（一）取样

取样是指在地质灾害防治工程勘察中，从地质研究对象中采取一小部分供室内化验或试验用样品的过程。

取样的地点：取样在地质灾害勘察中是必不可少的、经常性的工作。除了在地面工程地质测绘调查和坑探工程中采取试样外，主要是在钻孔中采取。

取样的种类：为定量评价岩土工程问题而提供室内试验的样品，包括岩样、土样和水样。

取样的基本要求：反映样品的自然特征；保证样品的代表性（采正常样品）；取样的质量、数量、长度要符合规定；样品的包装、缩制、送验等均按规程进行操作。

关于试样的代表性，从取样角度来说，需考虑取样的位置、数量和技术问题。岩土体一般为非均质体，其性状指标是一定空间范围的随机变量。因此，取样的位置在一定的单元体内应力求在不同方向上均匀分布，以反映趋势性的变化。样本的大小关系到总体特性指标（包括均值、方差及置信区间）估计的精确度和可靠度。考虑到取样的成本，需要从技术和经济两个方面权衡，合理地确定取样的数量。根据地质灾害防治勘察设计要求，不同试样的用途不一样。例如，有的试样主要用于岩土分类定名；有的主要用于研究其物理性质；而有的除上述用途外，还要研究其力学性质。为了保证所取试样符合试验要求，必须采用合适的取样技术。

钻孔中采取土样的技术问题，包括土样的质量等级、取样器具及取样方法等问题。

1.土样的质量等级

土样的质量实质上是土样的扰动问题。土样扰动表现在原位应力状态、含水率、结构和组成成分等方面的变化，它们产生于取样之前、取样之中、取样之后直至试样制备的全过程之中。

土样扰动对试验成果的影响是多方面的，使之不能确切表征实际的岩土体。从理论上讲，除了应力状态的变化以及由此引起的卸荷回弹是不可避免的以外，其余的都可以通过适当的取样器具和操作方法来克服或减轻。实际中，完全不扰动的真正原状土样是无法取得的。有的学者从实用观点出发，提出对“不扰动土样”或“原状土样”的基本质量要求是：

①没有结构扰动。

②没有含水率和孔隙比的变化。

③没有物理成分和化学成分的改变。

由于不同试验项目对土样扰动程度有不同的控制要求，因此，许多国家的规范或手册中都根据不同的试验要求来划分土样质量级别。

我国《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2017）对土样质量级别作了四级划分，并明确规定各级土样能进行的试验项目（表3.10）。其中，Ⅰ，Ⅱ级土样相当于原状土样，但Ⅰ级土样比Ⅱ级土样有更高的要求。表3.10中对四级土样扰动程度的区分只是定性的和相对的，没有严格的定量标准。

表3.10　土样质量等级划分表

2.钻孔取土器及其适用条件

目前，有多种评价土样扰动程度的方法，但在实际工程中不可能对所取土样的扰动程度作详细研究和定量评价，只能对采取某一级别土样所必须使用的器具和操作方法作规定。此外，还要通过土层特点、操作水平和地区经验来判断所取土样是否达到了预期的质量等级。

取样过程中，对土样扰动程度影响最大的因素是取样方法和取样工具。从取样方法来看，主要有两种：一是从探井、探槽中直接刻取样品；二是用钻孔取土器从钻孔中采取。目前，各种岩土样品的采取主要采用第二种方法，即用钻孔取土器采样。

取土器是影响土样质量的重要因素，对取土器的基本要求是：尽可能使土样不受或少受扰动；能顺利切入土层中，并取上土样；结构简单且使用方便。

（1）取土器的基本技术参数

取土器的取土质量，首先取决于取样管的几何尺寸和形状。目前，国内外钻孔取土器有贯入式和回转式两大类。以国内主要使用的贯入式取土器来说，有6种基本技术参数（表3.11、表3.12、图3.11）。

表3.11　贯入式取土器技术参数

表3.12　回转型取土器技术参数

1）取样管直径（D）

目前，土试样的直径多为50 mm或80 mm。考虑到边缘的扰动，相应地取样管内径（Ds）为75 mm或100 mm。对于饱和软黏土、湿陷性黄土等某些特殊土类，取样管直径应更大些（150～250 mm）。

2）面积比（Ca）

对于无管靴的薄壁取土器，Dw=Dt。Ca值越大，土样被扰动的可能性越大。一般采取高质量土样的薄壁取土器，其Ca<10%，采取低级别土样的厚壁取土器，其Ca值可达30%。

3）内间隙比（Ci）

Ci的作用是减小取样管内壁与土样间因摩擦而引起对土样的扰动，Ci的最佳值随着土样直径的增大而减小。国内生产的各种取土器的Ci值为0～1.5%。

图3.11　取样管规格

Dt—取样管外径；De—取土器刃口内径；DS—取样管内径，加衬管时为衬管内径；Dw—取土器管靴外径

4）外间隙比（Co）

Co的作用是减小取样管外壁与土层的摩擦，以使取土器能顺利入土。国内生产的各种取土器Co值为0～2%。

5）取样管长度（L）

取样管长度要满足各项试验的要求。考虑到取样时土样上、下端受扰动以及制样时试样破损等因素，取样管长度应比实际所需试样长度长些。

关于取样管的直径与长度，有两种不同的设计思路：一种主张短而粗；另一种主张长而细。两者优缺点互补。中国过去沿用苏联短而粗的标准，但目前国际比较通用的是长而细的标准，它能满足更多试验项目的要求。

6）刃口角度（α）

α也是影响土样质量的重要因素。该值越小，土样的质量越好。如果α过小，刃口易于受损，其加工处理技术和对材料的要求也更高，势必会提高成本。国内生产的取土器α值一般为5°～10°。

（2）取土器的基本类型

1）贯入式取土器

贯入式取土器取样时，采用击入或压入的方法将取土器贯入土中。这类取土器又可分为敞口取土器和活塞取土器两类。敞口取土器按取样管壁厚分厚壁、薄壁和束节式3种，如图3.12所示；活塞取土器分为固定活塞薄壁取土器、水压固定活塞取土器、自由活塞取土器等，如图3.13所示。

图3.12　敞口取土器的种类

图3.13　活塞取土器的种类

敞口取土器是最简单的取土器，其优点是结构简单，取样操作方便；缺点是不易控制土样质量，土样易于脱落。在取样管内加装内衬管的取土器称为复壁敞口取土器[图3.12（a）]，其外管多采用半合管，易于卸出衬管和土样。其下接厚壁管靴，能应用于软硬变化范围很大的多种土类。由于壁厚，面积比Ca可达30%～40%，对土样扰动大，只能取得Ⅱ级以下的土样。薄壁取土器[图3.12（b）]可只用一薄壁无缝管作取样管，面积比Ca可降低至10%以下，可作为采取Ⅰ级土样的取土器。薄壁取土器只能用于软土或较疏松的土取样。土质过硬，取土器易于受损。薄壁取土器内不可能设衬管，一般是将取样管与土样一同封装送到实验室。因此，需要大量的备用取土器，这样既不经济，又不便于携带。《岩土工程勘察规范》允许以束节式取土器代替薄壁取土器。这种束节式取土器[图3.12（c）]综合了厚壁和薄壁取土器的优点，其特点是将厚壁取土器下端口段改为薄壁管（此段薄壁管的长度一般不应短于刃口直径的3倍），以减少厚壁管面积比Ca的不利影响，取出的土样可达到或接近Ⅰ级。

如果在敞口取土器的刃口部装一活塞，在下放取土器的过程中，使活塞与取样管的相对位置保持不变，即可排开孔底浮土，使取土器顺利达到预计取样位置。此后，将活塞固定不动，贯入取样管，土样则相对地进入取样管，但土样顶端始终处于活塞之下，不可能产生凸起变形。回提取土器时，处于土样顶端的活塞即可隔绝上下水压、气压，也可以在土样与活塞之间保持一定的负压，防止土样失落而又不至于像上提活阀那样出现过分的抽吸。活塞取土器有以下3种：

①固定活塞取土器。在敞口薄壁取土器内增加一个活塞以及一套与之相连接的活塞杆，活塞杆可通过取土器的头部并经由钻杆的中空延伸至地面[图3.13（a）]。下放取土器时，活塞处于取样管刃口端部，活塞杆与钻杆同步下放，到达取样位置后，固定活塞杆与活塞，通过钻杆压入取样管进行取样。固定活塞薄壁取土器是目前国际公认的高质量的取土器，但因需要两套杆件，操作比较复杂。

②水压固定活塞取土器。其特点是去掉了活塞杆，将活塞连接在钻杆底端，取样管则与另一套在活塞缸内的可动活塞联结，取样时通过钻杆施加水压，驱动活塞缸内的可动活塞，将取样管压入土中，其取样效果与固定活塞式相同，操作较为简单，但结构仍较复杂[图3.13（b）]。

③自由活塞取土器。自由活塞取土器与固定活塞取土器的不同之处在于活塞杆不延伸至地面，而只穿过上接头，用弹簧锥卡予以控制，取样时依靠土试样将活塞顶起，操作较为简便。但土试样上顶活塞时易受扰动，取样质量不及上两种取土器[图3.13（c）]。

2）回转式取土器

贯入式取土器一般只适用于软土及部分可塑状土，对于坚硬、密实的土类则不适用，对于这些土类，必须改用回转式取土器。回转取土器主要有两种类型：

①单动二重（三重）管取土器。单动二重（三重）管取土器（代表型号有丹尼森取土器和它的改进型皮切尔取土器[（图3.14（a）、图3.14（b）]。类似于岩芯钻探中的双层岩芯管，如在内管内再加衬管，则成为三重管，其内管一般与外管齐平或稍超前于外管。取样时外管旋转，而内管保持不动，故称单动。内管容纳土样并保护土样不受循环液的冲蚀。回转取土器取样时采用循环液冷却钻头并携带岩士碎屑。

②双动二重（三重）管取土器。双动二重（三重）管取土器是指取样时内管、外管同时旋转，适用于硬黏土、密实的砂砾石土以及软岩。内管回转虽然会产生较大的扰动影响，但对于坚硬密实的土层，这种扰动影响不大[图3.14（c）]。

单动型取土器适用于软塑—坚硬状态的黏性土和粉土、粉细砂土，土样质量Ⅰ～Ⅱ级；双动型取土器适用于硬塑—坚硬状态的黏性土、中砂、粗砂、砾砂、碎石土及软岩，土样质量也为Ⅰ～Ⅱ级。

图3.14　回转式取土器的种类

3.钻孔中采取原状土样的方法

（1）击入法

击入法是指用人力或机械力操纵落锤，将取土器击入土中的取土方法。

击入法按锤击次数分为轻锤多击法和重锤少击法：①轻锤多击法是用人力或机械操纵落锤，锤击次数多，其速度及下击力往往不均匀，钻杆的摆动也大，故对土试样的扰动较大，一般不采用。②重锤少击法是用重锤以少击快速将取土器击入土中。根据取样试验比较，重锤少击法比轻锤多击法取土质量好，以重锤一次击入更好。

击入法按锤击位置分为上击法和下击法：①在钻孔以上（孔口外）用落锤打击钻杆而击入取土器的称为上击法。采用上击法取样时，在落锤和钻杆自重作用下，钻杆易产生纵向弯曲。由于钻杆弯曲能使钻杆振动而吸收部分冲击能量，使钻杆与孔壁产生摩擦而增大阻力，引起锤击数增加，因此，上击法取样不如下击法取样优越。②下击法是通过钻杆或钢丝绳将重锤或加重杆在钻孔内部直接锤击取土器取样。采用下击法能使冲击能量集中在取土器上，避免了钻杆引起的能量消耗，有利于提高取样质量。经过取样试验比较，就取样质量而言，下击法优于上击法。

（2）压入法

压入法可分为慢速压入法和快速压入法两种。

①慢速压入法是用杠杆、千斤顶、钻机手把等加压，取土器进入土层的过程是不连续的，在取样过程中对土试样有一定程度的扰动，但扰动程度较轻锤多击法小。

②快速压入法是将取土器快速、均匀地压入土中，采用这种方法对土试样的扰动程度最小。快速压入法又分为以下两种：

a.活塞油压筒法：采用比取土器稍长的活塞压筒通以高压，强迫取土器以等速压入土中。

b.钢绳、滑车组法：借机械力量通过钢绳、滑车装置将取土器压入土中。

（3）回转法

回转法使用回转式取土器取样，取样时内管压入取样，外管回转削切的废土一般用机械钻机靠冲洗液带出孔口。这种方法可以减小取样时对土试样的扰动，从而提高取样质量。

4.钻孔中采取原状土样的操作要求

土样质量的优劣，不仅取决于取土器具，还取决于取样全过程的各项操作是否恰当。

（1）钻进要求

①使用合适的钻具与钻进方法。一般应采用较平稳的回转式钻进。若采用冲击、振动、水冲等方式钻进时，应在预计取样位置1 m以上改用回转钻进。在地下水位以上一般应采用干钻方式。

②在软土、砂土中宜用泥浆护壁。若使用套管护壁，应注意旋入套管时管靴对土层的扰动，且套管底部应限制在预计取样深度以上大于3倍孔径的距离。

③应注意保持钻孔内的水头等于或稍高于地下水位，以避免产生孔底管涌，在饱和粉、细砂土中尤应注意。

（2）取样要求

①到达预计取样位置后，要仔细清除孔底浮土。孔底允许残留浮土厚度不能大于取土器废土段长度。清除浮土时，应注意避免扰动待取土样的土层。

②下放取土器必须平稳，避免侧刮孔壁。取土器入孔底时应轻放，以避免撞击孔底而扰动土层。

③贯入取土器力求快速连续，最好采用静压方式。如采用锤击法，应做到重锤少击，且应有导向装置，以避免锤击时摇晃。饱和粉、细砂土和软黏土，必须采用静压法取样。

④当土样贯满取土器后，在提升取土器前应旋转2～3圈，也可静置约10 min，以使土样根部与母体顺利分离，减少逃土的可能性。提升时要平稳，切忌陡然升降或碰撞孔壁，以免失落土样。

（3）土样的封装和储存

①Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级土样应妥善密封。密封方法有蜡封和黏胶带缠绕等。应避免暴晒和冰冻。

②尽可能缩短取样至试验之间的储存时间，一般不宜超过3周。

③土样在运输途中要避免振动。对易于振动液化和水分离析的土样应就近进行试验。

（二）测试

1.测试的一般规定

①对危岩体及其母岩、基座应采样作物性、抗压强度及变形试验。对受抗拉强度控制的危岩应采样作抗拉强度试验；对受抗剪强度控制的危岩应采样作室内抗剪强度试验，有条件时应进行现场抗剪强度试验。

②滑体土、滑带土测试指标应包括天然重度、饱和重度、含水量、压缩系数、液限、塑限、给水度、天然及饱和状态的黏聚力和内摩擦角。对于滑体土宜采用原状土三轴压缩试验。直接剪切试验结果应包括峰值强度指标和残余强度指标。滑体土、滑带土的剪切试验应以原状土的天然快剪、饱和快剪为主。当无法采得不扰动土样时，也可作重塑土的剪切试验。对滑床岩土体应作常规土工试验或岩石物性、强度及变形试验。

③对泥石流除采样作常规土工试验和岩石物性、强度及变形试验外，还应在堆积区进行固体物质含量、颗粒分析、泥石流体稠度及底摩擦带抗剪强度的现场试验。

④对塌岸除采样作常规土工试验和岩石物性、强度及变形试验外，对土质岸坡或岩土混合岸坡还应做颗粒分析。正常蓄水位以下部位岩土样品应作饱和试验。

⑤滑坡、泥石流、塌岸勘察应根据需要进行岩土体的现场渗透试验。

⑥在钻孔中采集岩样时，样品直径（岩芯直径）不应小于85 mm，高度不应小于150 mm，所采样品应及时进行蜡封。

⑦土样应尽量避免扰动。在槽井中采集原状土样时，其规格不应小于200 mm×200 mm×200 mm；对中型剪试样其规格不应小于300 mm×300 mm×300 mm，并标明可能滑动方向。在钻孔中采集原状土样时，应使用薄壁取土器，采用静力连续压入法，样品直径（岩芯直径）不应小于89 mm，高度不应小于150 mm，所采样品应及时进行蜡封。

⑧当无法判定勘察区地表水和地下水的腐蚀性时，应采集水样进行腐蚀性评价，水样数量不应少于两件。采样规格应为简分析样500～1 000 mL，材料腐蚀分析样250～500 mL。

⑨样品的保存和送检应符合《水利水电工程钻探规程》（DL 5013—2005）的有关规定。

⑩当滑带土以黏性土为主时，宜作各种亲水矿物的含量分析。分析方法应采用比表面积测定、X衍射分析、差热分析或电子显微镜分析等方法，不应采用普通的岩矿鉴定方法。

2.岩土现场试验

①岩土的现场剪切试验应符合《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2017）、《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）、《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2007）的规定。

②大体积试验宜采用容积法，试坑体积应根据土的成分、粒径确定，可通过注水或充填标准砂测量，试坑尺寸不宜小于500 mm×500 m×500 mm。

③对滑体、滑带土、固结泥石流残体的底摩擦带、岩土体结构面和岩体与混凝土交结面应进行大面积现场直剪试验。现场直剪试验可分为抗剪断强度试验和抗剪试验（摩擦试验）。

④一个滑坡（或地质条件相同且相邻的几个滑坡）或固结泥石流大面积直剪试验点宜为6个，不应少于3个。当难以取得原状土样时，大面积直剪试验不应少于6个。每个试验点试件数量对土样宜为5件，不应少于3件；对岩样宜为7件，不应少于5件。

⑤大面积直剪试验的试件尺寸，对岩体（含结构面）不应小于600 mm（长）×500 mm（宽）×350 mm（高）。对土体不应小于500 mm（长）×500 mm（宽）×500 mm（高）。试验前，应对试件的饱水状态及物质组成等特征进行描述；试验结束后，应对剪切面特征进行描述，量测其剪切角和实际剪切面积，并修正剪切结果。

3.岩土室内试验

岩土的室内试验应符合《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）、《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2007）的规定。

①对于不存在滑动面的潜在滑动带的土体宜进行室内三轴压缩试验。三轴压缩试验的试验方法可按下列要求确定：

a.当不需要提供有效应力强度指标时，对饱和黏性土，若加荷速度较快，宜采用不固结不排水（UU）试验。对饱和软土还应先对试件在有效自重压力下预固结再进行试验。需验算水位迅速下降的土坡稳定性时，可采用固结不排水（CU）试验。

b.当需要提供有效应力强度指标时，应采用固结不排水测孔隙水压力（CU）试验。

②当不具备试验条件而又需要提供有效应力强度指标时，可采用慢剪试验。

土的直剪试验应包括土的抗剪断强度试验和抗剪试验，宜根据现场含水情况和排水条件选择天然快剪、饱和快剪、天然固结快剪、饱和固结快剪等方法。对不含碎石颗粒而砾石含量较高的土体及结构面，宜进行中型剪切试验，剪切方向应与可能滑动方向相同。

4.水文地质原位测试

①水文地质参数及测定方法及其适用条件应符合《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2017）的规定。

②致灾地质体存在地下水时，应进行抽水试验。当致灾地质体内地下水量较小时，可采用简易抽水试验（提筒抽水）；当致灾地质体内地下水量较大时，应进行一次最大降深抽水试验，其稳定时间应为4～8 h；当致灾地质体底界上下有多个含水层时，应进行分层抽水试验。

③当致灾地质体不能进行抽水试验时，应采用注水试验或压水试验（在滑移型岸坡段不应作压水试验）。当在垂向上岩（土）体透水性差异较大时，应进行分层注水试验。注水试验数量，应视岩（土）体透水性差异而定，不宜少于6处，不应少于3处。

④滑坡水文地质原位测试应在滑坡范围内进行；泥石流水文地质原位测试应在泥石流形成区、堆积区进行；塌岸的水文地质原位测试应在水位变动带进行。

（三）原位测试

实验室一般使用小尺寸试样，不能完全确切地反映天然状态下的岩土性质，特别是对难于采取原状结构样品的岩土体。因此，有必要在现场进行试验，测定岩土体在原位状态下的力学性质及其他指标，以弥补实验室测试的不足。野外试验也称为现场试验、就地试验、原位测试。许多试验方法是随着对岩土体的深入研究而发展起来的。

1.土体原位测试

土体原位测试是指在岩土工程勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层的一种土工勘测技术。它是一项自成体系的试验学科，在各种工程勘察中占有重要位置。这是因为它与钻探、取样、室内试验的传统方法比较起来，具有下列明显优点：①可在拟建工程场地进行测试，无须取样，避免了因钻探取样所带来的一系列困难和问题，如原状样扰动问题等；②原位测试所涉及的土尺寸较室内试验样品要大得多，更能反映土的宏观结构如裂隙等对土的性质的影响。

2.土体原位测试的方法

土体原位测试方法可以归纳为下述两类：

①土层剖面测试法。它主要包括静力触探、动力触探、扁铲侧胀仪试验及波速法等。土层剖面测试法具有可连续进行、快速经济的优点。

②专门测试法。它主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。土的专门测试法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用，其精度超过室内试验的成果。

3.在野外试验中，土体、岩体、水文等原位测试的分类

（1）岩土力学性质的野外测定

①土体力学性质试验。载荷试验，旁压试验，静、动触探试验，十字板剪切试验。

②岩体力学性质试验。岩体变形静力法试验、声波测试（动力法）试验、岩体抗剪试验、点荷载强度试验、回弹锤测试、便携式弱面剪试验。

（2）岩体应力测定

测定岩体天然应力状态下及工程开挖过程中应力的变化。

（3）水文地质试验

钻孔压水试验（裂隙岩体）、抽水试验（中、强富水性含水层）、注水试验（干、松散透水层）、岩溶裂隙连通试验等。

（4）改善土、石性能的试验

为地基改良和加固处理提供依据，如灌浆试验、桩基试验等，原位测试方法的使用范围见表3.13。

表3.13　原位测试方法的使用范围

注：A—适用；B—很适用。

4.常用的原位测试方法

（1）载荷试验（Loading Test）

平板静力载荷试验（Plate Load Test，PLT），简称载荷试验，在保持地基土天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性，是模拟建筑物基础工作条件的一种测试方法。

载荷试验是在天然地基上模拟建筑物的基础荷载条件，通过承压板向地基施加竖向荷载，借以确定在承压板下应力主要影响范围内的承载力和变形特征。载荷试验的主要设备有3个部分：加荷与传压装置、变形观测系统和承压板。试验时，将试坑挖到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。

载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验。平板载荷试验又可分为浅层平板载荷试验和深层平板载荷试验。浅层平板载荷试验适用于浅层地基土；深层平板载荷试验适用于埋深等于或大于3 m和地下水位以上的地基土；螺旋板载荷试验（图3.15）适用于深部或地下水位以下的地层。

图3.15　单桩竖向抗压静载荷试验和螺旋板载荷试验仪

载荷试验成果的应用：

①确定地基土承载力。

②计算变形模量。

（2）静力触探试验（Cone Penetration Test，CPT）

静力触探是指借助机械把一定规格的圆锥形探头匀速压入土中，通过测定探头的端阻qc和侧壁摩阻力fs来确定土体的物理力学参数，划分土层的一种土体勘测技术。

静力触探首先在荷兰研制成功，因此，静力触探也称为“荷兰锥”试验。按测量机理分为机械式静力触探和电测式静力触探；按探头功能分为单桥静力触探、双桥静力触探和孔压静力触探（图3.16）。其设备均由触探主机和反力装置、测量与记录显示装置、探头（图3.17）和探杆组成。其中，触探主机可分为液压式和机械式，反力装置可分为自重式和锚式。

图3.16　静力触探仪

图3.17　静力触探探头

静力触探具有测试连续、快速、效率高、功能多的特点，兼勘探与测试双重作用。适用于黏性土、粉土、砂土，对碎石类土难以贯入，其成果的应用如下：

①划分土层。

②估算土的物理力学指标。

③确定浅基础的承载力。

④预估单桩承载力。

⑤判定饱和砂土和粉土的液化势。

（3）动力触探试验（Dynamic Sounding）

1）圆锥动力触探试验（Dynamic Penetration Test，DPT）

圆锥动力触探测试是指利用一定的锤击动能，将一定规格的探头打入土中，根据打入土的难易程度（可用贯入度、锤击数或探头单位面积动贯入阻力来表示）判定土层性质的一种原位测试的方法。它的优点有：设备简单，坚固耐用；操作及测试方法容易，一学就会；适用性广；快速，经济，能连续测试土层；有些动力触探，可同时取样，观察描述；经验丰富，使用广泛（图3.18）。

图3.18　动力触探试验

根据穿心锤的重量和探头的类型，圆锥动力触探可以分为轻型（穿心锤重10 kg）、中型（28 kg）、重型（63.5 kg）和超重型（120 kg）。

2）标准贯入试验（Standard Penetration Test，SPT）

标准贯入试验设备主要由贯入器、贯入探杆和穿心锤3个部分组成，它是将63.5 kg的穿心锤自76 cm高处自由下落，撞击锤座，通过探杆将标准贯入器贯入孔底土层中15 cm，再打入30 cm深度，以后30 cm的锤击数称为标贯击数，用N63.5来表示，一般写作N（图3.19）。

图3.19　轻型动力触探仪与标准贯入试验设备的比较

圆锥动力触探试验成果的应用有：评价碎石土密度、确定地基土承载力、确定变形模量、确定单桩承载力。标准贯入试验成果的应用有：划分土的类别或土层剖面；判断砂土的密实度及地震液化问题；判断黏性土的稠度状态及C，φ值；评定土的变形模量E0和压缩模量ES；确定地基承载力。

（4）十字板剪切试验（Vane Shear Test，VST）

十字板剪切试验是指用插入软黏土中的十字板头，以一定的速率旋转，测出土的抵抗力矩，再换算成土的抗剪强度的一种测试方法（图3.20）。VST主要用于测定饱水软黏土的不排水抗剪强度。它具有以下优点：

①不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的黏性土，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪。所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。

②野外测试设备轻便，操作容易。

③测试速度较快，效率高，成果整理简单。

其缺点是仅适用于江、河、湖、海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对硬塑黏性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十字板头。

十字板剪切试验成果的应用有计算地基承载力、估算单桩极限承载力、分析斜坡稳定性、检验地基加固改良的效果。(www.daowen.com)

图3.20　十字板剪切仪

（5）旁压试验（Pressure Meter Test，PMT）

旁压试验是利用钻孔做的原位横向载荷试验，是工程勘察中的一种常用原位测试技术（图3.21）。它通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜（或护套）将压力传给周围土体（或软岩），使土体产生变形直至破坏。通过量测装置测得施加的压力与岩土体径向变形的关系，从而估算地基土的强度、变形等岩土工程参数。优点：可在不同深度上进行测试，所求基本承载力精度高。缺点：受成孔质量影响大，在软土中测试精度不高。

旁压试验适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩等。旁压试验按将旁压器设置土中的方式可分为预钻式旁压试验、自钻式旁压试验和压入式旁压试验（图3.22）。

预钻式旁压试验是在土中预先钻一竖向钻孔，再将旁压器下入孔内试验标高处进行旁压试验；自钻式旁压试验是在旁压器下端组装旋转切削钻头和环形刃具，用静压方式将其压入土中，同时，用钻头将进入刃具的土破碎，并用泥浆将碎土冲带到地面，钻到预定试验位置后，由旁压器进行旁压试验。

旁压试验成果的应用：

①划分土类。

②估算土的强度参数。

③估算土的变形参数。

④评定地基土的承载力。

图3.21　旁压仪构造示意图

图3.22　预钻式旁压仪和自钻式旁压试验EF-5050

⑤估算土的侧向基床反力系数Km。

⑥扁铲侧胀试验（The Flate Dilato Meter Test，DMT）

扁铲侧胀试验（简称扁胀试验）是用静力（有时也用锤击动力）把一扁铲形探头贯入土中，达到试验深度后，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验，测量膜片刚好与板面齐平时的压力和移动1.10 mm时的压力；然后减小压力，测的膜片刚好恢复到与板面齐平时的压力；这3个压力，经过刚度校正和零点校正后，分别以p0，p1，p2表示。根据试验成果可获得土体的力学参数，它可以作为一种特殊的旁压试验（图3.23）。

它的优点在于简单、快速、重复性好和便宜，在国外近年发展很快。

扁铲侧胀试验适于在软弱、松散土中进行，随着土的坚硬程度或密实度的增加，适应性渐差。当使用加强型膜片时，也可应用于密实的砂土。其适用范围是一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用于含碎石的土、风化岩等。

扁铲侧胀试验成果的应用：

①划分土类。

②计算静止侧压力系数。

③确定黏性土的应力历史。

④确定土的变形参数。

（7）波速测试（Wave Velocity Test，WVT）

现场波速测试的基本原理是利用弹性波在介质中的传播速度与介质的动弹模量、动剪切模量、动泊松比及密度等的理论关系，从测定的传播速度入手求取土的动弹性参数。

图3.23　扁铲侧胀试验仪

在地基土振动问题中弹性波有体波和面波。体波分纵波（P波）和横波（S波）；面波分瑞利波（R波）和勒夫波（Q波）。由于在岩土工程勘察中主要利用的是直达波的横波速度，因此，测定波速前，先要钻探成孔。波速测试适于测定各类岩土体的压缩波、剪切波和瑞利波的波速。

波速测试成果的应用：

①计算确定地基土小应变的动弹性参数剪切模量、弹性模量、泊松比、动刚度。

②判别砂土或粉土地震液化。

（8）岩体原位测试

1）概述

岩体原位测试是指在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法。它是地质灾害防治工程勘察的重要手段之一。

岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确。其缺点是试验设备笨重、操作复杂，试验工期长、费用高。另外，原位测试的试件与工程岩体相比，其尺寸小得多，所测参数也只能代表一定范围内的岩体力学性质。因此，要取得整个工程岩体的力学参数，必须有一定数量试件的试验数据用统计方法求得。

岩体原位测试一般应遵循以下程序：

①试验方案制订和试验大纲编写。这是岩体原位试验工作中最重要的一环。其基本原则是尽量使试验条件符合工程岩体的实际情况，应在充分了解岩体工程地质特征及工程设计要求的基础上，根据国家有关规范、规程和标准要求制订试验方案和编写试验大纲。试验大纲应对岩体力学试验项目、组数，试验点布置，试件数量、尺寸、制备要求及试验内容、要求、步骤和资料整理方法作具体规定，以作为整个试验工作中贯彻执行的技术规程。

②试验。包括试验准备，试验及原始资料检查、校核等工作。这是原位岩体力学试验最繁重和重要的工作。整个试验应遵循试验大纲中规定的内容、要求和步骤逐项实施并取得最基本的原始数据和资料。

③试验资料整理与综合分析。试验所取得的各种原始数据，需经数理统计、回归分析等方法进行处理，并且综合各方面数据（如经验数据、室内试验数据、经验估算数据及反算数据等）提出岩体力学计算参数的建议值，提交试验报告。

2）岩体变形试验

岩体变形参数测试方法有静力法和动力法两种。静力法的基本原理是：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加一定的荷载，并测定其变形，再绘制出压力-变形曲线，计算岩体的变形参数。根据其方法不同，静力法又可分为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压法等。动力法的原理是用人工方法对岩体发射或激发弹性波，并测定弹性波在岩体中的传播速度，再通过一定的关系式求岩体的变形参数。根据弹性波的激发方式不同，动力法又分为声波法和地震法。

①承压板法

承压板法又分为刚性承压板法和柔性承压板法，我国多采用刚性承压板法。承压板法的优点是简便、直观，能较好地模拟建筑物基础的受力状态和变形特征。除常规的承压板法外，还有一种承压板下中心孔变形测试的方法，即在承压板下试体中心打一测量孔，采用多点位移计测定岩体不同深度处的变形值。此外，国际岩石力学学会测试委员会还推荐了一种现场孔底承压板法变形试验方法。

②狭缝法

狭缝法又称刻槽法（图3.24），一般在巷道或试验平硐底板或侧壁岩面上进行。狭缝法的优点是设备轻便、安装较简单，对岩体扰动小，能适应于各种方向加压，且适合于各类坚硬完整岩体，是目前工程上经常采用的方法之一。它的缺点是假定条件与实际岩体有一定的出入，将导致计算结果误差较大。

图3.24　狭缝法试验安装示意图

1—液压枕；2—槽壁；3—油管；4—测表支架；5—百分表（绝对测量）；6—磁性表架；7—测量标点；8—砂浆；9—标准压力表；10—百分表（相对测量）；11—油泵

③钻孔变形法

钻孔变形法是利用钻孔膨胀计或压力计，对孔壁施加径向水压力，测记各级压力下的钻孔径向变形U。按弹性力学中厚壁筒理论，钻孔径向变形U为：

式中　d——钻孔直径，cm；

p——压力，MPa；

M——岩体的泊松比；

E0——岩体的变形模量；

其余符号意义同前。

利用式（3.1）可求得岩体的变形模量。与承压板法相比较，钻孔变形法的优点是：a.对岩体扰动小；b.可以在地下水位以下和较深的部位进行；c.试验方向基本不受限制，且试验压力可以达到很大；d.在一次试验中可以同时量测几个不同方向的变形，便于研究岩体的各向异性。钻孔变形法的主要缺点是试验涉及的岩体体积较小。该方法较适合于软岩或半坚硬岩体。

3）岩体强度试验

岩体的强度参数是工程岩体破坏机理分析及稳定性计算不可缺少的参数，目前主要依据现场岩体力学试验求得。特别是在一些大型工程的详勘阶段，大型岩体力学试验占有很重要的地位，是主要的勘察手段。

原位岩体强度试验主要有直剪试验、单轴抗压试验和三轴抗压试验等。由于原位岩体试验考虑了岩体结构及其结构面的影响，因此，其试验较室内岩块试验结果更符合实际。

①直剪试验

A.基本原理与方法

岩体原位直剪试验是岩体力学试验中常用的方法，它又可分为岩体本身、岩体沿结构面及岩体与混凝土接触面剪切3种。每种试验又可细分为抗剪断试验、摩擦试验及抗切试验（图3.25）。

图3.25　岩体本身抗剪强度试验安装示意图

1—砂浆顶板；2—钢板；3—传力柱；4—压力表；5—液压千斤顶；6—滚轴排；7—混凝土后座；8—斜垫板；9—钢筋混凝土保护罩

抗剪断试验是指试件在一定的法向应力作用下沿某一剪切面剪切破坏的试验，所求得的强度为试体沿该剪切面的抗剪断强度。

摩擦试验是指试件剪断后沿剪切面继续剪切的试验，所求得的强度为试件沿该剪切面的残余剪切强度。

抗切试验是指法向应力为零时试件沿某一剪切面破坏的试验。

直剪试验一般在平硐中进行，如在试坑或大口径钻孔内进行，需设置反力装置，如图3.26所示为常见的直剪试验布置方案，当剪切面水平或近水平时，采用（a）、（b）、（c）、（d）方案，其中（a）、（b）、（c）为平推法，（d）为斜推法。当剪切面为陡倾时采用（e）、（f）方案。

图3.26　岩体本身抗剪强度试验布置方案图

B.试件制备与地质描述

a.试件制备。在选定的试验部位，切割出方柱形试件，要求如下：

•同一组试件的地质条件应基本相同且尽可能不受开挖的扰动；每组试件宜不少于5块；每块试件面积不小于2 500 cm2，最小边长不小于50 cm，高度为最小边长的1/2，试件之间的距离应大于最小边长的1.5倍。

•试件各面需凿平整；对裂隙岩体、软弱岩体或结构面试件应设置钢筋混凝土保护罩，罩底预留0.5～2cm的剪切缝。

•对斜推法试件，在施加剪应力的一面应用混凝土浇成斜面，也可在试件受剪力面放置一块夹角约15°的楔形钢垫板。

b.地质描述

内容与要求如下：

•试验及开挖、试件制备的方法及其情况。

•岩石类型、结构构造及主要矿物成分。

•岩体结构面类型、产状、宽度、延伸性、密度及充填物性质等。

•试验段岩体风化程度及地下水情况。

•应提交的图件为试验地段工程地质图及试体展示图、照片等。

②单轴抗压试验。岩石的单轴抗压强度试验是测定规则形状岩石试件单轴抗压强度的方法，主要用于岩石的强度分级和岩性描述。

A.基本原理

岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在单向受压至破坏时，单位面积上所承受的最大压应力，一般简称抗压强度，其计算公式为

式中　σc——岩石的单轴抗压强度，MPa；

P——破坏荷载，N；

A——垂直于加荷方向试件断面面积，mm2。

B.试件制备

单轴抗压强度试验适用于能制成规则试件的各类岩石，试件可用岩芯或岩块加工制成。试件一般为直径5 cm（48～54 mm）、高10 cm（试件高度与直径之比一般为2.0～2.5）的圆柱体，同一含水状态下，每组试件制备不少于3块。

C.试验方法

按试件制备中的要求，量测试件断面的边长，求取其断面面积（A）。将试件置于试验机承压板中心（图3.27），调整球形座，使之均匀受载，然后以0.5～1.0 MPa/s的加载速度加荷，直至试件破坏，记下破坏荷载（P）。通过式（3.2）计算出单轴抗压强度，计算值取3位有效数字。

图3.27　单轴压缩设备示意图

③三轴抗压试验

A.基本原理

原位岩体三轴试验一般是在平硐中进行的，即在平硐中加工试件，并施加三向压力，再根据莫尔理论求岩体的抗压强度及E0，μ等参数。试验又分为等围压三轴试验（σ1>σ2=σ3）和真三轴试验（σ1>σ2>σ3）两种，可根据实际情况选用。为了确定围压、轴向压力的大小和加荷方式，试验前应了解岩体的天然应力状态及工程荷载情况。

B.试件制备与地质描述

a.试件制备

在选定的试验部位，切割出立方体或方柱形试件，一面与岩体相连，试件的最小边长应不小于30 cm，每组5块。同一组试件的地质条件应基本相同且尽可能不受开挖扰动。

b.地质描述

同直剪试验。

4）岩体应力测试

岩体应力是工程岩体稳定性分析及工程设计的重要参数。目前，岩体应力主要靠实测求得，特别是构造活动较强烈及地形起伏复杂的地区，自重应力理论将无力解决岩体应力问题。由于岩体应力不能直接测得，只能通过量测应力变化而引起的诸如位移、应变等物理量的变化值，再基于某种假设反算出应力值。目前，国内外使用的所有应力量测方法，均是在平硐壁面或地表露头面上打钻孔或刻槽，引起岩体中应力扰动，再用各种探头量测由于应力扰动而产生的各种物理量变化值来实现的方法。常用的应力量测方法主要有：应力解除法、应力恢复法和水压致裂法等。这些方法的理论基础是弹性力学。岩体应力测试均视岩体为均质、连续、各向同性的线弹性介质。

①应力解除法

A.基本原理

应力解除法的基本原理是：岩体在应力作用下产生变形（或应变）。当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩分离，使该点岩体上所受应力解除。这时由应力产生的变形（或应变）即相应恢复。通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，即可由确定的应力与应变关系求得相应应力值。

应力解除法根据测量方法不同可分为表面应力解除法、孔底应力解除法和孔壁应力解除法3种，3种方法根据测量元件不同又可细分为各种不同的方法。孔壁应力解除法（或称钻孔套心应力解除法）的基本原理是在钻孔中安装变形或应变测量元件，测量套心应力解除前后钻孔半径变化值（径向位移），以此来确定岩体应力值。

B.试点选择与地质描述

在平硐壁或地表露头面上选择代表性测点，用130 mm岩芯钻头打一钻孔至测量点，其深度应超过扰动影响区。在平硐内进行测试时，其深度应超过硐室直径的两倍。同时，使测点在一定范围内岩性均匀无突变，岩芯无大的裂隙。

地质描述内容包括：岩芯的岩石名称、结构及主要矿物成分；结构面类型、产状、宽度、充填物情况及测点的地应力现象；钻孔岩芯形状及RQD值等。同时，提交测点剖面图及钻孔柱状图等。

②应力恢复法

A.基本原理

应力恢复法一般在平硐壁面（也可在地表露头面）上进行。在岩面上切槽，岩体应力被解除，应变也随之恢复；在槽中再埋入液压枕，对岩体施加压力，使岩体的应变恢复至应力解除前的状态。此时，液压枕施加的压力即为应力解除前岩体受到的应力，这一应力值实际上是平硐开挖后壁面处的环向应力。通过量测应力恢复后的应力和应变值，利用弹性力学公式即可求解出测点岩体中的应力状态。

根据所采用应变计的类型不同，应力恢复法可分为钢弦应变计法、电阻片法和光弹应变计法。应力恢复法适用于坚硬、半坚硬完整岩体。

B.试点制备与地质描述

在平硐壁面上选择岩体完整部位加工制备试点。方法是先在试点大于两倍液压枕边长的范围内进行粗加工，要求岩面起伏差不超过±0～5 cm，然后在选定粘贴电阻应变花的部位进行细加工，其范围应不小于应变花直径的两倍，用手提式砂轮或磨平钻头磨平整。

试点的地质描述同承压板法。

（四）各类地质灾害防治工程勘察对试验的要求

1.危岩-崩塌灾害勘察对试验的要求

①试验工作一般应室内、野外相结合。由于现场试验耗资大且受诸多条件限制，不宜多投入。一般在详勘阶段，现场原位抗剪试验宜为1～3组，室内流变试验根据需要可进行1～2组，其他测试可根据需要确定。设计阶段可适当增加试验组。

②试验工作在勘察设计时应全面考虑，使之与勘察工作紧密结合，充分利用勘察手段进行取样和试验。如标贯、旁压试验、深部采样和水文地质试验可充分利用钻探；表层采样和原位试验可充分利用坑探工程。

③岩、土成分鉴定和基本物理性质和水理性质测试，宜以岩性层或工程地质组、段为基本单元，每单元各取样3～5组。取样应首先在勘探剖面上进行，取样组数可根据勘察阶段适当增减，以全面控制为原则。

④崩滑带往往是具有一定厚度的力学强度弱化带，应重点测试崩滑带中主要弱面。以勘探线上为重点，辅以面上的工作，力求对崩滑带进行面上的控制。要求试验有一定数量控制。同一层位同一块段参加统计的力学指标样本数不宜小于5个或6个。要求试验选点要慎重，要具有同一性和代表性。

⑤对于滑移式崩塌，应对其不同地段滑带的受力情况、滑床特征和赋存条件等进行分区测试，如对主滑段、阻滑段、顺层滑面、切层滑面、地下水地段、剪出口以外的滑坡舌地段及已有堆积体等，应分段各自进行一定数量的测试。

2.滑坡灾害勘察对试验的要求

（1）取样地点

均质土层（或岩层）内的滑坡，应在滑坡床上、下及滑坡变形带内取样试验；非均质土层（或岩层）内的滑坡，应逐层分别取样试验。

（2）岩样试验

①物理力学性质试验的常规项目有：颗粒密度、岩石密度、含水率（包括饱和吸水率和饱和系数）、干和湿状态下极限抗压强度、软化系数、抗剪强度、变形模量和泊松比等。

②软质岩石应测定化学成分和胀缩性指标，采取的滑动面（带）岩样，按不同含水率测定其凝聚力和内摩擦角。

③本工程有特殊要求的其他试验项目。

（3）土样试验

①物理力学性质试验的常规项目有：粒度成分、土粒密度、天然密度、天然含水率、饱和度、压缩系数、变形模量、抗剪强度和渗透系数等。

②黏性土应增测塑性指标（塑限、液限，计算塑性指数和液性指数）以确定稠度状态，测试无侧限抗压强度和灵敏度。

③砂性土应增测最大密度、最小密度、颗粒不均匀系数、相对密度等，并判别液化的可能性。

④黄土应增测湿陷系数、相对湿陷量和湿陷起始压力等。

⑤胀缩土应增测胀缩性指标及其判别性指标。

⑥冻土应增测起始冻胀含水率、相对含水率、冻胀力、冻结力、冻胀率、冻胀量等。采取的滑动面（带）土样，按不同含水率测定其凝聚力和内摩擦角。

⑦有特殊要求测试的其他项目。

（4）水文地质试验与水质分析

1）抽水或提水试验

测定滑坡体内含水层的涌水量和渗透系数（K）值。

2）分层止水试验

滑坡体内有多层地下水时，应进行分层止水试验、观测水位动态，以研究其相互关系。

3）地下水流向、流速测定及连通试验

测定滑坡勘察区含水层中地下水流向、流速等，了解各含水层间及地下水与地表水之间的水力联系。

4）水质分析

评价水的侵蚀性，并利用滑坡体内、外本质对比和体内水质分层对比，判断水的补给来源和含水层数。

3.泥石流灾害勘察对试验的要求

在泥石流灾害勘察过程中，应系统地采取岩石、土体、地下水等样品进行分析鉴定，以获得必要的参数。

（1）岩样试验

岩样试验测量比重、密度、吸水率、容重、抗压、抗剪、抗拉、弹性模量等参数。柱状样品底面直径、高均为50 mm，立方样品边长为50 mm×50 mm×50 mm；同一岩样在一种状态下一般应有3组以上样品，一组试样必须能制作标准件12个以上。

（2）土样试验

①泥石流堆积物的颗粒分级及容重是重要参数。根据泥石流堆积物常含有大颗粒的特点，其现场测试采样一般要求500 kg左右。

②在坝址土体中，每层稳定土层中试样个数一般不少于6个，扰动土样的数量可适当减少。

③原状土样的大小：钻孔取样尺寸为直径10 cm，高20 cm；在坑槽中采样，每个样品尺寸为15 mm×15 mm×15 cm。

④泥石流堆积物的颗粒分析。应将大于等于2 cm的颗粒在野外筛分，小于2 cm的颗粒送实验室进行颗粒分析。

（3）水试样的室内要求

泥石流灾害勘察中，对水样一般只要求作常规项目的分析。

一般简分析样品数量为500～1 000 mL；全分析样品数量为200～300 mL。

4.岩溶塌陷灾害勘察对试验的要求

（1）土体试验

野外测试技术常用的有原位测试，示踪试验，抽水、压（注）水及渗水试验等。对一般土体，常用的测试方法为静力触探、圆锥动力触探和标准贯入试验；对饱和软土可采用十字板剪切试验；对碎石土、软质或风化岩石可采用旁压试验或现场直剪试验。在塌陷地区，触探还可用于土硐的探查。

（2）岩石试验

测定岩石的物理、化学与力学性质指标，确定岩体的工程地质类型，评价岩体的工程地质性质，了解可溶岩的可溶性及其与岩溶发育的关系，并为防治工程方案设计提供所需的定量参数。

对于碳酸盐岩，应按不同的层位、岩性和结构特征分别采样，同时，进行矿物成分和结构的显微镜鉴定、化学成分分析和溶蚀试验，以便对比分析其与岩溶发育的关系。

（3）土工试验

测定土的物理、力学性质指标，并根据测试指标进行土的分类，结合原位测试成果，评价土的工程地质性质。

（4）水化学分析

测定环境水主要是岩溶地下水的水化学性质，以了解其水化学类型、矿化度及其时空动态特征，从而结合水动力场、水温场，研究各类水的形成条件及其相互关系，并评价水的溶蚀能力。

1）取样数量

一般常规分析：500 mL。

侵蚀性CO2试样250～300 mL，加2～3 g大理石粉。

2）分析项目

pH值，Cl-、SO2-4、HCO-3、Na+、K+、Ca2+、Mg2+离子浓度，游离CO2、侵蚀性CO2含量，硬度，矿化度。