土木工程测试理论与检测技术汇总.docx

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土木工程测试理论与检测技术汇总

土木工程测试理论与检测技术

前言

土木工程在设计过程中需场地在各方面的参数数据，这就需要土工测试，而在施工过程中则需进行动态监测，提供反馈信息，从而指导施工和修改设计，以确保工程安全。

土工测试和监测在整个设计施工运营过程中有着同等的重要性，各种测试方法和监测技术以其不同的特点应用于不同场合，以满足设计施工运营中各种不同的要求。

以下分测试和监测两部分进行具体阐述。

第一部分测试

土工测试可分为室内测试和现场测试两种。

1、室内测试

（1）含水率试验

土样含水率w是土的物理性质指标之一。

土样在各种状态下的含水率是计算其他物理性质指标的最基本试验。

土样含水率是指土样在105℃~110℃的温度下烘干至恒重时所失去的水分质量与烘干土质量的比值，用百分比表示。

即

式中：

w――土样含水率;m――湿土质量;m1――烘干图质量。

含水率试验以烘干法和酒精燃烧法最为常用。

烘干法为室内试验标准方法，但在野外若条件不满足可依土的性质和工作条件选用如下试验方法：

酒精燃烧法；比重法（适用于砂性土）；实容积法（适用于粘性土）；炒干法（适用于砾质土）。

（2）密度试验

土体的密度ρ是土体直接测量所得的物理性质指标之一，它与土的松紧程度、压缩性、抗剪强度等均有密切联系。

土体密度是计算地基自重应力的重要参数。

密度测试还是土体相对密实度等物理指标的测试方法。

单位体积土体质量叫土的密度，即

工程中常用的土体在不同状态下的密度有干密度、饱和密度、浮密度等。

密度试验时，将土充满给定容积V的容器，然后称取该体积土的质量m，或者反过来。

测定一定质量m的土所占的体积。

前者最常用的有环刀法，后者有蜡封法、灌砂法、灌水法等。

（3）比重试验

土粒比重是土体直接测量的物理指标之一，它受组成土粒的矿物成分所决定。

土粒比重是土在105℃~110℃的温度下烘干至恒重，当土中有机质含量超过5%时，采用65℃~70℃的温度烘干至恒重，土粒质量与同体积的4℃纯水质量的比值。

测试土粒比重时分为以下三种试验方法：

1.比重瓶法：

适用于粒径小于5mm的土；

2.浮称法：

适用于粒径大于5mm且粒径大于20mm的土粒含量小于10%的土；

3.虹吸筒法：

适用于粒径大于5mm且粒径大于20mm的土粒含量大于10%的土。

（4）颗粒分析试验

颗粒分析实验是测定干土中各粒组含量占该土总质量的百分数。

土的颗粒大小、级配和粒组含量是土的工程分类的重要依据。

颗粒分析实验是土工基本试验之一，其成果的准确性常影响土工建筑物设计方案甚至稳定性。

土粒的粒径变化范围非常大（从小于0.002mm到大于60mm），故对不同的粒组采用不同的试验方法：

粗粒组一般用筛析法，细粒组采用密度计法（比重计法）或移液管法（吸管法）。

（5）界限含水率（稠度）试验

液态和可塑态分界处的含水率叫液限含水率，可塑态和半固态分界处的含水率叫塑限含水率，半固态与固态分界处的含水率叫缩限含水率。

界限含水率试验主要内容是测试细粒土液限含水率

和塑限含水率

，简称液限和塑限，由此获得塑性指数

，液性指数

。

用

和

利用塑性图对土进行分类和利用

判断天然图所处的状态。

液限试验时，给予试样一个小的外力作用，在一定时间内，变形量达到规定值时的含水率为液限含水率。

规范中给出了两种液限试验方法：

锥式液限仪法和喋式液限仪法，并以前者为标准方法。

塑限试验时，给予一定外力使试样变形达到规定值刚好出现裂缝时所对应的含水率作为塑限含水率。

国标中据此给出了两种试验方法：

搓滚法和液塑限联合测定仪法，并以后者为标准。

（6）相对密实度试验

相对密实度是表征无凝聚性土天然状态下密实程度的物理量，定义为

式中

为最大孔隙比，

为最小孔隙比。

无凝聚性土的相对密实度与土的压缩性、抗剪强度等有密切的联系，是控制土石坝、路堤等填方工程碾压标准的重要指标。

试验时，将烘干试样轻轻倒入一定体积V的容器中，装满后称出试样质量m，在测量土粒重之后可计算

；将烘干试样装入容器中，在竖向用击锤捶击，侧向水平振动的情况下，使试样达到不变的体积V，称出试样质量，同样计算可得

。

（7）击实试验

击实试验的目的是研究非饱和粘性土在一定击实功作用下，不同含水率时的干密度变化规律，用以确定土体的最大干密度和它对应的最优含水率，为工程设计提供初步的填筑标准。

室内击实试验，模拟土工建筑物现场压实条件；在一定击实功作用下，得到土体两个击实参数：

最大干密度和最优含水率，根据施工规范提出填土碾压标准、土体允许含水率和控制干密度。

（8）渗透试验

土体为多孔介质，谁能够在土的孔隙中流动的特性叫土的渗透性。

若渗透水流在土中呈层流状态流动，则满足达西定律，即渗流速度v与水力梯度i成正比，即

渗透试验的目的就是测量渗透系数k。

由土的渗透系数评价土的渗透性大小，计算水工建筑物渗流量等。

渗透试验试验原理就是在试验装置测出渗流量，不同点的水头高度，从而计算出渗流速度和水力梯度，计算出渗流系数。

常用两种不同试验装置：

常水头试验装置用来测定渗透系数较大的无凝聚性土的渗透系数，变水头渗透试验装置用来测定渗透系数较小的凝聚性土的渗透系数。

（9）固结试验（压缩试验）

土体的压缩是指土体在外力作用下体积发生减小的现象；土体固结是指土体在外力作用下体积随时间变化的过程。

压缩试验的目的是获得土体体积变化与所受外力的关系，在一维模型中，用压缩曲线来表示。

在e~p曲线上，可得到压缩系数，在e~lgp曲线上可得压缩指数。

固结试验的目的是获得在一定大小的外力作用下土体体积变化与外力作用时间关系，在一维固结模型中，采用太沙基一维固结理论描述时，为压缩量与时间的关系，得到固结系数。

固结（压缩）试验是使试样在侧向不变形的条件下，受竖向力的作用，量测试样轴向变形速率和在每级荷载作用下的最终压缩量。

其成果用于沉降计算和一维固结计算。

（10）直接剪切试验

简称直剪试验，它是测定土的抗剪强度的常用方法。

试验时通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力作用下，施加水平剪切力进行剪切，取得水平面破坏时的剪应力，然后根据库伦强度理论确定土的抗剪强度指标：

内摩擦角和粘聚力。

该试验设备简单，速度快，因而被广泛应用，但它也存在明显缺点：

剪应力和剪应变分布不均，预定剪切面可能代表性不好，不能控制试样的排水条件等。

（11）三轴剪切试验

三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的一种较完善的方法。

与直剪试验相比，三轴剪切试验有以下优点：

能控制试验过程中试样的排水条件；能量测试样固结和排水过程中的孔隙水压力；试样内应力分布均匀。

三轴剪切试验能得到不同条件下土的抗剪强度指标和变性参数，根据试验过程中排水条件的不同，将三轴试验分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）等三种类型。

2、现场测试

（1）载荷试验

载荷试验可用于确定岩土地基的承载力和变形特性。

试验时，用一定面积的载荷板向地基施加竖向荷载，观察地基变形和破坏现象。

载荷试验的方法很多：

按加荷性质可分为动力载荷试验和静力载荷试验；按承载板型式分为平板载荷试验和螺旋板载荷试验；按试验深度分为试坑载荷试验和钻孔载荷试验。

载荷试验成果最直接的应用是确定地基承载力和地基土变形模量，从而应用于工程设计和检验地基加固效果。

（2）静力触探试验

静力触探试验测定探头的比贯入阻力、锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力。

试验时，用静力将探头以一定的速率压入土中，利用探头的传感器，通过仪器将探头贯入阻力记录下来，由于贯入阻力的大小与土层的性质直接相关，通过贯入阻力的变化，达到了解土层工程性质的目的。

静力触探试验成果在工程上常应用于以下方面：

1.查明地基土在水平方向和垂直方向的变化，划分土层，确定土的类别；

2.确定建筑物地基土的承载力和变形模量及其他物理力学指标；

3.选择桩基持力层，预估单桩承载力，判别桩基沉入的可能性；

4.检查填土及其他人工加固地基的密实度和均匀性，判别砂土的密度及其在地震作用下的液化可能性；

5.湿陷性黄土地区可用来查找浸水湿陷事故的范围和界限。

（3）圆锥动力触探试验

动力触探是利用一定的落锤能量，将一定尺寸、一定形状的探头打入土中，根据打入的难易程度（可用贯入度、锤击数或探头单位面积动力贯入阻力来表示），判定土层性质的一种原位测试方法。

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。

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含砾土层，动力触探是十分有效的勘探测试手段

其成果应用包括：

评价砂土的密实度；确定地基承载力；确定抗剪强度和变形模量；确定锥尖持力层和单桩承载力。

（4）现场直剪试验

原位剪切试验对土的扰动程度较室内试验大为减小，试样尺寸较室内试验大，试验点的位置也更易控制。

因此，原位剪切试验获得的土的抗剪强度成果更可靠，更接近工程受荷变形的实际情况。

原位剪切试验常用三种剪切方式：

大面积直剪试验；水平推剪试验；原位十字板试验。

其中的十字板剪切试验成果可应用于：

判断现场土层的不排水抗剪强度；评定软土地基承载力；预估单桩极限承载力；检验地基加固改良效果。

（5）旁压试验

旁压试验是将圆柱形旁压器竖直地放入土中，利用液压使旁压器产生径向扩张，对周围土体施加均匀压力，通过测量压力和体积扩张量（或径向变形量）的关系，即可获得地基土在水平方向上的应力应变关系。

根据入土方式的不同，旁压仪分为预钻式旁压仪、自钻式旁压仪和压入式旁压仪，试验方法也相应地分为三种。

旁压试验成果应用包括：

划分土类及确定土的物理状态；确定土的强度参数：

确定土的变形参数；确定浅地基的地基承载力等。

（6）扁铲侧胀试验

扁铲侧胀试验是用静力将一中空的扁铲形探头贯入土中预定的试验深度，通过施加气压使扁铲侧面的圆形钢膜片向外扩张挤压土体，并测定对应于膜片规定扩张量的压力值。

根据所测得的压力值大小及其规律，判定土的工程性质。

扁铲侧胀试验成果应用包括：

判别土类；确定黏性土的状态；确定静止侧压力系数和水平基床系数等。

（7）波速测试

岩土体由固体骨架和孔隙构成，孔隙中通常被流体（孔隙水、油、气）等填充。

固体骨架的矿物成分、密度、结构不同，使弹性波传播的速度不同；孔隙中流体性质和填充程度不同也使弹性波传播速度产生差异。

波速测试在岩土工程中的应用十分广泛，例如：

监测岩土体的变形与破坏；划分岩土体的地层；计算岩石地基的动力参数；划分场地土层等。

第二部分监测

1、岩土工程监测中应用的技术

（1）位移监测

位移监测比较容易、可靠，因此是岩土工程监测的主要内容。

其利用的技术包括伸长计、倾斜仪、收敛计、测缝计、GPS、全站仪、经纬仪、水准仪、测距仪、照相和摄像的监测技术、遥测和遥感技术等。

1.伸长计

多点伸长计是埋设在钻孔中，以量测两点测线方向上的两点相对位移的一类重要监测仪器。

既可以用于地下工程的监测也可用于边坡工程的监测。

多点伸长计可分为：

钻孔多点伸长计（有并联式和串联式两种）、无测杆分节滑动钻孔伸长计以及沟埋式多点伸长计。

2.倾斜仪

倾斜仪用来测量围护桩墙和土体在不同深度上的点的水平位移，其基本原理是通过摆锤受重力作用来测量测斜探头轴线与铅垂线之间倾角φ，进而计算垂直各点的水平位移。

倾斜仪与伸长计、收敛计、测缝计的最主要区别在于：

测缝计是通过量测倾角然后计算转换出各测点在其连线垂直方向上的位移变化值，而后三者均是直接测读出某方向上测点间位移变化值的。

按探头传感元件不同，倾斜仪可分为四中代表类型：

滑动电阻式电阻片式钢弦式伺服加速度式。

3.收敛计

收敛计是借助于某种有形的连接材料，量测两测点在其连线方向上距离变化的一种携带式仪器。

收敛计与伸长计都是用于测量两测点在连线方向上的距离变化，它们之间的区别在于是否借助于钻孔。

收敛计可以理解为一种完全不依赖于钻孔的