摘 要: 土工参数是工程设计、施工的重要依据，准确可靠的土工参数有利于节约工期，降低造价、保证质量，并大幅提高经济和社会效益。由于岩土介质复杂的多相性、碎散性和自然性特征，岩土工程测试技术对科学认知岩土各项物理力学指标，深入理解其工程力学性质起着极其重要的作用。从三轴压缩试验、离心模型试验、共振柱试验及热物性参数试验等方面，对室内土工测试技术研究新进展进行了阐释，并从静载荷试验、触探试验、旁压试验和十字板剪切试验等方面，对岩土原位测试技术及其应用研究进行了分析。伴随着岩土工程测试技术自动化、智能化、精细化水平的提高，岩土项目建设的质量和效益必将得以全面提升。
关键词: 土工测试; 三轴压缩; 离心模型; 共振柱; 光纤监测
岩土是历经千百万年地质作用形成的，物理力学性状极其复杂的工程介质。岩土工程测试是科学认知岩土各项物理力学指标，准确进行工程设计、分析计算的重要方式，也是深入理解岩土工程力学性质，助推学科蓬勃发展的重要动力[1 - 2]。伴随着“一带一路”战略的纵深推入，高土石坝、超高层建筑、深海采油平台等工程项目不断出新，超大粒径堆石料、高寒冰冻土、天然气水合物土等复杂土工介质相继涌现，对岩土工程测试技术提出了新的、更高的要求。
与工程建设的大规模开展相对应，近年来岩土工程测试技术取得了巨大发展进步。新型电子、光纤设备不断被研发，声波、电磁、物探方法不断涌现，岩土工程测试技术的自动化、智能化和精细化水平得到了大幅提升[3]。本文对岩土工程测试技术研究新进展进行阐释述评，以期为工程建设提供有益参考和借鉴。
1 实验室测试技术
在土工实验室内开展、完成的试验，主要有土的基本物理性质试验、液塑限联合测定试验、击实试验、直剪试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验、空心圆柱扭剪试验、离心模型试验、共振柱试验及热物性参数测试试验等。
1. 1 三轴试验
三轴压缩试验可以严格控制排水条件，测量软黏土试样的孔隙水压力和体积变形，还可以进行不同应力路径、不同应力状态的组合试验[4 - 5]。常规三轴试验中试样处于轴对称应力状态( σ1 ﹥ σ2 ﹦ σ3 ) ，无法考虑中主应力的影响，与实际受力状况存在一定差异。真三轴试验能实现三向独立加载( σ1 ﹥ σ2 ﹥ σ3 ) ，真实反映土体在三向受力状态下的应力应变特性( 见图 1) ，且可以考虑复杂应力条件下土体的初始各向异性及诱发各向异性。
真三轴仪按荷载施加方式主要分 3 种: 刚性加载型、柔性加载型和混合型加载型。清华大学研发了岩土大型静动真三轴试验机( THU - SDTTA) ，该试验机采用异形乳胶膜和椭圆形试样帽封样，具有密封性好、量测精度高、操作便捷等优势，适宜于混合加载方式下的各项参数测试[6]; 重庆大学自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统，能保证真三轴条件下气液的自由渗流控制与精准监测，可以实现复杂状态下岩体的应力 - 应变 - 渗流耦合性能测试[7]; 中科院武汉岩土力学研究所研制的 RTX - 3000 非饱和土真三轴试验系统，位移量测精度达 0. 01 mm，可进行拉压、松弛、蠕变、循环等多种应力路径的力学特性试验[8]。
动三轴试验( DTT) 可用以测试土的动剪切模量和阻尼比，在分析交通、波浪或地震荷载下土的动力学特性方面用途极广。美国 Geocomp、英国 GDS 动三轴测试仪位移精度 0. 7‰ ～ 1. 0‰，轴向力精度 1‰，在揭示粗粒砂的动应力 - 应变、孔隙水压力消散规律特性，及液化机理分析方面功能强大。与常规动三轴相比，变围压动三轴能同时提供循环变化的偏应力与循环变化的围压，可以模拟动荷载下循环剪应力与循环正应力的耦合作用，广泛应用在考虑纵波影响的地震荷载、考虑水平应力循环变化的交通荷载设计计算中。
1. 2 离心模型试验
土工离心试验借助离心机产生离心力，通过将小尺寸土工模型置于 ng( g 为重力加速度) 的重力加速度场内，实现对复杂岩土工程问题的模拟分析。离心机高速旋转产生离心力，能使离心模型产生与实际结构相同的应力场，通过对离心模型的受力、变形分析，可以推测实际结构的力学性态、变形破坏机制。离心模拟测试技术具有“缩尺”与“缩时”效应，目前已广泛应用在土石坝、边坡、挡土墙、深基坑等工程领域，成为人们进行土工建筑物结构设计、探索岩土基本原理的重要技术手段[9]。
同济大学较早开展了土工离心机的研发，其研制的 TLJ -150 复合型试验机最大荷载能力 150g·t，最大离心加速度 200g，为地铁隧道等项目建设的顺利实施提供了科技支撑[10]; 大连理工大学土工鼓式离心机 GT450 环形槽直径 1. 4 m，在数据处理精度、电机自动化程度及作动器加载模式方面已达到国际先进水平[11]; 中国水利水电科学研究院建成的 LXJ_ 4_450 土工离心机振动台，可实现水平和垂直双向耦合振动，能模拟不同能级的地震波动效应[12]; 浙江大学的 CHIEF( Centrifugal Hypergravity & Interdisciplinary Experiment Facility，CHIEF) 离心模拟设备，可以开展高坝与边坡、深海深地工程、岩土地震工程等重大项目的研究，建成后将成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台[13]。
在海工结构、冻土路基及环境岩土力学等非传统领域，土工离心模型试验技术也具有其独特、重要的科研价值。蔡正银等[14]研发了一种土工离心造波装置，该装置可在 120g 离心加速度条件下模拟 60 m 水深产生的波浪，正常运作时能精确控制波浪的频率、波长和幅值; 陈湘生等[15]采用半导体制冷技术开发了一套寒区超重力试验系统，该系统可模拟 ± 30℃极端条件下，高铁冻土路基冻胀 - 融沉耦合作用的循环过程; 詹良通等[16]以垃圾填埋场中的生化反应 - 溶质迁移 - 骨架变形模型为研究对象，通过离心试验分析了污染离子在不同土层中的长期迁移规律等。
1. 3 共振柱试验
共振柱试验( RCT) 是利用激振力使试样产生振动，测出土样共振频率以确定弹性波的传播速度，进而计算土动剪切模量和阻尼比的测试方法。共振柱试验以一维波动理论为基础，是小应变( 1 × 10 - 6 ～ 1 × 10 - 4 ) 条件下测定土体动力特性参数理想的技术手段。其基本原理是在圆柱或圆筒形试样上，以不同频率施加纵向激振或扭转激振，使土样产生纵向振动或扭转振动，根据共振频率及土样的几何尺寸，计算土体的动剪切模量 Gd ( 见式( 1) ) 、动弹性模量 Ed ( 见式( 2) ) ，根据衰减曲线计算土体的阻尼比 λ( 见式( 3) ) 。共振柱试验操作方便，测试结果离散性小，是现行地震安全性评价规范推荐的指定测试方法。
陈国兴等[17]发现共振柱试验测出的动剪切模量和阻尼比，在精度上与动三轴测试结果略有差异，重大工程项目应联合利用这两种测试方法，取长补短优势互补，进行场地安全性评价和抗震设计; 贺为民等[18]指出均等固结条件下土的动力学研究较为丰硕，而非均等固结条件下土的动剪切模量、阻尼比等相关研究较少，亟需开展均等与非均等固结下土的动力特性参数转换关系研究; 杨文保等[19]研究表明，相同应变水平下原状粉土动剪切模量随土层深度增加而增加，动剪切模量比 G /Gmax随剪应变 γ 增加则迅速衰减; 李剑等[20]通过对红黏土的共振柱测试发现，弹性变形范围内( 剪应变小于 1 × 10 - 4 ) ，重塑红黏土的动剪切模量衰减较一般原状土慢，当应变超过 1 × 10 - 4 后，红黏土动剪切模量的衰减速度较其它土体快。
1. 4 水 - 热 - 力多场耦合测试试验
热量交换、温度变化对岩土物理力学性质具有很大影响，随着地热资源开发利用、核废料填埋处置及高寒冻土路基等项目建设的进展，水 - 热 - 力耦合作用下岩土力学特性研究越来越受到科研人员的关注。中科院苏天明等[21]通过 TC Probe 热导仪测试发现，水体的热导率比岩土介质的热导率小，随含水率增加岩土体的热导率呈非线性下降趋势( 见式 ( 4) ) ，岩土的孔隙结构、尺寸及其分布规律对热导率也有一定影响;
2 原位测试技术
原位测试技术是指在工程建设、施工现场，通过轻微扰动或基本不扰动的方式对原位土层进行测试，以确定岩土物理力学参数、性质的方法。原位测试可避免室内试验取样、运输过程中，土体原状结构的破坏及水分损失，准确探明地基各土层的厚度、分布状态及力学特性，测试结果具有很高的可靠性和代表性。 2. 1 静载荷试验静载荷试验通过液压千斤顶、刚性承压板逐级施加荷载，根据荷载 - 沉降( p - s) 曲线确定地基承载力和变形模量( 见图 2) 。浅层平板载荷试验适宜于浅层地基( ﹤ 5 m) 的检测分析( 见式( 6) ) ，深层平板载荷试验、螺旋板载荷试验适宜于深层地基 ( ﹥ 5 m) 、大直径桩和地下水位下土的检测分析( 见式( 7) ) 。
2. 2 触探试验
圆锥静力触探( CPT) 是通过准静力将标准规格的金属探头垂直均匀压入土中，以测定土层阻力和地基承载力的原位测试技术。孔压静力触探( CPTU) 则在 CPT 的探头上安装透水滤器及量测元件，能同时测得探头锥尖阻力、侧壁摩阻力及地下水压力等参数信息。随着环境岩土工程等研究领域的兴起和探测技术的发展，CPTU 涌现出许多新型传感测试方式，促使 CPTU 朝着多功能和数字化方向迈进。
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刘松玉等[26]在 CPTU 的探头上增加电阻率测试通道，研发了可用于测试土体电阻率的 RCPTU 系统，已广泛应用于污染场地评价、液化分析及地基处理效果检测( 见图 3) ; 沈小克等[27]通过安置波速检测设备研发了地震波孔压静力触探( SCPTU) 系统，该系统可根据剪切波传播时间测算土层的剪切波速，适宜于无黏性土相对密实度和液化势的判别; 蔡国军等[28]通过数码摄录技术实现了 CPT 的可视化，能现场观测到探孔中的薄夹层、透镜体及裂隙等复杂结构; 陈仁朋等[29]研发的荧光探头 LIF 技术，可用于探测地下水的烃污染状况和石油、木馏油等有害成分的含量。
轻型动力触探( DPT) 是利用锤击能量将一定规格的探头打人土中，以确定地基土密实度、压缩性和承载力的原位测试技术。现场经验表明 DPT 锤击能量传递率可达 80% 以上，性能稳定效率高，考虑钻杆直径、锤重与落距等因素的影响，可根据需要对 DPT 测试数据进行适当修正。
2. 3 旁压试验
旁压试验( PMT) 是通过圆柱形探头在钻孔中对孔壁施压，使土体产生径向变形的原位测试方法。根据测得的膨胀压力与土体变形，可以绘制应力 -体变、径向压力 - 位移关系曲线，进而计算土层的旁压模量、地基承载力及沉降变形等参数( 见图 4) 。旁压试验最大测试深度可达 20 m ～ 30 m，与深层平板载荷试验相比，旁压试验操作简单，且能得到较大范围内土的应力应变关系曲线。旁压试验可避开地下水的不利影响，测试结果准确可靠。
李广信[30]指出试验钻孔是旁压测试分析的关键环节，为获得高质量的钻孔旁压钻头直径 Db、探头直径 Ds 和钻孔直径 Dw 需满足 Ds ﹤ Db ﹤ 1. 07Ds， 1. 03Ds ﹤ Dw ﹤ 1. 18Ds; 孔令伟等[31]发现分级加载速率、加载稳定间隔对测试结果也有较大影响，现场实测表明分级加载速率宜控制在 3 kPa /s ～ 5 kPa / s，加载稳定时间间隔宜控制在 2 min ～ 5 min 之间; 杨光华等[32]将旁压模量转化为初始切线模量，进行黏性土地基的稳定性评价和沉降计算( 见式( 8) 、式 ( 9) ) 。
3 结 语
岩土介质是复杂的自然产物，岩土工程测试技术是深刻揭示岩土工程力学性质的正确方式，也是论证土力学理论、优化岩土项目设计的有效手段。岩土工程测试技术与岩土学科发展、项目建设休戚与共，始终紧密相连。随着信息技术、电子技术、传感技术的发展，岩土工程测试技术日新月异，取得了长足进步。本文系统分析了三轴压缩试验、离心模型试验、共振柱试验及热物性参数测试试验的研究进展，并全面阐释了载荷试验、触探试验、旁压试验和十字板剪切试验的工程应用，期望能为岩土项目建设的高质量发展作出贡献。——论文作者：秦鹏飞，齐 悦，杨 光，梁一星
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