岩土工程测试技术发展现状

1　绪论

本章导读：

概述岩土工程测试技术的内容及其在岩土工程中的重要作用，简述岩土工程测试技术的发展现状，并提出有待进一步研究的几方面内容。

●基本要求　了解岩土工程测试的作用、内容和发展现状。

●重点　岩土工程测试的作用和内容。

●难点　岩土工程测试需要进一步研究内容。

1．1　概　述

岩土工程是土木工程的分支，是运用工程地质学、土力学、岩石力学解决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。其内容包括：岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程治理、岩土工程监测、岩土工程检测等。

岩土工程测试就是对岩土体的工程性质进行观测和度量，得到岩土体的各种物理力学指标的试验工作，理论分析、室内外测试和工程实践是岩土工程分析三个重要方面。它不仅在岩土工程建设实践中十分重要，而且在岩土工程理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用。岩土工程中的许多理论是建立在试验基础上的，如Terzaghi的有效应力原理是建立在压缩试验中孔隙水压力的测试基础上的，Darcy定律是建立在渗透试验基础上的，剑桥模型是建立在正常固结粘土和微超固结粘土压缩试验和等向三轴压缩试验基础上的。此外，测试技术也是保证岩土工程设计的合理性和保证施工质量的重要手段。

岩土工程测试技术包括室内试验技术、原位测试试验技术和现场监测技术3个方面。室内试验的土工试验和原位试验技术在本系列教材中的《土力学与基础工程》中讲述，岩石的室内试验和原位试验技术在本系列教材中的《岩石力学》中讲述，本教材主要讲述岩土工程的现场测试技术。

1．2　岩土工程测试的作用

随着生产的发展，岩土工程的发展也日新月异，如工程结构趋向高、深、大，岩土工程测试技术是从根本上保证岩土工程勘察、设计、治理、监理、施工的准确性、可靠性以及经济合理性的重要手段，其作用主要体现在以下几个方面：

①岩土工程测试是岩土工程理论分析的基础，推动岩土工程理论的形成和发展。

②岩土工程测试保证岩土工程设计合理可行。通过现场监测与测试，利用反演分析的方法，求出能使理论分析与实测基本一致的工程参数，保证工程设计的可靠性和经济性。

③岩土工程测试是岩土工程信息化施工的保障。通过现场测试随时调整施工进度、施工工序与设计参数等，保障岩土工程施工安全。

④岩土工程测试是保证大型岩土工程长期安全运行的重要手段。通过对岩土工程在运营期间结构变形、应力、温度、沉降等方面的长期监测，评价结构的稳定性，保证运营安全。

1．3　岩土工程测试的内容

岩土工程测试技术包括室内试验技术、原位测试技术和现场监测技术三个方面，在整个岩土工程中占有特殊而重要的地位。

1．3．1　室内试验

目前，室内试验主要包括土的物理力学指标室内试验、岩石物理力学指标室内试验、模型试验和数值仿真试验。其相关内容将由专门的课程进行讲授，本节只作简单介绍。

（1）室内土工试验

室内土工试验大致可分为观察判别试验、物理性质试验、化学性质试验和力学性质试验等。

（2）室内岩石试验

室内岩石试验包括岩石物理指标测试、岩石常规力学指标测试、岩石变形与破坏机理等方面的分析研究。

（3）模型试验

模型试验采用相似理论，用与岩土工程原型力学性质相似的材料按照相似原理制作室内模型，利用室内模型模拟现场实际工况，研究岩土工程的变形和破坏等方面的机理。这方面的理论和试验一般在研究生课程《相似材料与模型试验》中讲解。

（4）数值仿真试验

数值仿真试验利用计算机进行岩土工程问题的研究，可模拟大型岩土工程、模拟复杂边界条件，具有成本低、精度高等特点。岩土工程数值仿真试验常用的数值方法有：有限元法、离散元法、有限差分法、不连续变形法、颗粒流法、流形单元法、无单元法等，其计算模拟一般采用大型商用软件，这方面的知识一般在研究生课程中讲解。

1．3．2　岩土的原位测试技术

原位测试是在岩土工程施工现场，在基本保持被测试岩土体的结构、含水量以及应力状态不变的条件下测定其基本物理力学性能。原位测试结果可以直接反映岩土体的物理力学状态，更接近工程实践的实际情况。岩土原位测试又可以分为两种：一种是为获取设计参数的原位测试试验；另一种是为施工控制和反演分析提供参数的原位检测。原位测试技术，主要包括标准贯入试验、静力触探试验、静载荷试验、轻便触探试验、十字板剪切试验、现场直剪试验、地基土动力特性原位测试试验、场地土波速测试、基桩高应变测试、基桩低应变测试、变形观测、水土压力测试等内容。在上述内容中，地基中的位移场、应力场测试，地下结构表面的土压力测试，地基土的强度特性及变形特性测试等方面将会成为研究的重点。

土体原位测试试验主要在本系列教材的《土力学与基础工程》中讲解，岩体原位测试试验主要在本系列教材的《岩石力学》中讲解。

1．3．3　现场监测技术

现场监测技术是以实际工程作为对象，在施工期间及工后对整个岩土体和结构以及周围环境，按其设计的测点和测试频率进行应力、变形等内容的现场监测。现场监测技术涉及众多领域，主要有铁路、公路、水电、矿山、港口、地下空间开发与利用等。现场监测按监测时间可分为施工期监测和运营期（工后）监测；按监测的建筑物类型可分为大坝监测、地下洞室监测、基坑监测、边坡监测。本教材将介绍地下洞室监测、基坑监测和边坡监测。

1．4　岩土工程测试技术发展现状

1．4．1　发展现状

近年来，随着科技的发展以及设计、施工、监理等各部门对现场测试的重视，岩土工程测试技术得到了快速的发展，主要表现在以下几个方面：

（1）新仪器新方法的开发

岩土工程测试技术与现代科技结合，一些传统测试方法得以更新。如近年来高精度的全站仪和隧道断面仪广泛应用于隧道围岩收敛量测，相对于收敛计量测提高了监测效率并可进行三维位移监测；光纤光栅传感器应用于岩土工程的应力、应变和变形测试，提高了测试精度等。

（2）自动监测系统

实时自动监测、远程数据传输、可视化技术、地理信息系统（GIS）等目前已经在大型边坡安全监测、基坑施工、隧道施工、沉降监测等方面得到成功应用，推动了岩土测试技术的发展。

（3）工程地球物理探测

利用各种物探原理（弹性波、声波、电磁波、应力波等）开发的一系列性能很强的专用仪器，如波速仪、探地雷达、TSP地质预报系统、红外探水仪、管线探测仪、瞬变电磁仪等，这些专用仪器探测精度高、抗干扰能力强，将是岩土工程测试发展的一个重要方向。

（4）数据处理与反馈技术

数据处理中多种数据处理技术（人工神经网络技术、时间序列分析、灰色系统理论、因素分析法、支持向量机方法等）的应用以及岩土工程领域相应大型商用计算软件的开发，为岩土工程信息化施工和反分析研究提供了保障，推动了岩土工程施工监测信息管理、预测预报系统的发展。

（5）第三方监测和检测的推广和认可

目前许多岩土工程施工普遍引入具有资质的第三方监测和检测机构，其测试结果具有公证效力，有效地避免了施工过程中可能发生的事故。同时，测试结果和监测资料有助于确定引发工程事故的原因和责任。

1．4．2　需要进一步研究的内容

①在原位测试方面，地基中的位移场、应力场测试，地下结构表面的土压力测试，地基土的强度特性及变形特性测试等方面将会成为研究的重点。随着总体测试技术的进步，这些传统的难点将会取得突破性进展。

②虚拟测试技术将会在岩土工程测试技术中得到广泛的应用。如电子计算机技术，电子测量技术，光学测试技术，航测技术，电、磁场测试技术，声波测试技术，遥感测试技术等方面的新的进展都将推动岩土工程领域的测试技术发展，令测试结果的可靠性、可重复性得到很大的提高。

③监测仪器和精密传感器国产化。目前国产的岩土工程现场监测仪器和传感器的信息化程度较低、稳定性与国外同类产品尚有一定的差距，急需对先进的国外监测仪器制造技术进行分析研究，提高国产化率，降低监测仪器的成本。

④岩土工程施工自动监测、预测预报系统的开发应用，其目的是提高监测的实时性和可靠性，同时降低系统成本，便于推广应用。

⑤加强第三方监测的规范管理，制定相应的法律法规，从而全面提高岩土工程监测和检测水平。

1．5　本课程学习的目的

岩土工程测试是从事岩土工程工作人员必须掌握的基本知识，同时也是从事岩土工程理论研究所必须掌握的基本手段。岩土工程测试的内容较多，其中一些知识已在一些课程中进行了介绍，本书仅介绍现场监测和检测方面的内容。通过课程学习，熟悉掌握岩土工程测试原理和技术，提高测试技能和试验研究能力，增强试验设计和监测方案制订的实际动手能力，达到培养实用型人才的目的。

本章小结

本章介绍了岩土工程和岩土工程测试技术的内容，对岩土工程测试的作用、岩土工程测试技术发展现状和需要进一步研究的内容进行了总结。通过本章学习，学生可以了解本课程的教学内容和学习目的。

思考题

1．1 简述岩土工程测试的作用。

1．2 岩土工程测试的主要内容有哪些？

1．3 查阅相关资料，简述岩土工程测试未来的重点发展方向。