摘要: 对近年来以孔压静力触探为代表的原位测试技术和部分工程物探方法的应用实践及研究成果进行回顾。从降低工程建设成本、确保工程勘察可靠性，满足岩土工程分析和环境岩土工程评价新需求的角度，阐述如何大力推进原位测试技术的研究及其在实际工程中的更广泛和更深入运用。
关键词: 原位测试技术; 工程物探方法; 场地特征分析
引 言
岩土工程勘察是岩土工程设计与治理及地基基础( 地下结构) 设计、施工的基础，通过工程勘察对拟建场地特征进行鉴别分析( site characterization study) ，为岩土工程设计模型及其参数和分析方法的正确选择划分出工程地质、水文地质单元，提供合理的岩土层与地下水的空间分布数据信息，对拟建场区的稳定性和岩土体的岩土工程特性进行分析，并提供适用的岩土工程设计所需的岩土体指标和针对潜在关键问题的对策、措施建议[1-2]。近年来，穿越工程地质条件复杂地区的大规模陆路、水路交通工程建设和环境岩土工程项目的不断增多，使得传统岩土工程勘察在以钻探、取样和试验为主要依据的基础上，对原位触探技术及其与工程物探技术相结合的“现 代 方 法” ( “modern approach”) 的合理运用更加关注[1]。
因可避免岩土样的运输过程扰动、含水量损失等产生的问题，取得岩土材料在现场的原位特性指标和获得相对连续的岩土特性分布信息，以及相对工期较短的优势，原位测试技术的应用与研究一直受到业界的重视，成为勘察的重要辅助或者主导方法。国际上对原位测试装置的发展研究一直保持着比较良好的态势，近年的原位测试技术研究与应用一是主要以孔压静力触探( CPTU) 为代表的有损型( invasive) 、半无损( semi-destructive) 方法( 可配多种新型传感器) ，应用于直接的岩土工程设计、海洋工程勘察与环境岩土工程领域; 二是以工程地球物理勘探技术的应用研究为代表的无损型( non-invasive，nondestructive) 探测方法，应用于工程勘察和施工、城市基础设施运营风险防范中的复杂岩土体及空洞分布的探( 预) 测，以及环境岩土工程等新领域。按照目的划分，近年关于原位测试的技术发展和工程应用研究大体可分为图 1 所示的 4 种类型。本文重点对近年来上述两类原位测试技术发展中的代表性成果进行介绍。
1 原位触探测试技术原位触探测试技术
由于其不需取样、可连续测试等优 点，在岩土工程中得到了广泛应用和发展。 Dejong 等把原位测试方法分为 4 类: 无损或半无损型、贯入型、组合型[3-4]。表 1 为目前主要原位触探试验的适用性 与 可 靠 性[5]。下面重 点 介 绍 多 功 能 CPTU、 FFP、MIP 等新技术及其发展。
1. 1 近年原位触探测试技术发展概要
圆锥静力触探( CPT) 作为主要的原位测试技术，具有快速便捷、不需取样、采集数据量大、干扰小及费用低廉的优点。图 2 为 CPT 测试技术“家族”发展图。孔压静力触探( CPTU) 技术是 20 世纪 80 年代国际上兴起的原位测试技术[6]，可以同时测定孔隙水压力，应用于土层划分、土类判别、求取原位固结系数、渗透系数、动力参数和承载力特性等。近年来，随着岩土工程特别是环境岩土工程的发展，国际不少研究机构 ( 如英属哥伦比亚大学、美国佐治亚理工学院、荷兰代尔夫特大学等) 和专业原位测试仪器开发公司( 如 Hogentogler、Vertek、ConeTec、Furgo 公司等) 研制开发了用于 CPTU 的新传感器，促使 CPTU 向多功能和数字化方向发展[7]，进一步拓宽了 CPTU 技术应用领域。
1. 2 近年原位触探测试技术发展概要
圆锥静力触探( CPT) 作为主要的原位测试技术，具有快速便捷、不需取样、采集数据量大、干扰小及费用低廉的优点。图 2 为 CPT 测试技术“家族”发展图。孔压静力触探( CPTU) 技术是 20 世纪 80 年代国际上兴起的原位测试技术[6]，可以同时测定孔隙水压力，应用于土层划分、土类判别、求取原位固结系数、渗透系数、动力参数和承载力特性等。近年来，随着岩土工程特别是环境岩土工程的发展，国际不少研究机构 ( 如英属哥伦比亚大学、美国佐治亚理工学院、荷兰代尔夫特大学等) 和专业原位测试仪器开发公司( 如 Hogentogler、Vertek、ConeTec、Furgo 公司等) 研制开发了用于 CPTU 的新传感器，促使 CPTU 向多功能和数字化方向发展[7]，进一步拓宽了 CPTU 技术应用领域。
1. 2. 1 地震波 SCPTU 技术
地震波孔压静力触探( SCPTU) 是在 CPTU 贯入过程中，通过置于探头中力传感器上方的检波器量测地表激振系统产生的剪切波传播时间计算土层的剪切波速，测试原理与方法如图 3 所示[8]。SCPTU 可以提供 4 个沿深度变化的读数，贯入数据( qt，fs，u2 ) 反映土的应力破坏状态，剪切波速 Vs 可提供低应变刚度，土体孔压消散过程可反映土的渗透性质。
1. 2. 2 电阻率 RCPTU 技术
加拿大英属哥伦比亚大学( UBC) Campanella 等 1990 年研发出电阻率孔压静力触探( RCPTU) 探头[9]，可以同时测出锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、水电阻率和土电阻率( 图 4) 。后来还研制出可测温度和倾斜的探头。所有的测试通道均可以连续监测，每 25mm 或 50mm 采集一组数据。对可能的污染采用普通传感器进行测试，在探头后面还可安装化学传感器，对给定的污染种类实施特殊测试[10]。UBC 电极环具有直接和土体耦合、自动净化的独特优点。
1. 2. 3 可视化 CPT 技术
美国密歇根大学( University of Michigan) 开发的可视化静力触探技术( VisCPT) [11-14]通过两个不同放大倍数的微型照相系统( 图 5) 在探头连续贯入过程中连续照相，连续获取土层的数字化数据并转换为图像，进行现场审视、分析，可观察到土层中的薄夹层、透镜体、裂隙等( 图 6) 。
1. 2. 4 全流触探 FFP 测试技术
全流触探 FFP( full flow penetrometer) 测试技术在近海场地勘察中得到更加广泛的应用，通过穿过软土时产生类似于黏性流体围绕贯入探头的流动，获得超软土的不排水抗剪强度。最早由 Stewart 和 Randolph [15]研发了 T 形触探头( 平面应变流) ，20 世纪 90 年代后扩展至球形探头( 轴对称应变流) [16-17]( 探头结构及测试中 的 土 体 流 见 图 7 ) 。FFP 技术的优点主要包括[18]: ①在非常软的土中，精确性得到改进( 相比于 CPTU) ; ②对上覆应力的修正降低至最小; ③贯入阻力较少受到土的刚度、应力各向异性的影响( 对 比 于 CPT /CPTU) ; ④较好定义的破坏机理; ⑤重塑强度可以快速而精确地测定( 相对于 FVT) 。
最近将孔压测试元件与球形探头相结合[19-20]，孔压过滤环可安设于球形探头的“赤道”、中部和顶部 ( 图 8) 。
1. 2. 5 海底自由落体贯入式触探技术 FFCPT( Free Fall Cone Penetrometer Test)
海底土体的工程性质受到许多因素影响，常规钻孔取样很难获得海底土体原始状态指标。FFCPT 技术可较准确地获得海底浅层土体的原位特性参数和土体扰动后的参数，有效缩短勘察时间、降低勘察成本。FFCPT 探头、操作示意和测试指标的解译结果见图 9 ～ 图 11。
海底深层土体的原位测试也采用 CPT Stinger 技术( 图 12) ，直接利用 Jumbo Piston Core 设备取样，建立海底土体的 CPT 资料与强度关系。
1. 2. 6 多摩擦筒 CPT 技术
Frost 和 Martinez[21]提出的多摩擦筒轴向扭剪孔压贯 入 系 统 ( Multi-piezo-friction sleeve penetrometer) ( 图 13) 集成了表面纹路不同的摩擦筒和孔隙水压力传感器( 图 14) ，提供了原位抗剪强度随摩擦筒纹路高度变化的函数，可对不同竖向应力和水平向应力对侧壁摩阻力的影响进行研究，为划分土类和土层提供了新的视角[22]。
1. 2. 7 探测磁场强度 CPT 技术
越来越多的城市地下空间的开发建设需要对地下障碍物埋藏位置和区域进行合理判别，保证勘察的安全并服务于地下工程的设计。针对可能存在电磁场的地下设施，探测磁场强度的 CPT 技术采用霍尔传感器( Hall sensor) 进行探测，获得三维磁场的分布( 图 15) 。霍尔传感器对磁场敏感，结构简单，体积小，可在狭窄间隙中进行测量，频率响应宽，并可测量非均匀磁场。
1. 2. 8 旋转 CPT 技术
铁道第三勘察设计院集团有限公司开发成功将静力触探技术和钻探的优点有机结合的旋转触探系统( 图 16) [23-24]。该系统可记录旋转贯入过程中的双螺旋锥形探头贯入阻力、土在破坏过程中的抵抗力矩及排土水压力，克服了孔压静力触探仅适用于地下水埋藏较浅的饱水地区的不足，试验深度一般达 60 ～ 70m( 最大测深达 86m) ，较好地满足了工程的需要。 2011 年以来，铁三院继续进行体系完善研究工作，包括相关力学模型分析、测试参数与地层物理力学性质的关系和在分析钻孔灌注桩承载力、路基沉降中的应用以及相关技术标准的制定[25]。
1. 2. 9 荧光探头 LIF 技术( Laser-induced fluorescence)
最早是由 Hirshfield 等[26]和 Chudyk 等[27]进行研究，目前主要的 LIF 系统是由美国陆军事工程师航道站( WES) 发展的( 图 17) ，主要用于探测分析地下水的烃污染状况和石油、木馏油、五氯苯酚等能发出荧光的苯酚类污染物质。
1. 2. 10 薄膜界面探头 MIP 技术( Membrane Interface Probe)
由 Geoprobe 公司开发的薄膜界面 MIP 探头( 带加热功能) 可用于探测地表下挥发性有机化合物( VOC) 和有毒性的挥发性有机化合物( PVOC) 污染物的位置及浓度。为了加速污染物的扩散渗流，探头的标准温度为 121℃ ( 图 18、图 19) 。
1. 3 代表性的应用研究成果
近年来，国际上原位触探测试技术应用于许多领域，比较有代表性的新探索有地震灾害风险评估、工业污染场地环境评价与海洋工程勘察。以下原位触探测试技术在工程勘察中的应用研究与实践，具有比较突出的代表性，是很有市场价值和技术发展空间的应用研究方向。——论文作者：沈小克1 蔡正银2 蔡国军3
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