工程地质野外试验.docx
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工程地质野外试验
第一节 概 述
工程地制裁野外试验是工程地制裁的重要勘察方法之一。
试验工作是在建筑场地中进行的，试件不仅尺寸大，而且没有脱离原来的地质环境;所采用的压力大小及其动、静性质等试验条件，都选择接近工程设计情况,这种具有模拟性的大型现场试验,也称原位试验，它比室内试验更能获取符合岩土体实际情况的工程地制裁性质定量参数,为解决保类建筑物的工程地质问题，建筑场地的工程地质评价、工程设计和施工等提供可靠的地质等资料。
工程地质野外试验的基本内容有三大类：
一是水文地制裁试验：
如钻孔压水试验，抽水试验,渗水试验，岩溶连参赛试验等;其二是岩、土体力学性质及地基强度试验:
如载荷试验触探试验，钻孔旁压试验，十字板剪力试验，岩体变形特性静力法试验,岩体搞剪试验，岩石声波特性试验，回弹锤击试验，点荷载试验；其三是地基工程地质处理试验，如有的一般较少采用,故本章只重点介绍常用的试验内容。
工程地质野外大型试验的主要特点是：
1、保持天然状态。
试样不脱离原来的环境，在保持原始应力状态、天然结构和含水量的情况下进行试验，这和经现场采样送往试验室进行室内试验有根本区别。
2、综合反映客观实际。
野外试件尺寸较大，能包含较多的结构面，更能反映天然岩土体的不均匀性和不边连续性等工程地质性质。
3、避免取样的困难。
遇粒径很粗，颗粒不均,结构相差悬殊的土体，或风化程度不一的碎裂岩体和软弱夹层等时，很难选取代表性的试样,在这种情况下，野外试验更具优越性。
4、完成室内无法测定的试验内容。
由于岩土体的某些性质与地质环境有关，如裂隙岩体的空隙性、透水性、天然应力状态和洞室围岩松动圈等,必须在建筑场地中进行试验，而实验室无法进行.
野外试验虽然有上述优点,但它所需试验条件、设备和技术都比较复杂，有时又需较大的辅助工作量，如需专门性的试验钻孔、开挖一定规格的试验平洞或竖井等；另外，试验周期长,在人力、物力和时间上的耗费比较大，成本也高，所以，大型的野外试验一般不宜大量进行，只是在建筑物的具体位置选定以后，根据建筑区的特点与工程需要，有目的地选择进行。
但有些较大的工程,在选址阶段也进行少量的大开支野外试验。
当然，工程地质条件比较简单的中小型工程，不定定进行大型的野外试验工作。
室内需要在现场取样和选样，在试样封存、运输过程中常常不同程度地使试样的天然含水量发生变化，结构扰动和原始应力释放等，这对试验成果的可靠性和准确性有一定影响。
而野外原位试验，样品不脱离原地,比较符合实际，所以，国内外进行工程地质勘察时都对原位试验给予极大得视,在设备和技术方法上不断创新,并向轻便、准确、迅速和自动化方向发展。
从经济观点出发,工程地质勘察中学宜大量进行大开封野外试验，还是以寅试验为主.只在关键部位，根据需要与可能，适当采用少暗无天日野外大开试验。
二者取长补短互相配合,以便使面上的大量室内试验成果与重要部位的少量野外原位成果相互验证,获得比较可靠的参数.
第二节 土体力学性质试验
土体力学性质试验的方法较多，在一般粘性土和无粘性土地基中，常用载荷试验或钻孔旁压试验来测定土体的变形模量和承载力;而在软土地基中,常采用十字板剪力试验来求得土层的搞剪强度指针。
引外，沿有结合勘探坑孔进行的标准贯入试验和勘探试验两用的静力触探试验，快速求得地基的容许承载力。
一、载荷试验
（一）、试验目的与基本原理
载荷试验的主要目的是研究地基土体在天然状态下的压缩变形特征,测定地基土体的变形模量（E0），确定地基的容许承载力［R]。
这是一种大型模拟试验，在松软土地区进行大型建筑工程地质勘察时常常使用，尤其是在过去建筑经验较少的地区，更需进行载荷试验。
试验的具体位置、一般分布在设计建筑物荷重较大以及建筑结构对地基变形要求较高扔部位，或土体中具有不均匀和软弱土层的典型的地段。
载荷试验的基本原理是,通进对放畦在地基土表面上的方形（或圆形）承压板上逐级施加荷载,观测各级荷载下沈降量随时间的变化，逐级达到稳定为止，这样就测得各级的重压力（P）相应稳定沉降量（S），以此绘制压力与沉降的关系曲线（P—S）和沈降量随时间变化的S—T关系曲线（图4—1）。
载荷仪主要是由如荷传压系统、变形观测系统和承压板等三部份所组成。
加荷传压系统一般分载荷台式与千斤顶式两大类,.载荷台是一个放置砝码的平台,通过传力柱将力传至承压板上（图4——2a）.千斤顶式加荷传力比较方便,现已广泛采用.这种装置主要是用油压千斤顶加荷,但须配备反力系统和稳压器,反力系统又有地锚式和斜撑阻力板式两种.常用的变形观测仪为百分表。
承压板常用刚度较大的圆形或方形钢板,经验证明,其面积大小与地基沉降量的大小成直线关系，但是大到一定程度这种关系就不明显了。
实践经验证明：
对一般均匀粘性土地基，用面积为2500--5000㎝2的承压板比较合适,对上覆硬层下部为软弱土层的双层结构地基﹑新近沉积的粘性土和人工填土地基﹑以及湿陷性黄土地基等,则需采用面积大于5000㎝2的承压板.
（三）试验技术要点与要求
试验点位置应根据建筑物的结构特点﹑特殊要求发展变化及建筑区的工程地质条件来选择，一般布置在重要建筑物关键部位的持力层和软弱土层处
为保证试坑中土的天然湿度和原始结构,对软塑状态粘性土或饱水松散土,应在承压板周围预留20-—30㎝厚的保护层。
当试验标高低于地下水位时,应先把水位降至试验标高以下.在坑底铺5㎝厚的砂垫层，待水位恢复后再进行试验。
试坑的宽度不水于承压板宽度（或直径）的三倍.
承压板与土层接触处，经整平后,常垫0。
5——1㎝厚的净砂,其粒径为0。
25—0.5㎜,以保证承压板水平并与土均匀接触.对碎石﹑砾砂地基，平整表面时要防止扰动,并在承压板位置浇注混凝土垫层,将其表面抹平,养护，达到要求强度后,方可放上承压板进行试验。
分级加荷。
第一级加荷（应包括设备自重）宜接近挖除土柱的自重，其相应的沉降量不计。
以后,每级加荷的增量一般应取地基预估承载力的1/8—1/10;对软土地基每级荷载增量为10—15Kpa；对密实的砂土，碎石土和坚硬的粘性土地基,每级荷载增量可采用50——100Kpa，每加荷后,第一小时内按10，20，30，45,60分钟观测其沉降量（S）一次，以后每隔一小时观测一次,至沉降稳定为止，绘出S_—-t关系曲线.
沉降稳定时间标准,视土的种类，而定:
砂土及碎石土每级荷载观测不少于4小时;一般粘土不少于8小时；软粘土不少于24小时.同时，还须满足连续两个小时沉降增量不超过0。
20㎜或1小时沉降增量不超过0。
1㎜的要求。
。
试验过程中出现下列现象之一时,即可认为土体已达到极限荷载状态,可以结束试验
（1）承压板周围出现土被挤出，或有明显裂缝变形的现象;
（2）荷载增量不大，而沉降量急剧增加；（3）24小时内沉降量几乎随时间等速增加.
当最终一级加荷观测沉降量结束（尽可能使最绞荷载达到土体的极限压力）后，视要求，可逐级卸荷，并观测其回弹值。
有时沿须在设备拆扣帽子后,观察承压板以下土层表面的情况,必要时,还须取样测定其密度变化。
（四）资料整理与成果应用
根据试验测得的资料,绘制p—S曲线和S—t曲线。
在p—S曲线上确定两个拐点a和b及与其相应的压力值（pa）和（pb），这是确定地基的容许承载力和计算变形模量的重要依据。
由于安装或测试技术的偶然误差，p—S关系曲线有时不通过坐标零点试验前应尽力设法避免，一旦发生此种情况,可能这过图解法或最小二乘法以减小其影响。
试验前应尽力设法避免，一旦发生此种情况，可通过图解法或最小二乘法以减小其影响。
计算土的变形模量（E0），一般选用p-S曲线的直线段，用下式计算（E0）值：
、
E0= （1-µ2）P/S＊d
式中：
P——-—--承压板上的总荷载，（Kpa）
S--—-————-与荷载P相应的沉降量，（cm）
d---———————按承压板面积（F）换算的相应圆面积的直径（cm），d=2（F/Π）1/2
μ-—-———土的泊松比（见表4—1）
表4—1 土的侧压力系数（ξ）和泊松比（μ）
土的种类各状态
ξ
μ
碎 石土
砂 土
轻亚粘土
0。
18-0。
33
0。
33—0。
43
0。
43
0.15—0.25
0.25-0.30
0.30
亚粘土
坚硬的
可塑的
软塑的或流动的
0。
33
0.43
0。
53
0.25
0.30
0。
35
粘土
坚硬的
可塑的
软塑的或流动的
0。
33
0。
53
0.72
0。
25
0.35
0。
42
根据载荷试验成果确定地基的承载力［R］。
主要方法有：
（1）强度控制法:
当P-S曲线有罗明显的直线段时,其终点a易于找出,一般利用与其相应的压力值（P0）为地基土的容许承载力[R］。
这种方法适用于坚硬的粘性土、碎石土、砂土等7,但对于软粘土等；P—S曲线上的拐点不明显,可用下述方法确定
（1）在某一荷载压力下其沉降增量超过前一级荷载压力下沉降增量的二倍，即△Sn﹤2△Sn-1，则与该点对应的压力值为容许承载力[R]
（2）绘制㏒P-—㏒S曲线,曲线上与转折点对应的压力值为容许承载力［R]；（3）绘制P--△S/△P曲线，与曲线上的转折点对应的压力值为荷载承载力［R],其中△P为荷载增量，△S为相应的沉降量；（4）绘制E0——P曲线，以每级荷数（P）及其相应应的沉降量（S）为依据，绘制变形模量E0—-P曲线，与曲线上的转折点对应的荷载值为容许承载力［R]。
（2）相对沉降控制法:
在P—S曲线较平缓的区段中选取承压板沉降值S与承压板宽度（或直径）b之比值（S/b）,即相对学降量。
对一般粘性土采用与相对沉降量S/b﹤0。
02对应的压力作为容许承载力[R]；对砂土和新近沉积粘性土采用与S/b=0。
010—00.015对应压力值作为容许承载力[R]
（3） 极限荷载法:
当（Pa）与（Pb）接近时，可将（Pb）除以安全系数（K）作为土体的容许承载力［R］
[R］=Pb /K
式中K—————--——----—安全系数，一般选用1。
5—2.5。
以上是利用载荷试验确定地基容许承载力［R］的常用方法。
随着生产实践的深入发展，国内外沿有一些其它方法，这里不再逐一介绍。
二、钻孔旁压试验
（一）试验目的与基本原理
钻孔旁压试验的目的也是测定地基土体的变形模量（E0）和确定地基的容许承载力［R］。
它的基本原理与载荷试验相仿，但两者施加压力的方式和土体变形的方向是不同的.只有当土层性质为各向同性时，本试验成果方可直接用以测定地基的容许承载力，否则，须作对比试验，分别求得它们同类指针间的换算系数以后，才能采用。
本试验方法主要是，利用高压气体使量管中的水注入置于钻孔中的旁压器里，使其因增压膨胀而对孔壁施加侧向压力,引起孔壁土体产生变形，其大小由量管中水位变化值反映出来。
通过逐级加荷，并观测相应量管中的水位降，据此绘制压力与水位降的关系曲线。
它与载荷结果的P—S曲线相似，同样反映出随压力变化土层的变形特征，用曲线上直线段终点相应的压力作为该土层的承载力［R]，并可按（4-5）式计算土层的变形模量（E0）。
（二）仪器与主要设备
旁压仪有他钻式和自钻式两种,主要由旁压器，量测系统和加压系统等三部分组成。
旁压器是由三段互相隔离的套筒（直径为52㎜）及弹性膜组成，上下两端为辅助套筒，其作用是使中段量测套筒的周围
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