原位试验（in situ testing）是在野外岩土的原处并在自然条件下进行的，避免土样在取样、运输以及室内准备试验过程中被扰动，因而其试验成果较为可靠。试验范围或试样的体积较大，较能综合的反映岩土的实地工程地质性质。野外试验在设备、技术、人力、物力和时间等方面，一般要比室内试验大得多，但是由于有的野外试验是室内试验所不能代替的，有的则比室内试验准确得多，因此，它是工程地质勘察必不可少的定量评价方法。较常作的野外原位试验有触探、平板荷载试验、十字板剪切试验、岩土原位直接剪切试验、动力参数或剪切波速的测定、桩的静或动荷载试验等。有时还需进行地下水的抽水试验，见表6.2。

表6.2　岩土工程原位试验一览表

续表

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（1）触探

用静力或动力将金属探头贯入土层，根据对触探头的贯入阻力或锤击数，从而间接判断土层及其性质。触探（sounding）是一种勘探方法，又是一种原位测试技术。作为勘探方法，触探可用于划分土层，了解地层的均匀性；作为测试技术，则可估算土的某些特性指标或估算地基承载力。触探按贯入方法分，有静力触探和动力触探。

1）静力触探

借助静压力（static sounding）将触探头压入土层，利用电测技术测得贯入阻力来判定土的力学性质。与常规勘探手段比较，它能快速、连续地探测土层及其性质的变化。采用静力触探时，宜与钻探相配合，以期取得较好的结果。

按提供静压力的不同，又可分为机械式和油压式两类。机械式静力触探仪如图6.6所示，其核心部分是触探头，它是土层阻力的传感器。触探杆将探头匀速向土层贯入时，探头附近一定范围内的土体对探头产生贯入阻力。在贯入过程中，贯入阻力的变化反映了土的物理力学性质的变化。一般说，同一种土，贯入阻力大，土层的力学性质好。因此，测得探头贯入阻力，就能评价土的强度和其他工程性质。贯入阻力可通过贴在探头空心柱上的电阻应变片的拉伸变形转变成电讯号，从而在地面接收仪器上量得，如图6.7所示。

触探头按其构造不同又可分为单桥探头和双桥探头，前者只能量测总贯入阻力P（kN），而后者可分别测出探头锥尖总阻力Qc（kN）和侧壁总阻力Pf（kN），据此可计算出单桥探头的比贯入阻力ps和双桥探头的锥尖阻力qc、侧壁摩阻力fs以及同一深度处的摩阻比n：

式中　A——探头截面面积，m2。

图6.6　机械式静力触探仪

1—触探头；2—地锚；3—支座；4—导向器；5—支架；6—传动齿筒；7—传动齿轮；8—电缆；9—皮带轮；10—电动机；11—电阻应变仪

图6.7　触探头工作原理示意图

1—贯入力；2—空心柱；3—侧壁摩阻力；4—电阻片；5—顶柱；6—锥尖阻力；7—探头套

为了直观地反映勘探深度范围内的力学性质，触探成果可绘出ps-z，qc-z和n-z曲线。单桥探头的ps-z曲线如图6.8所示。

根据ps的大小可确定土的承载力、压缩模量ES和变形模量E0，如再加上ps-z曲线的特征，即可用来划分土层：黏性土的ps值一般较小，ps-z曲线较平缓，而沙土的ps值较大，且ps-z曲线高低起伏大，如图6.8所示。此外，双桥探头试验成果也可用来估算单桩承载力。

2）动力触探

动力触探是将一定质量的穿心锤，以一定的高度（落距）自由下落，将探头贯入土中，然后记录贯入一定深度所需的锤击数，并以此判断土的性质。表6.3为国内常用的动力触探类型及规格，可根据所测土层种类、软硬、松密等情况选用。下面重点介绍标准贯入试验和轻型动力触探试验。

①标准贯入试验　它是以钻机作为提升架，并配用标准贯入器、触探杆和穿心锤等设备，如图6.9所示。试验时，将质量为63.5 kg的穿心锤以760 mm落距自由下落，先将贯入器直接打入土中150 mm（此时不计锤击数），然后记录每打入土中300 mm的实测锤击数N′。在提出贯入器后，可取出其中的土样进行鉴别描述。

图6.8　静力触探ps-z曲线和钻孔柱状图

图6.9　标准贯入试验设备

1—穿心锤；2—锤垫；3—钻杆；4—贯入器头；5—出水孔；6—由两半圆形管并合而成的贯入器身；7—贯入器靴

图6.10　轻便动力触探设备

1—穿心锤；2—锤垫；3—触探杆；4—尖锥头

表6.3　国内动力触探类型及规格

进行试验时，随着钻杆入土长度的增加，杆侧土层的摩阻力以及其他形式的能量消耗也增大了，因而使得实测锤击数N′值偏大。因此，当杆长大于3 m时，锤击数N应按下式校正：

式中　a——触探杆长度校正系数，见表6.4。

由锤击数N，可估算黏性土的变形指标与软硬状态，沙土的内摩擦角与密实度，以及估算地震时沙土、粉土液化的可能性和地基承载力等，因而常被广泛采用。

表6.4　触探杆长度校正系数α

②轻便动力触探试验　它的设备较简单（图6.10）、操作方便，适用于黏性土和黏性素填土的勘探，其触探深度只限于4 m以内。试验时，先用轻便钻具开孔至被测试的土层，然后以手提升质量10 kg的穿心锤，使其以500 mm的落距自由下落，把尖锥头竖直打入土中。每贯入300 mm的锤击数以N10表示。根据N10可确定土的地基承载力，还可按不同位置的N10值的变化情况来判定土层的均匀程度。

（2）静力载荷试验

静力载荷试验包括平板载荷试验（PLT）和螺旋板载荷试验（SPLT）。平板载荷试验适用于浅部各类地层，螺旋板载荷试验适用于深部或地下水位以下的地层。静力载荷试验可用于确定地基土的承载力、变形模量、不排水抗剪强度、基床反力系数及固结系数等。下面主要以平板载荷试验为例介绍静力载荷试验的基本原理和方法。

平板载荷试验相当于基础受荷时的模型试验，比较直观，普遍认为成果比较可靠，故在地基处理效果检验中被广泛采用。但也有它的局限性，必须予以注意，例如：

①试验用的承压板的尺寸，比实际基础的尺寸要小得多，从刚性压板边缘开展的塑性区，容易互相连接而导致破坏，故用平板载荷试验求出的极限承载力一般比实际基础偏小。平板载荷试验一般在无超载的条件下进行，不同于有一定埋置深度的实际基础。

②平板载荷试验的加荷速率一般比实际基础快得多，这种差异引起的后果，对于固结排水缓慢的软黏土尤为突出。

③刚性承压板下土中的应力状态极为复杂，根据这种试验成果计算土的变形模量只能是近似的。

④平板载荷试验成果所反映的是承压板下1.5～2.0倍承压板直径深度范围内土的性状，要测试深层土的性状在技术上难度较大。

⑤人工处理地基往往是一种不均匀地基或某种复合地基，承压板尺寸较小时成果缺乏代表性，难以据此推算不均匀地基或复合地基的性状。因此，为了检验地基处理的效果，有时要作大型平板载荷试验，甚至原型基础载荷试验。

1）试验设备

旧式的载荷试验用木质或铁质载荷台，用重物加荷，由于劳动强度大，加荷时有振动等缺点，现已很少采用。目前常用的是液压载荷试验设备，包括反力系统、加荷与稳压系统、量测系统等部分。

①反力系统　对土质地基，反力系统有堆载式、撑臂式、平洞式、锚杆式等多种形式，其装置如图6.11所示。

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图6.11　反力装置示意图

对岩质地基反力系统有洞室式、锚杆式、深井式等多种形式，其装置如图6.12所示。

②加荷与稳压系统　加荷与稳压系统一般由承压板、加荷千斤顶、立柱、油泵、油管、稳压器等组成。

2）地基土静力载荷试验基本技术要求

试验时将试坑挖至基础的预计埋置深度，整平坑底，放置承压板，在承压板上施加荷重来进行试验。基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的3倍。注意保持试验土层的原状结构和天然温度。承压板有足够的刚性，保持试验过程中不变形，一般用加肋的圆形或方形焊接铜板。对于大型载荷试验，一般用现浇钢筋混凝土承压板。

图6.12　反力装置示意图

承压板的尺寸对试验成果有很大影响，为了便于应用试验成果，规定对于密实土质，承压板最小面积1 000 cm2，一般采用2 500～5 000 cm2。对于非均质土，强夯、振冲处理后的非均质地基和复合地基，承压板的尺寸应当加大，具体数值视工程要求和地基条件而定。加荷等级不应少于8级，最大加载量不少于荷载设计值的两倍。每级加载后按时间间隔10，10，10，15，15 min测读沉降量，以后每隔30 min测读一次沉降量。当连续2 h内沉降量小于0.1 mm/h时，则认为沉降已趋稳定，可加下一级荷载。当出现下列情况之一时，即可终止加载：

①承压板周围的土明显侧向挤出；

②沉降量s急剧增大，荷载-沉降曲线（p-s曲线）出现陡降段；

③在某一级荷载下，24 h内沉降速率不能达到稳定标准；

④相对沉降量S/b＞0.06（b为承压板的宽度或直径）时。

满足前3种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。

3）地基土静力载荷试验资料的整理

①确定地基承载力

根据静力载荷试验成果绘制出的p-s曲线（图6.13）按下述方法确定地基承载力，即

图6.13　地基载荷试验p-s曲线

Ⅰ—压实阶段；Ⅱ—塑性变形阶段；Ⅲ—破坏阶段

a.当p-s曲线上有明确的比例界限时，取该比例界限（即图6.13（a）中拐点a所对应的荷载值）pa作为地基承载力特征值fak，即取fak=pa；

b.当极限荷载pu（即图6.13（a）中拐点b所对应的荷载值）能够确定，且该值小于对应的比例界限荷载pa的1.5倍时，取极限荷载值的一半作为地基承载力特征值，即取fak=0.5 pu；

c.不能按上述两点确定（如图6.13（b））时，如承压板面积为0.25～0.50 m2，可取S/b=0.01～0.015所对应的荷载值作为地基承载力特征值，但其值不应大于最大加载量的一半。

静力载荷试验时，同一土层参加统计的试验点不应少于3点，各试验实测值的极差（即最大值与最小值之差）不得超过平均值的30%，取此平均值作为地基承载力特征值fak。

②确定地基土的变形模量

一般取p-s曲线的直线段，用公式（6.6）确定地基土的变形模量E0，即

式中　b——承压板的边长或直径，m；

μ——地基土的泊松比；

I0——刚性承压板形状对沉降影响系数，圆形取0.79，方形取0.88；

p——地基承载力特征值所对应的荷载；

s——与承载力特征值对应的沉降。

应用静力载荷试验资料确定地基土的承载力和变形模量时，必须注意两个问题：一是静力载荷试验的受荷面积比较小，加荷后受影响的深度不会超过2倍承压板边长或直径，而且加荷时间比较短，因此不能通过静力载荷试验提供建筑物的长期沉降资料；二是沿海软黏土地区地表往往有一层“硬壳层”，当用小尺寸的承压板时，常常受压范围还在地表硬壳层内，其下软弱土层还未受到较大荷载应力的影响（如图6.14（a））。对于实际建筑物的大尺寸基础，下部软弱土层对建筑物的沉降起着主要影响（如图6.14（b））。因此，静力载荷试验资料的应用是有条件的，要充分估计试验影响范围的局限性，注意分析试验成果与实际建筑物地基之间可能存在的差异。

图6.14　承压板与实际基础尺寸的差异对评价建筑物沉降的影响

（3）单桩竖向抗压静载荷试验

桩基设计的关键问题之一是确定单桩的承载力，确定单桩承载力的方法有载荷试验、静力法和动力法等。

JGJ 94—94《建筑桩基技术规范》规定对于安全等级为一级的建筑物，单桩的竖向承载力应通过现场静荷载试验确定。

1）单桩竖向抗压静载荷试验的基本要求

现场静载荷试验装置主要有荷载系统和观测系统两个部分，根据加荷方式的不同分为堆载法和锚桩法两种（图6.15）。

图6.15　单桩垂直静载荷试验装置

根据JGJ 94—94《建筑桩基技术规范》，试桩从成桩到开始试验的间歇时间：在桩身强度达到设计要求的前提下，对于沙类土，不应少于10 d；对于粉土和黏性土，不应少于15 d；对于淤泥或淤泥质土，不应少于25 d。试验加载方式采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试桩破坏，然后分级卸载到零。当考虑结合实际工程桩的荷载特征可采用多循环加、卸载法（每级荷载达到相对稳定后卸载到零）。当考虑缩短试验时间，对于工程桩的检验性试验，可采用快速维持荷载法，即一般每隔一小时加一级荷载。每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级可按2倍分级荷载加荷；每级加载后间隔5、10、15 min各测读一次，以后每隔15 min测读一次，累计1 h后每隔30 min测读一次。在每级加载作用下，桩的沉降量每一小时不超过0.1 min，并连续出现两次（由1.5 h内连续3次观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。当出现下列情况之一时，即可终止加载：

①某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；

②某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定；

③已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重力时。

2）单桩竖向抗压静载试验资料整理

①确定单桩竖向极限承载力

单桩竖向极限承载力可按下列方法综合分析确定：

a.根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力：对于陡降型Q-s曲线取Q-s曲线发生明显陡降的起始点。

b.根据沉降量确定极限承载力：对于缓变型Q-s曲线一般可取s=40～60 mm对应的荷载，对于大直径桩可取s=0.03～0.06D（D为桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值）所对应的荷载值；对于细长桩（1/d＞80）可取s=60～80 mm对应的荷载。

c.根据沉降随时间的变化特征确定极限承载力：取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。

②确定单桩竖向极限承载力标准值Quk

可详见JGJ 94—94《建筑桩基技术规范》附录C。

关于其他原位试验、现场观测、室内试验方法以及评估岩土的地基承载力、物理力学性质和状态特征指标等，可参阅有关行业规范、规程、标准及手册等。