的重力加速度場內，實現對復雜巖土工程問題的模擬分析。離心機高速旋轉產生離心力，能使離心模型產生與實際結構相同的應力場，通過對離心模型的受力、變形分析，可以推測實際結構的力學性態、變形破壞機制。離心模擬測試技術具有“縮尺”與“縮時”效應，目前已廣泛應用在土石壩、邊坡、擋土墻、深基坑等工程領域，成為人們進行土工建筑物結構設計、探索巖土基本原理的重要技術手段[9]。
同濟大學較早開展了土工離心機的研發，其研制的 TLJ -150 復合型試驗機最大荷載能力 150g·t，最大離心加速度 200g，為地鐵隧道等項目建設的順利實施提供了科技支撐[10]; 大連理工大學土工鼓式離心機 GT450 環形槽直徑 1. 4 m，在數據處理精度、電機自動化程度及作動器加載模式方面已達到國際先進水平[11]; 中國水利水電科學研究院建成的 LXJ_ 4_450 土工離心機振動臺，可實現水平和垂直雙向耦合振動，能模擬不同能級的地震波動效應[12]; 浙江大學的 CHIEF( Centrifugal Hypergravity & Interdisciplinary Experiment Facility，CHIEF) 離心模擬設備，可以開展高壩與邊坡、深海深地工程、巖土地震工程等重大項目的研究，建成后將成為世界領先、應用范圍最廣的超重力多學科綜合實驗平臺[13]。
在海工結構、凍土路基及環境巖土力學等非傳統領域，土工離心模型試驗技術也具有其獨特、重要的科研價值。蔡正銀等[14]研發了一種土工離心造波裝置，該裝置可在 120g 離心加速度條件下模擬 60 m 水深產生的波浪，正常運作時能精確控制波浪的頻率、波長和幅值; 陳湘生等[15]采用半導體制冷技術開發了一套寒區超重力試驗系統，該系統可模擬 ± 30℃極端條件下，高鐵凍土路基凍脹 - 融沉耦合作用的循環過程; 詹良通等[16]以垃圾填埋場中的生化反應 - 溶質遷移 - 骨架變形模型為研究對象，通過離心試驗分析了污染離子在不同土層中的長期遷移規律等。
1. 3 共振柱試驗
共振柱試驗( RCT) 是利用激振力使試樣產生振動，測出土樣共振頻率以確定彈性波的傳播速度，進而計算土動剪切模量和阻尼比的測試方法。共振柱試驗以一維波動理論為基礎，是小應變( 1 × 10 - 6 ～ 1 × 10 - 4 ) 條件下測定土體動力特性參數理想的技術手段。其基本原理是在圓柱或圓筒形試樣上，以不同頻率施加縱向激振或扭轉激振，使土樣產生縱向振動或扭轉振動，根據共振頻率及土樣的幾何尺寸，計算土體的動剪切模量 Gd ( 見式( 1) ) 、動彈性模量 Ed ( 見式( 2) ) ，根據衰減曲線計算土體的阻尼比 λ( 見式( 3) ) 。共振柱試驗操作方便，測試結果離散性小，是現行地震安全性評價規范推薦的指定測試方法。
陳國興等[17]發現共振柱試驗測出的動剪切模量和阻尼比，在精度上與動三軸測試結果略有差異，重大工程項目應聯合利用這兩種測試方法，取長補短優勢互補，進行場地安全性評價和抗震設計; 賀為民等[18]指出均等固結條件下土的動力學研究較為豐碩，而非均等固結條件下土的動剪切模量、阻尼比等相關研究較少，亟需開展均等與非均等固結下土的動力特性參數轉換關系研究; 楊文保等[19]研究表明，相同應變水平下原狀粉土動剪切模量隨土層深度增加而增加，動剪切模量比 G /Gmax隨剪應變 γ 增加則迅速衰減; 李劍等[20]通過對紅黏土的共振柱測試發現，彈性變形范圍內( 剪應變小于 1 × 10 - 4 ) ，重塑紅黏土的動剪切模量衰減較一般原狀土慢，當應變超過 1 × 10 - 4 后，紅黏土動剪切模量的衰減速度較其它土體快。
1. 4 水 - 熱 - 力多場耦合測試試驗
熱量交換、溫度變化對巖土物理力學性質具有很大影響，隨著地熱資源開發利用、核廢料填埋處置及高寒凍土路基等項目建設的進展，水 - 熱 - 力耦合作用下巖土力學特性研究越來越受到科研人員的關注。中科院蘇天明等[21]通過 TC Probe 熱導儀測試發現，水體的熱導率比巖土介質的熱導率小，隨含水率增加巖土體的熱導率呈非線性下降趨勢( 見式 ( 4) ) ，巖土的孔隙結構、尺寸及其分布規律對熱導率也有一定影響;
2 原位測試技術
原位測試技術是指在工程建設、施工現場，通過輕微擾動或基本不擾動的方式對原位土層進行測試，以確定巖土物理力學參數、性質的方法。原位測試可避免室內試驗取樣、運輸過程中，土體原狀結構的破壞及水分損失，準確探明地基各土層的厚度、分布狀態及力學特性，測試結果具有很高的可靠性和代表性。 2. 1 靜載荷試驗靜載荷試驗通過液壓千斤頂、剛性承壓板逐級施加荷載，根據荷載 - 沉降( p - s) 曲線確定地基承載力和變形模量( 見圖 2) 。淺層平板載荷試驗適宜于淺層地基( ﹤ 5 m) 的檢測分析( 見式( 6) ) ，深層平板載荷試驗、螺旋板載荷試驗適宜于深層地基 ( ﹥ 5 m) 、大直徑樁和地下水位下土的檢測分析( 見式( 7) ) 。
2. 2 觸探試驗
圓錐靜力觸探( CPT) 是通過準靜力將標準規格的金屬探頭垂直均勻壓入土中，以測定土層阻力和地基承載力的原位測試技術�？讐红o力觸探( CPTU) 則在 CPT 的探頭上安裝透水濾器及量測元件，能同時測得探頭錐尖阻力、側壁摩阻力及地下水壓力等參數信息。隨著環境巖土工程等研究領域的興起和探測技術的發展，CPTU 涌現出許多新型傳感測試方式，促使 CPTU 朝著多功能和數字化方向邁進。
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劉松玉等[26]在 CPTU 的探頭上增加電阻率測試通道，研發了可用于測試土體電阻率的 RCPTU 系統，已廣泛應用于污染場地評價、液化分析及地基處理效果檢測( 見圖 3) ; 沈小克等[27]通過安置波速檢測設備研發了地震波孔壓靜力觸探( SCPTU) 系統，該系統可根據剪切波傳播時間測算土層的剪切波速，適宜于無黏性土相對密實度和液化勢的判別; 蔡國軍等[28]通過數碼攝錄技術實現了 CPT 的可視化，能現場觀測到探孔中的薄夾層、透鏡體及裂隙等復雜結構; 陳仁朋等[29]研發的熒光探頭 LIF 技術，可用于探測地下水的烴污染狀況和石油、木餾油等有害成分的含量。
輕型動力觸探( DPT) 是利用錘擊能量將一定規格的探頭打人土中，以確定地基土密實度、壓縮性和承載力的原位測試技術�，F場經驗表明 DPT 錘擊能量傳遞率可達 80% 以上，性能穩定效率高，考慮鉆桿直徑、錘重與落距等因素的影響，可根據需要對 DPT 測試數據進行適當修正。
2. 3 旁壓試驗
旁壓試驗( PMT) 是通過圓柱形探頭在鉆孔中對孔壁施壓，使土體產生徑向變形的原位測試方法。根據測得的膨脹壓力與土體變形，可以繪制應力 -體變、徑向壓力 - 位移關系曲線，進而計算土層的旁壓模量、地基承載力及沉降變形等參數( 見圖 4) 。旁壓試驗最大測試深度可達 20 m ～ 30 m，與深層平板載荷試驗相比，旁壓試驗操作簡單，且能得到較大范圍內土的應力應變關系曲線。旁壓試驗可避開地下水的不利影響，測試結果準確可靠。
李廣信[30]指出試驗鉆孔是旁壓測試分析的關鍵環節，為獲得高質量的鉆孔旁壓鉆頭直徑 Db、探頭直徑 Ds 和鉆孔直徑 Dw 需滿足 Ds ﹤ Db ﹤ 1. 07Ds， 1. 03Ds ﹤ Dw ﹤ 1. 18Ds; 孔令偉等[31]發現分級加載速率、加載穩定間隔對測試結果也有較大影響，現場實測表明分級加載速率宜控制在 3 kPa /s ～ 5 kPa / s，加載穩定時間間隔宜控制在 2 min ～ 5 min 之間; 楊光華等[32]將旁壓模量轉化為初始切線模量，進行黏性土地基的穩定性評價和沉降計算( 見式( 8) 、式 ( 9) ) 。
3 結 語
巖土介質是復雜的自然產物，巖土工程測試技術是深刻揭示巖土工程力學性質的正確方式，也是論證土力學理論、優化巖土項目設計的有效手段。巖土工程測試技術與巖土學科發展、項目建設休戚與共，始終緊密相連。隨著信息技術、電子技術、傳感技術的發展，巖土工程測試技術日新月異，取得了長足進步。本文系統分析了三軸壓縮試驗、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數測試試驗的研究進展，并全面闡釋了載荷試驗、觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗的工程應用，期望能為巖土項目建設的高質量發展作出貢獻。——論文作者：秦鵬飛，齊 悅，楊 光，梁一星
參考文獻:
[1] 李廣信. 高等土力學[M]. 北京: 清華大學出版社， 2004: 143-155.
[2] 錢家歡，殷宗澤. 土工原理與計算[M]. 2 版. 北京: 中國水利水電出版社，2000
.[3] 蔡正銀，張 晨，黃英豪. 凍土離心模擬技術研究進展[J]. 水利學報，2017，48( 4) : 398-407.
[4] 余 凱，姚 鑫，張永雙，等. 基于面積和應力修正的直剪試驗數據分析[J]. 巖石力學與工程學報，2014， 33( 7) : 675-680.
[5] 李廣信. 實用主義與土力學[J]. 巖土工程學報，2018， 40( 10) : 1897-1904.
[6] 劉松玉，蔡正銀. 土工測試技術發展綜述[J]. 土木工程學報，2012，45( 3) : 151-165.
[7] 陳生水. 土石壩試驗新技術研究與應用[J]. 巖土工程學報，2015，37( 1) : 1-28.
[8] 沈小克，蔡正銀，蔡國軍. 原位測試技術與工程勘察應用[J]. 土木工程學報，2016，49( 2) : 98-120
9] Kitazume M，Maruyama K. Collapse failure of group column type deep mixing improved ground under embankment[C]/ /Proceedings of the International Conference on Deep Mixing 2005. US: ASCE，2005: 245-254.
[10] 于玉貞，張向韜，王 遠，等. 堆石料真三軸條件下力學特性試驗研究進展[J]. 工程力學，2020，37( 4) : 1- 21，29.
[11] 秦鵬飛. 不同應力路徑下飽和粉土強度與變形特性試驗研究與現場監測分析[D]. 北京: 北京工業大學， 2010.
[12] Kitazume M，Okano K，Miyajima S. Centrifuge model tests on failure envelope of column type mixing method improved ground[J]. Soils and Foundations，2000，40 ( 4) : 43-55.
[13] 許成順. 復雜應力條件下飽和砂土剪切特性及本構模型的試驗研究[D]. 大連: 大連理工大學，2006.
[14] 蔡正銀，周宏磊，蔡國軍，等. 土工測試與勘察技術研究進展[J]. 土木工程學報，2020，53( 5) : 100-117.
[15] 陳湘生，濮家騮，羅小剛，等. 土壤凍脹離心模擬試驗[J]. 煤炭學報，2009，34( 6) : 615-619.
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