岩土工程试验技术 -...
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I 目 录 第一章 概 述 ......................................................................................................................... 1 第二章 岩土的工程分类及工程特性指标 ............................................................................... 4 第一节 岩土的工程分类 ................................................................................................... 4 第二节 土的基本特征指标 ............................................................................................... 8 第三章 室内土工试验 ............................................................................................................. 13 第一节 土样要求与试样制备 ......................................................................................... 13 第二节 含水率试验 ......................................................................................................... 16 第三节 界限含水率试验 ................................................................................................. 17 第四节 密度试验 ............................................................................................................. 21 第五节 比重试验 ............................................................................................................. 24 第六节 颗粒分析试验 ..................................................................................................... 28 第七节 击实试验 ............................................................................................................. 32 第八节 固结试验 ............................................................................................................. 35 第九节 三轴压缩试验 ..................................................................................................... 37 第十节 无侧限抗压强度试验 ......................................................................................... 43 第十一节 直接剪切试验 ................................................................................................. 47 第十二节 黄土湿陷试验 ................................................................................................. 49 第十三节 渗透试验 ......................................................................................................... 52 第十四节 承载比试验 ..................................................................................................... 56 第十五节 回弹模量试验 ................................................................................................. 60 第十六节 水、土化学简分析及腐蚀性评价.................................................................. 63 第四章 室内岩石试验 ............................................................................................................. 66 第一节 岩相鉴定 ............................................................................................................. 66 第二节 岩石空隙性质试验 ............................................................................................. 69 第三节 岩石水理性质试验 ............................................................................................. 77 第四节 岩石力学性质试验 ............................................................................................. 83 第五章 原位测试 ..................................................................................................................... 90 第一节 载荷试验 ............................................................................................................. 90 第二节 静力触探试验 ..................................................................................................... 97 第三节 动力触探试验 ................................................................................................... 102 第四节 标准贯入试验 ................................................................................................... 107
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I
目 录 第一章 概 述 ......................................................................................................................... 1
第二章 岩土的工程分类及工程特性指标 ............................................................................... 4第一节 岩土的工程分类 ................................................................................................... 4
第二节 土的基本特征指标 ............................................................................................... 8
第三章 室内土工试验 ............................................................................................................. 13第一节 土样要求与试样制备 ......................................................................................... 13
第二节 含水率试验 ......................................................................................................... 16
第三节 界限含水率试验 ................................................................................................. 17
第四节 密度试验 ............................................................................................................. 21
第五节 比重试验 ............................................................................................................. 24
第六节 颗粒分析试验 ..................................................................................................... 28
第七节 击实试验 ............................................................................................................. 32
第八节 固结试验 ............................................................................................................. 35
第九节 三轴压缩试验 ..................................................................................................... 37
第十节 无侧限抗压强度试验 ......................................................................................... 43
第十一节 直接剪切试验 ................................................................................................. 47
第十二节 黄土湿陷试验 ................................................................................................. 49
第十三节 渗透试验 ......................................................................................................... 52
第十四节 承载比试验 ..................................................................................................... 56
第十五节 回弹模量试验 ................................................................................................. 60
第十六节 水、土化学简分析及腐蚀性评价 .................................................................. 63
第四章 室内岩石试验 ............................................................................................................. 66第一节 岩相鉴定 ............................................................................................................. 66
第二节 岩石空隙性质试验 ............................................................................................. 69
第三节 岩石水理性质试验 ............................................................................................. 77
第四节 岩石力学性质试验 ............................................................................................. 83
第五章 原位测试 ..................................................................................................................... 90第一节 载荷试验 ............................................................................................................. 90
第二节 静力触探试验 ..................................................................................................... 97
第三节 动力触探试验 ................................................................................................... 102
第四节 标准贯入试验 ................................................................................................... 107
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第五节 十字板剪切试验 ............................................................................................... 111
第六节 旁压试验 ........................................................................................................... 119
第七节 扁铲侧胀试验 ................................................................................................... 125
第八节 波速试验 ........................................................................................................... 128
第九节 岩体现场剪切试验 ........................................................................................... 136
第十节 岩体原位应力测试 ........................................................................................... 140
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岩土工程测试技术
第一章 概 述
在岩土工程勘察、地基基础工程设计、工程施工质量控制和工程交验检测
中，岩土工程测试是获得岩土工程定量评价和工程设计及施工计算所需参数的
主要手段。岩土测试包括室内试验、原位测试和原位监测等。各种试验测试方
法相互联系、相互印证，是提供土的物理力学性能指标，完善和优化设计，验
证和修正计算理论，评价工程安全，指导施工过程，积累认知经验所必需的。
室内试验是按一定规格由现场采取试样，在试验室内进行的试验。其特点
是：试验的应力、应变及排水边界条件等比较明确，试验条件比较容易建立和
控制，因而所测得的物理力学性能指标应用较为广泛。但是，天然地层十分复
杂，室内试验所采用的试样脱离了母体，与实际所处环境和应力状态有一定出
入，同时受取样技术的限制，使土样产生扰动，甚至有些岩土(如砂、卵石等粗
粒土、淤泥质土等)难以取得原状试样，因此所得成果代表性较差，不能完全反
映土层的真实情况。
原位测试是指在岩土所处的现场位置，在基本保持其天然结构、天然含水
量以及原位应力的状态下，对岩土体的工程性质进行测定的各种测试技术方法
的总称。原位测试的特点是：
1. 基本上是在天然条件下原位测定岩土体的各种工程性质，试验对象不脱
离母体、避免或减轻了对土样的扰动程度；
2. 试验尺寸一般较大，更符合岩土体的实际情况，有些测试方法能连续测
试并获取土层的完整剖面；
2
3. 可以测定难以采取不扰动试样的岩土体（如砂土、淤泥、碎石土等）的
有关工程性质；
4. 可避免采样过程中应力释放的影响；
5. 测试结果具有较好的可靠性及代表性，能够定量准确地测定岩土的工程
性质，更好地保证岩土工程勘察、设计、监测、治理、监理的可靠性、正确性。
原位测试的缺点在于：
1. 有的原位测试评定土的工程参数是建立在统计的经验基础上，有很强的
地区性和土类的局限性；
2. 有些大型试验耗费较多的人力物力，花费的时间也较长，大量进行这类
工作是比较困难的；
3. 有些测试技术还不能测得加荷、卸荷条件下参数的变化，排水条件也不
明确等。
综上所述，室内试验与原位测试都是获取岩土工程定量评价、工程设计与
施工计算所需参数的主要手段，二者的优缺点是互补的，它们是相辅相成的。
所以，目前国内外总的趋势是以原位测试技术摸清土层分布及各土层特性的变
化情况，在此基础上再钻取一定数量的质量优良、代表性好的土样进行室内试
验，为设计提供两套设计指标。由于两种测试方法的边界条件不完全相同，因
此即使测定同一土性指标，也不可能是相等的，只能是相当的，但其在土层内
的变化规律应该是一致的。
随着科技发展及实践经验的积累，岩土工程试验方法在不断地发展与更新，
常规的试验方法如表 1.1 所列：
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岩土工程常规方法 表 1.1
室内试验 原位试验
岩石试验 土工试验 岩土力学性质及 地基强度测试
水文地质试验
岩相鉴定 空隙性质试验 水理性质试验 强度和变形试验 结构面抗剪强度试
验 软弱夹层剪切蠕变
试验 点荷载强度试验等
含水率试验 密度试验 土粒比重试验 颗粒分析试验 界限含水率试验 击实试验 渗透试验 固结试验 三轴压缩试验 黄土湿陷性试验 无侧限抗压强度试
验 直接剪切试验 承载比试验 回弹模量试验 水、土腐蚀性试验
等
载荷试验 静力触探试验 动力触探试验 标准贯入试验 十字板剪切试验 旁压试验 扁铲侧胀试验 现场大型剪切试验 岩体原位应力应变试验 波速测试等
原位渗透试验 注水试验 抽水试验 压水试验
岩土工程试验方法类型很多，试验内容也错综复杂，各项试验的试验功
能又相互交错，互为补充，在选择测试方法时，应根据岩土条件、测试方法的
适用性、设计对参数的要求以及该地区对此方法的使用经验等情况加以确定。
室内试验与原位测试应当相互检验，相互印证，以便取得经济合理、可供应用
的参数，并以此建立统计经验公式，有效提高岩土工程测试质量，发展岩土工
程技术。
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第二章 岩土的工程分类及工程特性指标
第一节 岩土的工程分类
岩土工程测试的对象主要是岩石和土。岩石应为颗粒间联结牢固，呈整体
或具有节理裂隙的岩体。岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等过程后，所形成
的各种疏松沉积物称之为土。在建筑工程中，将土分为几大类：碎石土、砂土、
粉土、粘性土、人工填土和特殊性土等。碎石土和砂土统称为无粘性土或粗颗
粒土，粉土既不同于粘性土，又有别于砂土，介于二者之间。
一、岩石的分类
岩石的分类有地质分类和工程分类，地质分类主要根据其地质成因、矿物
成分、结构构造和风化程度，可以用地质名称加风化程度表达，如强风化花岗
岩、微风化砂岩等。工程分类主要根据岩体的工程性状，使工程师建立起明确
的工程特征概念。地质分类是一种基本分类，工程分类应在地质分类的基础上
进行，目的是为了较好地概括其工程性质，便于进行工程评价。在岩土工程勘
察时，应确定岩石的地质名称和风化程度，并进行岩石坚硬程度、岩体完整程
度和岩体基本质量等级的划分。
岩石的坚硬程度应根据岩块的饱和单轴抗压强度（frk）划分为坚硬岩、较
硬岩、较软岩、软岩和极软岩。岩体完整程度按完整性指数划分为完整、较完
整、较破碎、破碎和极破碎。岩石的风化程度可分为未风化、微风化、中风化、
强风化和全风化。岩石的定性定量划分见表 2.1-1～表 2.1-4。
岩石坚硬程度分类 表 2.1-1
坚硬程度 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩
饱和单轴抗压强度
（MPa） fr>60 60≥fr>30 30≥fr>15 15≥fr>5 fr≤5
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岩石坚硬程度等级的定性分类 表 2.1-2
坚硬程度等级 定性鉴定 代表性岩石
硬
质
岩
坚硬岩 锤击声清脆，有回弹，
震手，难击碎，基本无
吸水反应
未风化～微风化的花岗岩、闪长岩、辉绿岩、
玄武岩、安山岩、片麻岩、石英岩、石英砂
岩、硅质砾岩、硅质石灰岩等
较硬岩 锤击声较清脆，有轻微
回弹，稍震手，较难击
碎，有轻微吸水反应
1、微风化的坚硬岩； 2、未风化～微风化的大理岩、板岩、石灰
岩、白云岩、钙质砂岩等
软
质
岩
较软岩 锤击声不清脆，无回弹，
较易击碎，浸水后指甲
可刻出印痕
1、中等风化～强风化的坚硬岩或较硬岩； 2、未风化～微风化的凝灰岩、千枚岩、泥
灰岩、砂质泥岩等
软 岩 锤击声哑，无回弹，有
凹痕，易击碎，浸水后
手可掰开
1、强风化的坚硬岩或较硬岩； 2、中等风化～微风化的较软岩； 3、未风化～微风化的页岩、泥岩、泥质砂
岩等
极软岩 锤击声哑，无回弹，有
较深凹痕，手可捏碎，
浸水后可捏成团
1、全风化的各种岩石； 2、各种半成岩
岩体完整程度分类 表 2.1-3
完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
完整性指数 ＞0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15 注：完整性指数为岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方，选定岩体和岩块测定
波速时，应注意其代表性。
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岩石按风化程度分类 表 2.1-4
风化程度 野外特征 风化程度参数指标
波速比 Kv 风化系数 Kf
未风化 岩质新鲜，偶见风化痕迹 0.9～1.0 0.9～1.0
微风化 结构基本未变，仅节理面有渲染或略有
变色，有少量风化裂隙 0.8～0.9 0.8～0.9
中等风化
结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，
风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，
岩芯钻方可钻进
0.6～0.8 0.4～0.8
强风化
结构大部分破坏，矿物成分显著变化，
风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻
不易钻进
0.4～0.6 <0.4
全风化 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结
构强度，可用镐挖，干钻可钻进 0.2～0.4 -
残积土 组织结构全部破坏，已风化成土状，锹
镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性 <0.2 -
注： 1、波速比 Kv为风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比； 2、风化系数 Kf为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比；
3、岩石风化程度，除按表列野外特征和定量指标划分外，也可根据当地经验划分； 4、花岗岩类岩石，可采用标准贯入试验划分，N≥50 为强风化；50>N≥30 为全风
化；N＜30 为残积土； 5、泥岩和半成岩，可不进行风化程度划分。
一、土的分类
土的常用两种分类法是按颗粒粒径大小分类法和塑性指数分类法。国家标
准《土的工程分类》规定采用粗细粒土统一体系的分类法。此分类法的特点是
按土的基本工程属性，即粒径、级配、塑性及压缩性等，将土分成碎石土、砂
土、粘性土、粉土、特殊性土（包含软土、填土、湿陷性土、混合土、红粘土、
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盐渍土等）等几个大类。
1. 碎石土是粒径大于 2mm 的颗粒含量超过全重 50%的土。根据粒组含量
及颗粒形状按表 2.1-5 的规定划分为漂石（块石）、卵石（碎石）、圆砾（角砾）。
碎 石 土 分 类 表 2.1-5 土的名称 颗粒形状 颗粒级配
漂石 圆形及亚圆形为主 粒径大于 200mm 的颗粒质量超过总质量的 50%
块石 棱角形为主
卵石 圆形及亚圆形为主 粒径大于 20mm 的颗粒质量超过总质量的 50%
碎石 棱角形为主
圆砾 圆形及亚圆形为主 粒径大于 2mm 的颗粒质量超过总质量的 50%
角砾 棱角形为主
2. 砂土是粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重 50%、粒径大于 0.075mm
的颗粒含量超过全重 50%的土。根据粒组含量按表 2.1-6 的规定划分为砾砂、
粗砂、中砂、细砂和粉砂。
砂 土 分 类 表 2.1-5
土的名称 颗粒级配
砾砂 粒径大于 2mm 的颗粒质量占总质量的 25%～50%
粗砂 粒径大于 0.5mm 的颗粒质量超过总质量的 50%
中砂 粒径大于 0.25mm 的颗粒质量超过总质量的 50%
细砂 粒径大于 0.075mm 的颗粒质量超过总质量的 85%
粉砂 粒径大于 0.075mm 的颗粒质量超过总质量的 50%
3. 粘性土是塑性指数 Ip＞10 的土。其中，塑性指数 Ip＞17 为粘土，塑性
指数 10＜Ip≤17 为粉质粘土。
4. 粉土为介于砂土和粘性土之间，塑性指数 Ip≤10，且粒径大于 0.075mm
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的颗粒含量不超过全重 50%的土。
5. 特殊性岩土
（1）软土是天然孔隙比大于或等于 1.0，且天然含水量大于液限的细粒土。
包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。
淤泥是天然含水量大于液限（ω＞ωL），天然孔隙比 e≥1.5 的粘性土。
淤泥质土是天然含水量大于液限（ω＞ωL），天然孔隙比 10≤e＜1.5 的粘
性土或粉土。
（2）填土是指由人类活动而堆积的土，根据其组成和成因，可分为素填土、
压实填土、杂填土、冲填土。
素填土是由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的不含杂物的填土。
压实填土是经过压实或夯实的素填土。
杂填土是含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。
冲填土是由水力冲填泥砂而形成的填土。
（3）混合土是由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间粒径的土。
当碎石土中粒径小于 0.075mm 的细粒土质量超过总质量的 25%时，定名为
粗粒混合土；当粉土或粘性土中粒径大于 2mm 的粗粒土质量超过总质量的 25%
时，定名为细粒混合土
（4）盐渍土是指岩土中易溶盐含量大于 0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀
等工程特性的土。
（5）膨胀土是土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水
膨胀和失水收缩的特性，其自由膨胀率大于或等于 40%的粘性土。
（6）湿陷性黄土是在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著
附加下沉的黄土。
第二节 土的基本特征指标
一、土的三相组成
土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。固体部分，一般由
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矿物质所组成，有时含有有机质(半腐烂和全腐烂的植物和动物残骸等)。这一
部分，构成土的骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，这些孔隙有时完全被水
充满，称为饱和土；有时一部分被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和
土；有时也可能完全充满气体，就称为干土。水和溶于水的物质构成土的液体
部分。空气及其它一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以
及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质。
土中水除了一部分以结晶水的形式存在于固体颗粒的内部外，可以分为结
合水和自由水两大类。
受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周，不传递静水压力，不能任
意流动的水称为结合水。结合水因离颗粒表面远近不同，受电场作用力的大小
不一样，可以分为强结合水和弱结合水两类。
强结合水紧靠于颗粒表面，所受电场的作用力很大，几乎被完全固定排列
而不能移动，但其在温度略高于 100。C 时可以蒸发。弱结合水指强结合水之外，
电场作用范围之内的水。弱结合水膜能发生变形，但是不因重力作用而流动，
它的存在是粘性土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因。
自由水是指不受颗粒电场引力作用的水。其包括毛细水和重力水两类。
土中气体包含与大气连通的自由气体和四周为颗粒和水所封闭的气体。一
般认为自由气体对土的性质影响不大，封闭气体增大了粘性土的压缩性和弹性，
减小了土的透水性。
二、土的三相比例指标
因为土是三相体系，不能用一个单一的指标来说明三相间量的比例。对于
一般连续性材料，例如钢筋或混凝土等，只要知道密度就能直接说明这种材料
的密实程度，即单位体积内固体的质量。对于三相体的土，同样一个密度，单
位体积内可以是固体颗粒的质量多一些，水的质量少一些，也可以是固体颗粒
的质量少一些而水的质量多一些，因为气体的体积可以不相同。因此要全面表
明土的三相量的比例关系，就需要有若干个指标。表示三相量的比例关系的指
标主要有 9 个，即天然密度ρ、干密度ρd、浮容重γ‘、饱和密度ρsat、土粒比重
Gs、含水量ω、孔隙比 e、孔隙度 n、饱和度 Sr 。
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1. 土的三相草图
为了使这个问题形象化，以获得清楚的概念，在土力学中，通常用三相草图来
表示土的三相组成，如图所示。在三相图的右侧，表示三相组成的体积；在三
相图的左侧，则表示三相组成的质量。
图 2.2-1 土的三相草图 V ——土的总体积； VV ——土的孔隙部分体积；
VS ——土的固体颗粒实体的体积； VW ——水的体积；Va ——气体体积； m——土的总质量 mw——水的质量 ms——固体颗粒的质量
2 土的三相比例关系试验指标
（1）土的天然密度（ρ）（湿密度）：土单位体积的质量。
ρ=Vm =
aWS
WS
VVVmm++
+ 单位：kg/m3 或 g/cm3
天然土的密度随着土的矿物组成、孔隙体积和水的含量而异。一般变化于
1.50—2.20 g/ cm3 之间。
工程中常用容重来表示类似的概念。土的容重定义为单位体积土的重量，
是重力的函数，以 kN/m3 计。它与土的密度有如下关系：
γ=ρ×g=9.8ρ
式中 g 为重力加速度（g=9.81m/s2 ，工程上有时为了计算方便，取 g=10
m/s2 ）。
（2）土粒比重（Gs）：土粒的质量与同体积 4。C 的水（蒸馏水）质量之比。
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Gs =)( ws
s
Vmρ
=w
s
ρρ
式中， ρ s ——土粒的密度，即单位体积土粒的质量；
ρ w ——4。
C 时纯蒸馏水的密度。 因为 ρ w
=1.0 g/ cm3 ，故土粒比重在数值上即等于土粒的密度，是无量
纲数。
天然土颗粒是由不同的矿物组成，这些矿物的比重各不相同。试验测定的
是土粒的平均比重。土粒的比重变化范围不大。细粒土（粘性土）一般在 2.70 至
2.72 左右，砂土的比重一般为 2.65 左右，粉土的比重一般为 2.68 左右。
（3）土的含水率（ω）：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示。
ω（%）=s
w
mm 100× = 100×
−s
s
mmm
含水率是土的基本物理性能指标之一，含水率的变化将是土的一系列物理
力学性质随之而异。如使土成为坚硬的、可塑的和流动的；使土成为稍湿、很
湿或饱和的；使土的结构强度增加或减少，紧密或疏松，构成压缩性及稳定性
的变化。土的含水率也是多种地基处理施工质量控制的重要指标。
（4）孔隙比 e 或孔隙度 n
孔隙比 e—指孔隙体积与固体颗粒实体体积之比。表示为 e=S
V
VV
孔隙度 n—指孔隙体积与土总体积之比，用百分数表示，n(%)= 100×VVV
孔隙比和孔隙度都是用以表示孔隙体积含量的概念。不难证明两者之间可
以用下式互换。 n=e
e+1
， e=n
n−1
土的孔隙比或孔隙度都可用来表示同一种土的松、密程度。它随土形成过
程中所受的压力、粒径级配和颗粒排列的状况而变化。一般说，粗粒土的孔隙
度小、细粒土的孔隙度大。例如：砂类土的孔隙度一般是 28—35%；粘性土的
孔隙度有时高达 60—70%。
（5）饱和度（Sr）：表示孔隙中充满水的程度。 Sr = V
W
VV
显然，干土的饱和度 Sr =0，而饱和土的饱和度 Sr =1.0。
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含水率ω及饱和度 Sr 都是表示土中含水程度的重要指标。
（6）饱和密度（ρsat）：孔隙完全被水充满时土的密度，表示为 ρsat =V
Vm wvs ρ+
（7）干密度（ρd）：土被完全烘干时的密度，在忽略气体的质量时，它在
数值上等于单位体积中土粒的质量，表示为 ρd =Vms
天然密度、干密度和饱和密度在数值上有如下关系：ρsat ≥ ρ ≥ ρd
相应于这几种密度，工程上还常用天然容重γ，饱和容重γ sat 和干容重γd 来
表示土在不同含水状态下单位体积的重量。在数值上，它们等于相应的密度乘
以重力加速度 g。
（8）浮容重（γ‘）：静水下的土体受水的浮力作用，其容重等于土的饱和
容重减去水的容重，称为浮容重γ‘ ，表示为 γ‘ =γ sat －γw
几种容重在数值上的关系如下： γ sat≥γ≥γd>γ‘
对于上述指标，只要通过试验确定三个独立指标，就可以应用三相草图，
按照它们的定义计算出其它指标来。干土或饱和土为两相体，只要求知道其中
两个独立的指标，就可以计算出其它各个指标值。
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第三章 室内土工试验
土的物理性质指标包括土的基本物理性质指标（含水率、密度、比重等）、
界限含水量指标、土的颗粒组成及砂土的密度指标、土的透水性指标及土的击
实性指标等，土的力学性质试验包括土的固结试验、直接剪切试验、三轴剪切
试验、无侧限抗压强度试验、黄土湿陷性试验等，本章介绍常规室内土工试验
项目的试验方法、适用范围及其成果的应用。
第一节 土样要求与试样制备
一、土样要求
由地层中取出的土，如能保持原有的结构、密度及含水量不变或变化很小，
则称为“原状土样”。如土样的结构、构造已受到人为的破坏或水分发生变化，
则称为“扰动土”或“非原状土”。
《岩土工程勘察规范》将土试样的质量分为如表 3.1-1 所列四个等级：
土试样质量等级 表 3.1-1
级 别 扰动程度 试 验 内 容
Ⅰ 不扰动 土类定名、含水率、密度、强度、固结试验、黄土
湿陷、三轴压缩、直接剪切、渗透性等
Ⅱ 轻微扰动 土类定名、含水率、密度
Ⅲ 显著扰动 土类定名、含水率
Ⅳ 完全扰动 土类定名、最大干密度、最优含水率、颗粒分析等
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在黄土地区，应按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）的规定
采用开挖探井的方法人工采取原状土样供室内试验。对砂土和地下水位以下的
饱和土，应按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001（2009 年版））的规定，采
用适宜的取样方法和设备采取Ⅰ、Ⅱ级土样。
现场采样的数量应满足要求进行的试验项目和试验方法的需要，并应附取
土记录及土样现场描述。
土样送达试验单位，必须附送样单及试验委托书或其他有关资料。送样单
应标明工程名称、探井或钻孔编号、高程、取土深度、取样日期、取土方法、
地下水位、土样现场鉴别和描述等。试验委托书应包括工程名称、工程项目、
试验目的、试验项目、试验方法及要求等。
试验单位接收土样后，应按试验委托书验收。验收中需查明土样数量是否
有误、编号是否相符，所送土样是否满足试验项目和试验方法的要求。验收后
进行登记编号，并妥善存放，对原状土样和需保持天然含水率的扰动土样，应
尽量采取措施防止扰动和水分蒸发。土样经过试验后，应将余土储存一段时间，
以备日后试验结果有疑义时复核之用。
二、试样制备
试样的制备是土工试验工作的一道重要工序，为保证试验成果的可靠性
和可比性，必须统一土样和试样的制备方法和程序。以下介绍颗粒粒径小于
60mm 的原状土和扰动土的试样制备方法。
1. 仪器设备：细筛（孔径 0.5mm，2mm）、洗筛（孔径 0.075mm）、台秤、
天平、环刀、击样器、压样器、抽气设备、切土刀、烘箱、保湿缸、喷水设备
等。
2. 原状土试样制备：
（1）将土样筒按标明的上下方向放置，剥除腊封和胶带，开启土样筒取
出土样。检查土样结构，当确定土样已受扰动或取土质量不符合规定时，不应
制备力学性质试验的试样。
（2）根据试验要求用环刀切取试样时，应在环刀内壁涂一薄层凡士林，
刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边
15
压边削至土样高出环刀，根据试样的软硬采用钢丝锯或切土刀整平环刀两端土
样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量。同一组试样间密度的允许差值为
0.03g/cm3。
（3）切削试样时，应对土样的层次、气味、颜色、夹杂物、裂缝和均匀
性进行描述，并不得扰动土样。
3. 扰动土样的制备：
（1）将土样切碎，拌合均匀，取代表性土样测定含水率。
（2）对均质和含有机质的土样，宜采用天然含水率状态下的代表性土样，
供颗粒分析、界限含水率试验。
（3）对非均质土应根据试验项目取足够数量的土样，置于通风处晾干至
可碾散为止。
（4）对砂土和进行比重试验的土样宜在 105～110℃温度下烘干，对有机
质含量超过 5%的土、含石膏和硫酸盐的土，应在 65～70℃温度下烘干。
（5）将风干或烘干的土样碾散，对分散后的粗粒土和细粒土使用筛孔直
径合适的筛子过筛。对含细粒土的砾质土，应先用水浸泡并充分搅拌，使粗细
颗粒分离后按不同试验项目的要求进行过筛。
（6）将碾散的风干土样通过孔径 2mm 或 5mm 的筛，取筛下足够数量的
土样，充分拌匀，测定风干含水率，装入保湿缸或塑料袋内备用。
（7）根据试验所需的土量和含水率，计算所需的加水量。计算公式如下：
0
00 01.01)'(01.0
wmwwmw +
−=
式中 mw——制备试样所需的加水量，g；
m0——湿土（或风干土）的质量，g；
wo、w’——分别为湿土（或风干土）及制样要求的含水率，％。
（8）称取土样平铺于搪瓷盘内，均匀洒水，充分拌合后装入盛土容器中
湿润一昼夜，使水分充分消散。
（9）测定湿润后土样的含水率。
16
（10）根据实际需要采用击样法或压样法制样。
4. 试样饱和：
（1）对粗粒土采用浸水饱和法。
（2）对渗透系数大于 10-4cm/s 的细粒土，采用毛细管饱和法。
（3）对渗透系数小于等于 10-4cm/s 的细粒土，采用抽气饱和法。
第二节 含水率试验
土的含水率是土的三相物质中最活跃、最不稳定的一个因素，含水率的变
化影响到土样的状态、饱和程度及结构强度等一系列物理力学性能的变化，是
研究土的物理力学性质最基本的指标之一。
测定含水率的方法有烘干法、酒精燃烧法、炒干法、核子射线法等。室内
试验大多采用烘干法，在野外无烘箱设备或要求快速测定含水率时，可采用酒
精燃烧法、炒干法。
一、烘干法
1. 将扰动土样 15—30g（砂质土或砾质土因颗粒大小相差悬殊，含水量易
于变化，试样应多取一些，规定不少于 50g）放入铝盒，称重后再放入烘箱中，
在 105—110℃的温度下烘干，称取烘干前后土的重量，计算含水率。该方法精
度高，试验简便，结果稳定。
2. 对有机质含量超过干土质量 5%的土，应将温度控制在 65～70℃的恒温
下烘至恒重。
3. 烘干法的烘干时间，对粘土、粉土不少于 8h，对砂土不少于 6h 。对烘
干的试样，应先冷却后再称量，一方面避免因天平受热不均影响称量精度，另
一方面防止热土吸收空气中的水分。为此，试样应放在装有干燥剂的干燥缸内
冷却。
4. 应对两个试样进行平行试验，以避免操作中发生错误，并衡量含水率的
均匀程度。为保证试验准确度，要控制平行差值。对于烘干法，含水率在 40%
以下时，平行差值应控制在 1%之内，当含水率在 40%以上时，平行差值应控
17
制在 2%之内。
5. 试样的含水率计算应准确至 0.1%。
二、酒精燃烧法
在试样中加入酒精，利用酒精在试样中燃烧，使土中水分蒸发，将土烤干。
酒精燃烧法大多为施工质量控制所采用，是快速测定法中较准确的一种，在没
有烘箱及电源条件的情况下适于采用。为使酒精用量不致过大，燃烧过程中土
颗粒不致溢出，试样数量取 5—10g 为宜。燃烧遍数应不少于两次。
三、炒干法
将盛放试样的金属盘放在火炉或电炉上将试样翻炒至干燥，适用于颗粒均
匀的砂类土及含砾较多的土。试样数量应根据含粗颗粒粒径的大小而选择，粒
径大的取样数量较多。一般为 500—3000g 。
第三节 界限含水率试验
一、界限含水率的定义
界限含水率就是土从一种状态进入另一状态的分界含水率。土的几种状态
如下图所示：
缩限 塑限 液限
含水率ω%
固态 半固态 可塑状态 流动状态
细粒土随着含水率的增加，可以从固态或半固态变为塑态，再变为液态。
土中含水量很低时，水都被颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，成为强结合
水，强结合水的性质接近于固态，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不
同，土表现为固态或半固态。当含水率增加，水膜加厚，土粒周围除强结合水
外还有弱结合水，弱结合水呈粘滞状态，不能传递静水压力，不能自由流动，
但受力时可以变形，在这种情况下，土体受外力作用可以被捏成任意形状而不
破裂，外力取消后仍然保持改变后的形状。这种状态称为塑态。当含水量继续
18
增加，土中除结合水外，存在处于电场引力范围以外的自由水，土粒之间被自
由水所隔开，土体不能承受任何剪应力而呈流动状态。
对工程来说，具有实用意义的是液限、塑限。液限是指土从流动状态过渡
到可塑状态的界限含水率，是可塑性状态的上限。塑限是指土从可塑状态过渡
到半固体状态的界限含水率，是可塑性状态的下限。液限和塑限是依据表观现
象观察土在某种含水率下是否“流动”或者是否“可塑”而人为规定的一种标
准。是一种近似的定量分界含水率。
液、塑限试验均采取扰动土样，试样数量不应小于 250g。
二、液限的试验方法
土的液限ωL的测定方法有圆锥仪法、液、塑限联合测定法及碟式仪法。
1. 圆锥仪法
适用于粒径小于 0.5mm 的细粒土。
试验时将质量为 76g，锥角为 30。 的圆锥提起，慢慢放在调制到一定含水
率的试样上，使其在自重作用下沉入土中，观测在规定时间（5s）内的沉入深
度，当恰好下沉到圆锥上 10mm 处刻度线位置时，制备土试样所对应的含水率
即为 10mm 液限，当恰好下沉到圆锥上 17mm 处刻度线位置时，制备土试样所
对应的含水率即为 17mm 液限。
2. 液、塑限联合测定法
液、塑限联合测定法
是现行的《土工试验方法
标准》（GB/T50123-1999）
所采用的方法，自手动圆
锥仪法发展而来，提高了
测试的自动化程度和试验
精度，测试装置示意图见
图 3.3-1。具体方法如下：
（1）将土制备成一
定含水率的试样，充分调拌均匀后，填入试样杯中。
19
（2）将试样杯放在联合测定仪的升降坐上，在圆锥上抹一薄层凡士林，
接通电源，使电磁铁吸住圆锥。
（3）调节零点，将屏幕上的标尺调在零位，调整升降座，使圆锥尖接触
试样表面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入土样，经 5s 后从显示屏上测读圆锥的
下沉深度，之后测定试样的含水率。
（4）再制备另一含水率试样，重复上述方法分别测定第二点、第三点试
样的圆锥下沉深度及相应的含水率。
（5）液塑限联合测定法的测点数量不应少于 3 个，圆锥入土深度宜分别
为 3~4mm、7~9mm、15~~17mm。
（6）以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，绘制圆锥仪下沉深度
与含水率双对数曲线如图 3.3-2 所示，可见圆锥入土深度与相应含水率在双对
数坐标上具有直线关系。从曲线图上查
得圆锥仪下沉深度为 10mm、17mm 所对
应的含水率，分别作为 10mm 液限和
17mm 液限。
现行的国家标准《土工试验方法标
准》（GB/T 50123—1999）中列入了 76g
圆锥下沉深度 17mm 时的含水率作为液
限标准（交通系统的标准《公路土工试
验规程》中采用 100g 圆锥入土深度
20mm 作为液限标准）。由于过去使用
10mm 的标准，作为过渡，同时保留了
10mm 液限。现有的许多资料中关于粘
性土的承载力经验用表采用的液限指标
仍为 10mm 液限。
三、塑限的试验方法
塑限ωP 的试验方法采用滚搓法或液限联合测定法测定。
1. 滚搓法是将制备好的土样在毛玻璃板上用手掌滚搓，当搓出的土条直径
图 3.3-2 圆锥下沉深度与含水率关系曲线曲线
20
为 3mm 时产生裂缝，并开始断裂，应注意裂缝和断裂必须是试样内水量减少
的结果，而不是由于用力过大而压碎，也不是土条过长而折断，此时土条的含
水率即为塑限。
用滚搓法测定塑限在国内一直使用，该法纯粹是手工操作，它的准确程度
完全取决于操作者的经验和技巧，所以人为因素影响较大。
2. 液、塑限联合测定法是在圆锥仪下沉深度与含水量双对数曲线上，查得
圆锥仪下沉深度为 2mm 所对应的含水率即为塑限。
四、界限含水率成果应用
1. 利用土的液限、塑限指标，可以计算得到土的塑性指数、液性指数及含
水比指标。详见表 3.3-1。
液塑限指标应用 表 3.3-1
指标名称 符号 物理意义 计算公式
塑性指数 IP
土呈可塑状态时含水量的变化范围，
代表土的可塑程度。
IP =ωL-ωP
液性指数 IL
土抵抗外力的量度，其值愈大，抵抗
外力的能力愈小。
IL=PL
P
ωωωω
−−
含水比 u 土的天然含水量与液限之比。 u=
Lωω
2. 用于土的工程分类，液、塑限对细粒土的鉴别和分类提供了非常有用的
资料，我国现行的《建筑地基基础设计规范》利用塑性指数（由 10mm 液限计
算所得）进行细粒土分类：
IP >17 粘土
10< IP ≤ 17 粉质粘土
IP ≤ 10 粉土
21
应用液性指数判别粘性土的状态：
IL ≤ 0 坚硬
0 < IL ≤0.25 硬塑
0.25 < IL ≤0.75 可塑
0.75 < IL ≤1.0 软塑
IL >1.0 流塑
众所周知，塑性指数反映的只是液、塑限的差值，并未说明两个界限含水
率的绝对值。实际上液、塑限差值相等的两种土：一种是绝对值均高，一种是
绝对值均低，两种土的性质截然不同。根据经验，土的性质既随塑性指数，也
随界限含水率所处位置而变化。目前对细粒土分类采用的塑性图就是既考虑塑
性指数，又考虑了土的液限大小，比单用塑性指数更为合理。
第四节 密度试验
密度是了解土结构的密实程度，计算挡土墙土压力，设计和核算边坡稳定，
计算地基承载力和基础沉降量，控制垫层施工质量等必不可少的指标。测定密
度的方法常用的有环刀法、蜡封法、灌砂法和灌水法等。对粉土、粘性土，环
刀法操作简便而准确，在室内和野外普遍采用。不能用环刀法切削的坚硬、易
破碎、含有粗粒、形状不规则的土可用蜡封法。灌砂法和灌水法一般在野外应
用，适用于粗粒土。近几年用于现场测定天然密度的核子射线法也逐步成熟，
对饱和松散砂、淤泥、软粘土等可用此法测定。
一、环刀法
利用体积一定的环刀切取试样，称取试样质量，计算试样湿密度和干密度
的方法。
1. 环刀法的容积要按土质均匀程度及土样尺寸选择。室内试验考虑到与剪
切、固结等项试验所用环刀相配合，一般选用内径为 61.8mm 和 79.8mm，高为
20mm，即容积为 60cm3 和 100cm3 环刀。施工现场检查填土压实密度时，因每
层土压实厚度达 20~30cm，土层上下压实程度不均匀，而环刀容积过小，取土
22
深度稍有变化，所测密度误差较大，一般采用增大环刀容积提高试验成果的精
度。环刀容积可用 100~500cm3 。
2. 环刀高度与直径之比对试验成果有影响，环刀高度过大时，土与环刀内
壁的摩擦就越大，同时增大取样的困难，为此，要控制径高比，根据国内外的
资料，一般采用径高比为 2.5~3.5。
3. 环刀壁越厚，压入时土样扰动程度越大，所以环刀壁越薄越好。但环刀
压入土中时，受到相当的压力，壁过薄，则环刀容易变形和损坏，故一般壁厚
采用 2mm 左右，刃口厚度 0.3mm。
4. 用环刀切土时，要防止试样扰动，所以应先切成一个较环刀内径略大的
土柱，然后将环刀垂直下压。为了避免下压时挤压四周土样，应边压边削，直
至土样伸出环刀，将两段修平。因环刀容积较大时，不易切成土柱，故施工现
场可用直接压入法。
5. 试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.03g/cm3，取两
次测值的平均值。
二、蜡封法
用蜡液封住试样，通过对蜡封试样的浸水称量，计算试样体积，进而确定
试样密度的方法。
1. 蜡的温度以蜡液刚达到熔点后不出现气泡为准。
2. 试样浸没蜡液提出后，如发现试样周围蜡膜有气泡时，应用针刺破再
用蜡液补平。
3. 将蜡封试样挂在天平的一端，浸没于盛有纯水的烧杯中，称蜡封试样
在纯水中的质量。
4. 由于水的密度随温度变化，试验中应测定水温，并测 定蜡的密度。
5. 试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.03g/cm3，取两
次测值的平均值。
6. 按下式计算试样的密度 ρ0：
23
n
n
wT
nwn mmmmm
ρρ
ρ0
00 −
−−
=
式中 m0——试样质量（g）；
mn——蜡封试样质量（g）；
mnw——蜡封试样在纯水中的质量（g）；
ρwT——纯水在 T℃时的密度（g/cm3）；
ρn——蜡的密度（g/cm3）。
三、灌砂法
1. 灌砂法所用的标准砂应该清洗洁净，选择适当粒径使其密度变化较小，
标准中规定粒径在 0.25~0.50mm，密度选用 1.47~1.61 g/cm3。试验前首先用密
度测定器测定标准砂的密度。其次根据试样最大粒径，按规定尺寸挖好试坑，
将试样称量。利用密度测定器上容砂瓶向试砂坑中注砂，根据容砂瓶内用去砂
的质量，计算试样的密度。
2. 灌砂法试验中的几个问题：
（1）试坑尺寸必须与试样粒径配合，使所取的试样有足够的代表性，为此
在标准中规定了与试样最大粒径相对应的试坑尺寸，见表 3.4-1。
试样最大粒径对应的试坑尺寸 表 3.4-1
试样最大粒径（mm） 试坑尺寸（mm）
直径 深度
5（20） 150 200
40 200 250
60 250 300
（2）由于灌砂法适用于砂、砾等粗粒土，在开挖试坑时，周围的砂粒容易
移动，使试坑体积减小，测得的密度偏高，操作时应特别小心。试坑内已松动
的颗粒应全部取出。
24
（3）地表刮平对正确测定试坑体积是很重要的。现在灌砂法一般不用套环，
而是直接在刮平的地面上挖试坑，然后灌砂求其体积。往往由于地面没有刮平，
使所测试坑体积不准确。
四、灌水法
灌水法的操作与灌砂法一样，先挖试坑，然后在试坑内铺薄层塑料膜后灌
水测定试坑体积，用以计算试样的密度。试坑体积按下式计算：
VP=（H1-H2）AW
式中：VP——试坑体积，g/cm3；
H1——储水筒初始水位高度，cm；
H2——储水筒终了水位高度，cm；
AW——储水筒断面积，cm2。
试样密度按下式计算：
ρ0=P
P
Vm
式中ρ0——试样密度，g/cm3；
mp——试样质量，g；
VP——试坑体积，cm3。
目前不少工地采用灌水法测定土的密度，挖试坑后在坑内铺塑料薄膜袋，
由于薄膜不能紧贴凹凸不平的坑壁，并有折叠，皱纹等现象，使测得的体积缩
小，计算的密度偏大。为了避免过大的误差，要求薄膜袋的尺寸应与试坑大小
相适应。
第五节 比重试验
土的比重也叫土的相对密度，是计算孔隙比、孔隙率、饱和度的主要指标，
也是土的基本物理指标之一。其定义是土粒在 105～110℃下烘干至恒重时的质
量与同体积 4℃的水（蒸馏水）质量之比值，为无量纲指标。
比重的试验方法根据土粒的粗细不同可分别采用比重瓶法、浮称法、虹吸
筒法。
25
比重瓶法适用于粒径小于 5mm 的各类土。
浮称法适用于粒径大于等于 5mm 的各类土，且其中粒径大于 20mm 的土
质量应少于 10%。
虹吸筒法适用于粒径大于等于 5mm 的各类土，且其中粒径大于 20mm 的
土质量应大于等于 10%。
对粗细颗粒混合的土，当大于 5mm 的颗粒较少时，可直接用比重瓶法测
试，并允许将大于 5mm 的颗粒敲碎拌合均匀后取样。当大于 5mm 的粗粒含量
较多时，应分别采用上述三种方法测定比重，再求其加权平均值，计算公式如
下：
2
2
1
1
1
SS
sm
GP
GP
G+
=
式中 Gsm——土颗粒平均比重；
Gs1——粒径大于、等于 5mm 的土颗粒比重；
Gs2——粒径小于 5mm 的土颗粒比重；
P1——粒径大于等于 5mm 的土颗粒质量占试样总质量的百分比（%）；
P2——粒径小于 5mm 的土颗粒质量占试样总质量的百分比（%）。
一、比重瓶法
1 试验仪器设备：比重瓶（容积 100mL 或 50mL，分长颈和短颈两种），恒
温水槽，砂浴，天平，温度计等。
2 比重瓶的校准：将煮沸冷却
后的纯水注满比重瓶，塞紧瓶塞，
放入恒温槽，调节恒温槽的温度，
温度差宜为 5℃，测定不同温度下
比重瓶加水质量。每个温度时均应
进行两次平行测定，两次测定的差
值不得大于 0.002g。绘制温度与瓶、
水总质量的关系曲线，如图 3.5-1。
26
3 试验要点：
（1）采用 100mL 比重瓶时，称取烘干试样 15g，采用 50mL 比重瓶时，
称取烘干试样 10g，装入事先烘干的比重瓶中，称试样和瓶的总质量。
（2）向比重瓶内注入半瓶水并在砂浴上煮沸，应注意控制煮沸的时间，自
悬液沸腾起砂土不应少于 30min，粉土、粘土不应少于 1h。煮沸过程中，比重
瓶内的悬液不得溢出。
（3）将煮沸冷却的纯水注入装有试样悬液的比重瓶。当用长颈比重瓶时，
注水至刻度处；当用短颈比重瓶时，将水注满，塞紧瓶塞，置于恒温水槽内至
温度稳定，且上部悬液澄清。
（4）擦干瓶外壁，称比重瓶、水、试样总质量，并测定瓶内水温。
（5）质量称取时，应准确至 0.001g，温度量测，准确至 0.5℃。
（6）对含有可溶盐、有机质和亲水性胶体的土，必须用中性液体代替纯水，
采用真空抽气法代替煮沸法。
4 按下式计算土粒比重
iTbwsdbw
ds G
mmmmG ⋅
−+=
式中 md——干土质量（g）；
mbw——瓶、水总质量
（g），可由温度与瓶、水总质量的关
系曲线上查取；
Mbws——瓶、水、土总质
量（g）；
GiT——T℃时纯水的比
重（或实测的中性液体的比重）
二、浮称法
1 试验仪器设备：铁丝筐（孔径
小于 5mm，边长 10～15cm，高 10～
27
20cm），盛水容器（尺寸应大于铁丝筐），浮秤天平（称量 2000g，最小分度值
0.5g）。
2 试验要点：
（1）取代表性试样 500～1000g，清洗洁净试样表面，水中浸泡一昼夜后
取出，放入铁丝筐并浸没于水中，在水中摇动至试样中无气泡逸出。
（2）用浮秤天平称铁丝筐及试样在水中的质量，如图 3.5-2。
（3）取出试样烘干，称烘干后的试样质量。
（4）称铁丝筐在水中的质量，并测定盛水容器中的水温。
3 按下式计算土粒比重
wTsd
ds G
mmmmG ⋅
′−−=
)(11
式中 m1s——钢丝筐和试样在水中的质量（g）；
m’1——钢丝筐在水中的质量（g）；
GwT——T℃时纯水的比重
三、虹吸筒法
1. 试验仪器设备：由虹吸筒和
虹吸管组成的虹吸筒装置（图
3.5-3），天平（称量 1000g，最小分
度值 0.1g）、容积大于 500mL 的量
筒。
2. 试验要点：
（ 1）取代表性试样 700～
1000g，清洗洁净。在水中浸泡一昼
夜后晾干或擦干表面，称晾干试样
质量。
（2）将清水注入虹吸筒至虹吸管口有水溢出时关闭管夹，试样缓慢放入虹
吸筒中，边放边搅拌，至试样中无气泡逸出为止。
28
（3）当虹吸筒内水面平稳时开管夹，让试样排开的水通过虹吸管流入量筒。
称量筒与水总质量，并测定水温。
（4）取出试样烘至恒量，称烘干试样的质量。
3. 按下式计算土粒比重：
wTdadccw
ds G
mmmmmG ⋅
−−−=
)()(
式中 mc——量筒质量（g）；
mcw——量筒与水总质量（g）；
Mad ——晾干试样的质量（g）。
第六节 颗粒分析试验
颗粒分析试验是将土试样按粒径不同，分成不同粒组并测定其相对含量的
试验方法。可以用于土的分类、判定土的结构特征和工程性质。相同大小土粒
的相对百分含量称为颗粒级配或土的粒度成分。
常用的颗粒分析法有筛析法、密度计法和移液管法。
筛析法是自粗而细将试样依次过筛，称各级筛上及底盘内试样的质量，计
算各级粒组的相对含量。其适用于粒径小于等于 60mm，大于 0.075mm 的土。
密度计法和移液管法是根据粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，
把颗粒按照下沉速度进行粗细分组进行试验。其适用于粒径小于 0.075mm 的
土。
一、筛析法
1. 筛析法的取样数量应依据规范规定，原则上颗粒越粗，取样数量越大，
称取试样质量，应准确至 1g，当数量少于 500g 时，应准确至 0.1g。
2. 筛析前应将试样过2mm的筛，当筛下的试样质量小于试样总质量的10%
时，不做细筛分析，筛上的试样质量小于试样总质量的 10%时，不做粗筛分析。
3. 粗筛指孔径大于 2mm 的分析筛（60、40、20、10、5、2 mm），细筛指
29
孔径小于 2mm 的分析筛（2.0、1.0、0.5、0.25、0.075 mm）。
4. 自粗而细将试样依次过筛，称各级筛上及底盘内试样的质量，计算小于
某粒径的试样质量占试样总质量的百分数。
5. 对含有细粒土颗粒的砂土，应先将试样在容器中加水搅拌，使试样充分
浸润，粗细颗粒完全分离，然后过 2mm 的筛。筛上的试样烘干后称重，按上
述方法进行筛析。小于 2mm 的混合液用带橡皮头的研杵研磨后过 0.075mm 筛，
将筛上的试样烘干后称量质量，进行细筛分析。
6. 以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，颗粒粒径为
横坐标，在单对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线（级配曲线）如图 3.6-1 所示。
由于混合土中所含粒组的粒径往往相差百倍、千倍，且细粒土的含量对土
的性质影响很大，必须较为详细地表示，因此，粒径的坐标常取为对数坐标。
二、密度计法
密度计法是利用土壤密度计通过测量不同深度处悬液的密度和土粒沉降
的距离，计算出不同粒径所占百分比。
1. 选用风干试样 200～300g，将试样过 2mm 筛，求出筛上试样占试样总
质量的百分比，测定筛下土风干含水率。
2. 将干质量为 30g 的试样倒入锥形瓶并注入约 200mL 纯水，浸泡一夜后
煮沸约 40min，过 0.075mm 筛，筛上试样冲洗、烘干、称量、筛析。将筛下悬
液倒入量筒加入 4%浓度的分散剂 10mL，再注入纯水至 1000mL。
3. 悬液搅拌 1.0min 后取出搅拌器，立即放入密度计观测经 0.5、1、2、5、
15、30、60、120 和 1440min 时的密度计读数及水温，读数均以弯月面上缘为
准。每次读数后应取出密度计.
4. 计算小于某粒径的试样质量占总质量的百分比及土颗粒的粒径，计算方
法详见《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)。
5. 绘制颗粒大小分布曲线。
三、移液管法
移液管法是根据粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢的原理，按照各种
粒径土粒下沉距离与时间的关系确定吸取悬液的时间和距离，把颗粒按照下沉
30
速度进行粗细分组进行的试验。标准采用固定粒径和吸取深度计算吸取时间的
方法。
1. 取代表性试样(粘土 10～15g，砂性土 20g)按密度计法制成悬液，倒入量
筒，搅拌均匀后放入恒温水槽中，测定悬液温度。
2. 计算粒径小于 0.05、0.01、0.005、0.002mm 和其他所需粒径下沉一定深
度的时间(也可对照查表)。
3. 用搅拌器沿悬液深度上下搅拌 1min，开动秒表，在预定时间从悬液 10cm
深度处用移液管吸取悬液，吸取量应不少于 25mL，注入烧杯(或瓷坩埚)中，蒸
发、烘干，称出试样质量。
4. 计算小于某粒径的试样质量占总质量的百分比， 绘制颗粒大小分布曲
线。
四、颗分结果的应用
1. 根据颗粒组成对土层进行准确定名。
图 3.6-1 土的颗分曲线
31
2. 从级配曲线上可以直接了解土的粗细、粒径分配的均匀程度、级配的优
劣。级配指标的计算如下：
（1）土的粗细常用平均粒径 d50 表示，指土中大于此粒径和小于此粒径的
土的含量均占 50%。
（2）表示土的均匀程度和级配的优劣，取如下三种粒径作为特征粒径：
d60—— 称为限制粒径，土中小于该粒径的颗粒重占土总重的 60%；
d10—— 称为有效粒径，土中小于该粒径的颗粒重占土总重的 10%；
d30—— 颗分曲线上的某粒径，土中小于该粒径的颗粒重占土总重的 30%
（3）不均匀系数 Cu Cu=d60/d10，
土的级配曲线平缓，Cu值愈大，表示土中各种大小的土粒都有，粗细颗粒
的大小相差愈悬殊，土愈不均匀，级配较好。曲线陡峻，则 Cu 值愈小，表示土
粒均匀，级配不好。工程上把 Cu＜5 的土看作级配均匀，Cu＞10 的土看作级配
良好，级配良好的土中大孔隙可为细颗粒所填充，容易得出较高的密度和较好
的力学特征。因此填方土料及混凝土工程砂石料要求要级配良好。
（4）曲率系数 Cc：如果粒径级配累计曲线斜率不连续（如图 3.6—2），在
该曲线上的某一位置出现水平段，则水平段范围所包含的粒组含量为零，这种
土即为缺少某种中间粒组的土，若水平段的范围较大，则这种土的组成特征是
颗粒粗的较粗，细的较细，土的压实效果不如级配连续的土好。土的粒径级配
曲线的斜率是否连续可用曲率系数 Cc 表示：
Cc=d302/(d10﹒d60)
经验表明，当级配连续时，Cc 的范围约为 1--3。当 Cc<1 或 Cc>3 时，均表
示级配曲线不连续。从工程观点看，同时满足土的级配不均匀（Cu≥5），且级
配曲线连续（Cc=1—3）这两个条件的土，称为级配良好的土。
（5）间接计算砂土的渗透系数等。
32
图 3.6-2 级配不连续土的粒径级配曲线
第七节 击实试验
室内击实试验是为了确定扰动土在一定的击实功能下干密度随含水率变化
的关系曲线，以求得土的最大干密度和最优含水率，了解土的压实特性，为工
程设计和现场施工碾压提供土的压实度控制指标。
土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有密切的关系。当压实功能
和压实方法不变时，土的干密度随含水率增加而增加，当干密度达到某一最大
值后，含水率继续增加反而使干密度减小，此最大值即为最大干密度，相应的
含水率为最优含水率。
工程经验表明：欲将填土压实，必须使其水分降低到饱和程度以下，要求
土体处于三相状态。土在瞬时载荷重复作用下，颗粒重新排列，其固态密度增
加，气态体积减小。当锤击力作用于土样时，首先产生压缩变形，当锤击力消
失后，土又出现了回弹现象。因此，土的压实过程，既不是固结过程，也不同
33
于一般压缩过程，而是一个土颗粒和粒组在不排水条件下的重新组构过程。
一、击实试验标准方法
击实试验分为轻型击实法和重型击实法。轻型击实适用于粒径小于 5mm
的粘性土，重型击实适用于粒径不大于 20mm 的土，若采用三层击实时，最大
粒径不大于 40mm。
室内扰动土的击实试验一般是根据工程实际情况选用轻型击实和重型击
实。对于水库、堤防填土等工程常用轻型击实法，而高速公路填土和机场跑道
等工程则用重型击实法。对同一种土，采用不同的击实方法得到的最大干密度
和最优含水率不同（如图 3.7-1 所示）。
二、试验要点
轻型击实试验的单位体
积击实功约 592.2KJ/m3；重型
击实试验的单位体积击实功约
2684.9KJ/m3 。
1. 试样制备分为干法和
湿法两种。用四分法取代表性土
样 20kg(重型 50kg)，干法制备
要风干碾碎试样，湿法制备先将
试样碾碎，过 5mm(重型 20mm
或 40mm)筛，将筛下土样拌匀，
根据土样的塑限预估最优含水
率，制备一组至少 5 不同含水率的
试样，相邻两个含水率的差值宜为 2%。由于击实曲线一定要出现峰值点，由
经验得知，最大干密度的峰值往往在塑限含水率附近。所以制备的试样其中两
个含水率应大于塑限，两个小于塑限，一个接近塑限。
土样制备方法不同，所得击实试验成果不同。试验证明：最大干密度以烘
干土最大，风干土次之，天然土最小。最优含水率也因制备方法不同而不同。
以烘干土最低，这种现象粘土最明显，粘粒含量越高，烘干对最大干密度影响
图 3.7-1 不同压实功能的击实曲线
34
图 3.7-2 干密度与含水率关系曲线
也越大，这显然是烘干影响了胶粒性质，故粘土不宜用烘干土备样。一般制样
采用湿法和干法两种，而干法以风干土居多。
2. 轻型击实试验分三层击实，每层 25 击；重型击实试验分五层击实，每
层 56 击，若分三层击实，每层 94 击。击实过程中，各层试样高度宜相等，层
面刨毛。试样击实后总会有部分土超过筒顶高，这部分土柱称为余土高度。标
准击实试验所得击实曲线是以击实筒容积为体积的等单位功能曲线。由于实际
操作中总是存在或多或少的余土高度，如果余土高度过大，则关系曲线上的干
密度不再是一定功能下的干密度，试验结果的误差会增大。为了保证试验准确
度，标准中规定余土高度不得超过 6mm。
3. 用修土刀修平击实筒顶部的试样，擦净筒外壁后称量总质量。
4. 计算土试样的
湿密度并测定含水率。
5. 对不同含水率
的试样依次进行按标
准方法击实，取得各试
样的湿密度和含水率。
6. 将相应各点的
含水率与干密度绘于
直角坐标上，即得到击
实曲线如图 3.7-2，其峰值点即为土的最大
干密度，与其相应的含水率为最优含水率。
三、注意事项
1. 轻型击实试验中，当试验中粒径大于 5mm 的土质量小于或等于试样总
质量的 30%时，应对最大干密度和最优含水率进行校正。
2. 土料中常掺有较大的颗粒如砾石等，这些颗粒的存在，对填土的最大干
密度和最优含水率都有一定的影响。由于仪器尺寸的限制，必须将土样过 5mm
筛。因此，当粒径大于 5mm 颗粒的土含量小于 30%时，就产生了轻型击实试
验中对含粒径大于 5mm 颗粒土的试验结果的校正。如果大于 5mm 的颗粒含量
35
超过 30%，此时大颗粒土间的孔隙将不能被细粒土所填充，应使用其他试验方
法。
3. 重复使用土样，对最大干密度和最优含水率以及其他物理性质指标有一
定影响。因为土中的部分颗粒由于反复击实而破碎，改变了土的配级，其次是
试样被击实后要恢复到原来松散状态比较困难，特别是高塑性粘土，再加水时
更难浸透，因而影响试验成果。国内外对此均进行过比较试验，结果表明：重
复用土对最大干密度影响较大，差值达 0.05~0.08g/cm3，对最优含水率影响较
小。
第八节 固结试验
土的压缩性是土在压力作用下体积减少的特征。饱和土体受到外力作用后，
孔隙中的部分水逐渐从土体中排出，土中孔隙水压力逐渐减小，作用在土骨架
上的有效应力逐渐增加，土体积随之压缩，直至变形达到稳定为止。土体这一
变形的全过程，称为固结。固结过程的快慢取决于土中水排出的速率，它是时
间的函数。而非饱和土体在外力作用下的变形通常是由孔隙中气体排出或压缩
所引起，主要取决于有效应力的改变，土的这种变形称为压缩。
固结试验适用于饱和粘性土压缩性指标的测定，所测定的指标有压缩系数、
压缩模量、压缩指数、回弹指数、先期固结压力、固结系数及次固结系数等。
一、仪器设备
固结试验所用的主要仪器是三联固结仪，设备包括固结容器、加压设备和
变形量测设备。固结容器由环刀、护环、透水石、加压上盖和水槽等组成。加
压为杠杆式设备配以加荷砝码。变形量测设备为量程 10 mm，最小分度值为
0.01mm 的百分表。
二、试验要点
1. 固结试验的试样应取Ⅰ级不扰动土样。首先应测定试样的密度、含水率
及比重。试样需要饱和时应按要求进行抽气饱和。
2. 试样装入固结容器中，所用滤纸和透水石的湿度应于试样接近，固结容
36
器应置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准，安装百分表或位移
传感器。
3. 压缩试验通常采用的分级压力为：12.5、25、50、100、200、400、800、
1600、3200kPa，每级竖向压力为前级竖向压力的二倍。第一级压力一般为 50
kPa，最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只需测定压缩系数时，
最大压力不小于 400 kPa。
4. 对于饱和试样，施加第一级压力后应立即向水槽中注水浸没试样。非饱
和土进行压缩试验时，须用湿棉纱围住加压板周围。
5. 每级压力施加后，测记竖向变形，待竖向变形达到稳定标准，再施加下
一级竖向压力，逐级加压至试验结束。
对非饱和土，无需测定沉降速率、固结系数。一般只需测定压缩系数，施
加每一级压力后，每 30min 读数一次，以每小时变形不大于 0.01mm 作为稳定
标准。
对需要测定饱和土的沉降速率、固结系数时，施加每一级压力后宜按规定
的时间顺序详细测记试样的高度变化，直至稳定为止。不需要测定沉降速率时，
则施加每级压力后固结 24h 测定试样高度变化作为稳定标准。
6. 需要进行回弹试验时，可在某级压力下固结稳定后退压，直至退到要求
的压力，每次退压至 24h 后测定试样的回弹量。
四、指标计算及成果应用
1. 采用实测的试样含水率、比重、容重，计算试样的初始孔隙比 e0，公式
如下：
1)1(
0
00 −
+=
ρρω wSG
e
2. 按照下列公式计算各级压力下试样固结稳定后的孔隙比 ei： ei= e0－(1+ e0) ·Δhi / h0
式中 e0——试样的初始孔隙比
h0——试样初始高度（20mm）
Δhi——某级压力下试样固结稳定后的总变形量（mm）(等于该级
37
压力下压缩稳定变形量减去仪器变形量)
3. 按照下列公式计算某一压力范围内的压缩系数 av (单位 MPa-1 )及压缩
模量 ES (单位 MPa ):
av=( ei－ei+1)/ ( pi+1－pi)
式中 pi----某级压力值(MPa)
通常采用压力由 pi=100 kPa 增加到 pi+1=200kPa 时所得的压缩系数 a1-2
来判断土的压缩性。当 a1-2<0.1 MPa-1 时，为低压缩性；当 0.1 MPa-1≤a1-2<0.5
MPa-1 时，为中压缩性；当 a1-2≥0.5 MPa-1 时，为高压缩性。
ES=ΔΡ/Δε=（1+ e0）/ av 单位 MPa
压缩模量是指在无侧向变形条件下，压缩时垂直压力增量与垂直应变增量
的比值。压缩模量越大，表明土在同一压力变化范围内土的压缩变形越小，则
土的压缩性越小。
4. 某一压力范围内的体积压缩系数 mv（单位 Mpa-1），按下式计算：
011
ea
Em v
sv +
==
5 压缩指数 Cc 和回弹指数 Cs，按下式计算：
Cc 或 ii
iis pp
eeC
loglog 1
1
−−
=+
+
第九节 三轴压缩试验
三轴压缩试验是室内测定土的抗剪强度指标中最重要的一种方法。根据排
水条件不同分为三种类型：① 不固结不排水剪（UU）试验；②固结不排水剪
（CU）；③固结排水剪（CD）试验。
三轴试验适用于测定细粒土、粒径小于 20mm 的粗粒土的总强度参数 c、ϕ；
有效强度参数 c′、ϕ′；孔隙压力系数及控制不同排水条件的试验。其基本原理
是：对圆柱体试样先施加周围侧向应力σ3（小主应力），令其在试验过程中保
持为常数，然后逐渐增加轴向应力σ1（大主应力），直至试样达到破坏。破坏
38
时试样内的剪切面与大主应力作用面的倾角为α。试验中，只要确定破坏状态
时的σ1 和σ3 就可得知φ和 c。作三轴试验时，一般选定三至四个试样，分别施
加不同的小主应力σ3，故只需测得相应的破坏时的大主应力σ1 即可。
一、仪器设备
1. 应变控制式三轴压缩仪：由压力室、轴向加压设备、周围压力系统、反
压力系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形和体积变化量测系统组成。
2. 附属设备：包括击样器、饱和器、切土器、原状土分样器、切土盘、承
膜筒和对开圆膜等。
3. 天平：称量 200g，最小分度值 0.01g；称量 1000g，最小分度值 0.1g。
4. 橡皮膜：采用具有弹性的乳胶膜，对直径 39.1mm 和 61.8mm 的试样，
厚度以 0.1～0.2mm 为宜，对直径 101mm 的试样，厚度以 0.2～0.3mm 为宜。
5. 透水板：直径与试样直径相等。
二、试验技术要求
1. 试样制备
（1）本试验采用的试样最小直径为φ35mm，最大直径为 101mm，试样高
度宜为试样直径的 2～2.5 倍，试样直径 D 与土颗粒粒径 d 之间的关系应符合表
3.9-1 的规定。
试样直径 D 与土颗粒 d 之间关系 表 3.9-1
试样直径 D（mm） 土颗粒粒径 d（mm）
D<100 d<1/10D
D>100 d<1/5D
（2）原状土试样制备时，采用钢丝锯、切土刀、切土盘等工具将土样按规
定尺寸切削成圆柱形试样，试样切削时应避免扰动，当试样表面遇有砾石或凹
坑时，允许用削下的余土填补。
（3）扰动土试样制备应根据预定的干密度和含水率，在击样器内分层击实，
39
粉土宜为 3～5 层，粘土宜为 5～8 层，各层土样数量应相等。
（4）砂类土的试样制备应先在压力室底座上依次放上不透水板、橡皮膜和
对开圆模，根据砂样的干密度及试样体积，称取所需的砂样质量，分三等分，
将每份砂样分层填入橡皮膜内，直至填满为止。
（5）为求得强度参数，一般应制备三至四个密度与含水率都相同的试样，
分别施加不同的周围压力σ3，用同样方法进行试验。
2. 试样饱和
原状土样由于取样时应力释放，孔隙中可能不完全充满水而不饱和，试验
时采用人工方法使试样饱和，扰动土试样也需要饱和。饱和方法有抽气饱和、
水头饱和、反压力饱和，根据不同的土类和要求饱和程度而选用不同的方法。
3. 三种试样方法试验过程基本要求如表 3.9-2
三轴试验技术参数 表 3.9-2
试验方法 技术参数
不固结不排水
剪（UU 试验） 固结不排水剪 （CU 试验）
固结排水剪 （CD 试验）
排水阀
状态
固结过程 ———— 开 开
剪切过程 关 关 开
剪切应变速率（min-1）c 0.5%～1.0% 0.1%～0.5%(粉土) 0.05%～0.1%(粘土)
0.003%～0.012%
试样面积的校正 Aa
(cm2) 1
0
1 ε−=
AAa
1
0
1 ε−=
AAa
ic
iCa hh
VVA
∆−∆−
=
轴向应变ε1 1
0
1 ε−=
AAa
试样固结后高度 hc(cm) 3/1
00 )1(
VVhhc
∆−=
试样固结后的面积 Ac(cm2) 3/2
00 )1(
VVAAc
∆−=
40
续表
主应力差σ1-σ3(kPa) 1031 ×=−aA
CRσσ
有效主应力比 u−=′ 11 σσ u−=′ 33 σσ
3
31
3
1 1σσσ
σσ
′′−′
+=′′
初始孔隙水压力系数 B σ
0uB =
破坏时孔隙水压力系数 Af )( 31 σσ −
=B
uA f
f
说 明
1.h0----试样初始高度（mm） 2.△h0----剪切过程中试样的高度变化（mm） 3.A0----试样的初始断面积(cm2） 4.C----测力计率定系数(N/0.01mm) 5.R----测力计读数(0.01mm) 6.△V----试样固结前后体积变化 7.u----孔隙水压力
4. 对于 CU 试验和 CD 试验，应在施加σ3 后，待排水固结稳定才可施加
轴向力。排水固结的稳定标准是孔隙水压力消散度达到 95%以上。
5. 剪切试样时，试样每产生 0.3%～0.4%的轴向应变（或 0.2mm 变形值），
测记一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于 3%时，试样每产生 0.7%～
0.8%的轴向应变（或 0.5mm 变形值），测记一次。
6. 当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为 15%～20%。
7 试验结束后拆除试样，描述试样破坏形状，称试样质量，并测定含水率。
三、试验成果整理及应用
1. 主应力差应按下式计算：
1031 ×=−aA
CRσσ
式中：σ1-σ3——主应力差（KPa）;
σ1——大总主应力（KPa）;
41
σ3——小总主应力（KPa）;
C——测力计率定系数（N/0.01mm）
R——测力计读数（0.01mm）
2. 以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制主应力差与轴向应变关
系曲线如图 3.9-1-a，取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，无峰值时，取 15%
轴向应变时的主应力差值作为破坏点。
3. 对 CU 试验和 CD 试验，以有效应力比为纵坐标，轴向应变为横坐标，
绘制有效应力比与轴向应变曲线，如图 3.9-1—b 所示。
4. 以孔隙水压力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制孔隙水压力与轴向应
变关系曲线，如图 3.9-1-c 所示。
5. 以2
31 σσ ′−′为纵坐标，
231 σσ ′+′为横坐标，绘制有效应力路径曲线，如
42
图 3.9-1-d 所示。并计算有效内摩擦角（ϕ′）和有效粘聚力（C ′）。直线的倾角
为α ，纵轴上的截距为 d。可按下式求得C ′和ϕ′：
αϕ tg1sin −=′ ϕ′
=′cos
dC
6. 以抗剪强度τ 为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴上取破坏时的
1/2（σ1+σ3）为圆心，以破坏主应力差（σ1-σ3）为直径，在τ -a 应力平面上
绘制摩尔圆（破坏应力圆），并绘制各摩尔圆的强度包线（直线），包线的倾角
即为内摩擦角ϕ，包线在纵轴上的截距即为粘聚力 C ，如图 3.9-2～图 3.9-4。
包线可用下式表示： ϕστ tan+= C
在 CU 试验过程中，如果同时测得孔隙水压力 U，则可绘制有效应力摩尔
圆和有效强度包线，如图 3.9-3 中虚线所示。有效应力强度包线式为：
ϕστ ′+′= tan'C
43
7. 通过三轴试验测定土的强度指标，在地基处理、路堤填土、边坡稳定分
析等工程中有着广泛的应用。
第十节 无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度试验是试样在无侧限压力情况下，对其逐渐增加轴向力直
到破坏。试样达到破坏时的轴向应力称为无侧限抗压强度 qu。根据试验测得的
应力应变关系，可求得土的切线弹性模量 Ei、割线弹性模量 ES、回环弹性模量
Eh 及土的灵敏度等。它是不固结不排水剪(UU 试验)周围压力 σ3 为零时的一种
特殊的三轴试验，故 qu 反映粘性土的不排水抗剪强度。
无侧限抗压强度可根据三轴试验计算，当 σ3=0，则：
αστ 2sin21
1=
ασσσ 2cos21
21
11 −=
α=45°+φ/2
这时摩尔圆及强度包线如图 3.10-1 所示。
σ3=0 只可绘出一个摩尔圆。因为该试验相应
于三轴 UU 试验，通常令 φ=0，则强度包线为
水平线，故得：
uu qc21
21
1 === στ
44
如若试样达到破坏时，有明显的破坏面，可实测破坏面的倾角 α，近似估
算 τ值。
本试验适用于饱和粘土。
一、试验仪器和试验方法
由测力计、加压框架、升降设备组成的应变控制式无侧限压缩仪或三轴仪、
轴向位移计（百分表或传感器）、天平等。
二、试验要点
1. 试样制备
试样为圆柱体，直径宜为 35～50mm，直径 D 与高度 H 的关系应满足 H≥
2.0D～2.5D。试样制备方法与三轴试验原状土试样制备方法相同。
2. 试验方法
（1）将试样放在压缩仪的底座上，转动手轮，使试样与加压板刚好接触，
测力计调零。
（2）转动手柄，上升升降设备，控制轴向应变速率为 1%～3%/min。当轴
向应变小于 3%时，每隔 0.5%应变（或 0.4mm）读数一次；轴向应变等于大于
3%时，每隔 1%应变（或 0.8mm）读数一次；试验宜在 8～10min 内完成。
选择变形速率时应考虑：如试样为软黏土，达到破坏时的变形较大，则轴
向变形速率应快些；对于脆性土，其破坏变形较小，则应采取较慢的变形速率。
如欲测定回环弹性模量 Eh，则当轴向力 P 达到试样破坏轴向力的 2／3 时，以
同样速率使试样卸荷回弹直到轴向力回到零，然后再按前述方法，使试样产生
轴向压缩变形，直到破坏为止。
（3）当测力计读数出现峰值时，应继续进行 3%～5%的轴向应变后停止试
验；当读数无峰值时，试验应进行到应变达 20%为止。
（4）试验结束后拆除试样，描述试样破坏形状。
3. 灵敏度测定
45
将破坏后的试样除去涂有凡士林的表面，加适量余土，包于塑料薄膜内用
手搓捏，破坏其结构，重塑成圆柱状，放入重塑筒内，用金属垫板将试样挤成
与原状试样尺寸、密度相等的试
样，并按上述试验方法进行抗压
试验。
三、资料整理及成果应用
1 根据轴向力 P 和轴向变
形△h，按下式求轴向应力 σ及
应变ε ：
0
)1(A
P εσ −=
0hh∆
=ε
式中 σ——轴向应力；
h0——试样初始高度；
A0——试样初始面积。
2. 抗压强度的确定
根据轴向应力 σ和轴向应变 ε可绘成图 3.10-2 所示应力应变关系曲线。如
曲线有峰值，则取峰值应力作为无侧限抗压强度 qu，如无峰值，则取与轴向应
变 15％所对应的应力作为无侧限抗压强度 qu。
3. 灵敏度及土的分类
灵敏度是原状土试样的无侧限抗压强度 qu 与其试样重塑后强度 uq′之比值。
试样重塑后的密度和含水率应保持和原状试样相同。
灵敏度按下式计算：
u
ut q
qS
′=
式中 St——灵敏度。
46
qu、q’u 分别是原状试样和重塑试样的无侧限抗压强度值。
4. 根据无侧限抗压强度 qu 值可区分土的稠度，见表 3.10-1。
粘土的稠度与强度 表 3.10-1
稠度 无侧限抗压强
度 qu (kPa)
N
(击数
/300mm)
稠度 无侧限抗压强
度 qu (kPa)
N
(击数/300mm)
很软
软
中等
<24
24～48
48～96
<2
2～4
4～8
硬
很硬
极硬
96～192
192～388
>388
8～15
15～30
>30
5 根据灵敏度 St 的大小，可对土进行分类，如表 3.10-2。
按灵敏度划分土类 表 3.10-2
土 类 灵敏度 St 土 类 灵敏度 St
低灵敏性土
中灵敏性土
2～4
4～8
高灵敏性土
8～16
6. 灵敏度 St 与液性指数 IL 的关系如表 3.10-3
灵敏度与液限指数 表 3.10-3
灵敏度 St 液限指数 IL 灵敏度 St 液限指数 IL
>8
8～4.5
4.5～2.6
>1
1～0.75
0.75～0.50
2.6～1.6
1.6～1.0
<1.0
0.50～0.25
0.25～0.00
<0.00
47
第十一节 直接剪切试验
直接剪切试验是利用盒式剪切仪，在试样上施加竖向压力，在固定的剪切
面上施加水平剪力，使土样剪切破坏，直接测定总抗剪强度指标的一种方法。
本试验适用于细粒土。
土的抗剪强度是指土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大
剪应力。用库仑定律表示为：τ =c+σ tanϕ
式中：τ ——土的抗剪强度（kPa）； c——土的粘聚力（kPa）；
σ——作用于剪切面上的法向应力（kPa）；ϕ——土的内摩擦角（。）
直剪试验按固结及剪切速率分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。实
际应用要按土的性质、施工条件和运用条件确定。直剪试验所测得的为总应力
强度参数，只适用于总应力分析法。
图 3.11-1 应变控制式直剪仪
1—剪切传动机构；2—推动器；3—下盒；4—垂直加压框架；5—垂直位移计；6—传压板；
7—透水板；8—下盒；9—储水盒；10—测力计；11—水平位移计；12—滚珠；13—试样
一、仪器设备
1 应变控制式直剪仪（如图 3.11-1）：由剪切盒、垂直加压设备、剪切传
动装置、测力计、位移量测系统组成。
48
2 环刀：内径 61.8mm，高度 20mm。
3 位移量测设备：百分表（量程 10mm，分度值 0.01mm）或传感器。
二、试验要点
（1）直剪试验应采用Ⅰ级原状土样。
（2）固定剪切容器上下盒，将环刀内试样对准剪切盒口，小心推入剪切盒
内。试样上下的透水板和滤纸的湿度应接近试样湿度。
（3）调整传动装置，安装垂直位移和水平位移量测表。施加垂直压力，慢
剪及固结快剪试验每 1h 测读垂直变形一次，直至试样固结变形达到每小时不大
于 0.005mm 的稳定标准。
（4）拔去固定销，以按表 3.11 所列的剪切速度进行剪切。试样每产生剪
切位移 0.2～0.4mm 测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继
续剪切至剪切位移达到 4～6mm 时停机。
剪 切 速 度 表 3.11
剪切方法 慢剪试验 固结快剪试验 快剪试验
剪切速度（mm/min） 0.02 0.8 0.8
剪损时间（min） 计算 3～5 3～5
（5）剪切结束，测定试样含水率。
三、资料整理
1. 计算剪应力 τ（kPa），计算式如下：
100
×⋅
=A
RCτ
式中 C——测力计率定系数（N/0.01mm）
R——测力计读数（0.01mm）
2. 绘制剪应力与剪切位移关系曲线（图 3.11-2），取曲线上的剪应力峰值
为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移 4mm 对应的剪应力为抗剪强度。
49
图 3.11—2 剪应力与剪切位移关系曲线
图 3.11—3 抗剪强度与垂直压力关系曲线
3. 绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线（图 3.11-3），直线的倾角为摩擦角，
直线在纵坐标上的截距为粘聚力。
第十二节 黄土湿陷试验
土的湿陷性试验适用于各种黄土类土，用于测定土的湿陷系数、自重湿陷
系数和湿陷起始压力等反映其湿陷特性的力学指标。湿陷性黄土湿陷变形是在
垂直荷载和浸水的共同作用下，由于土体结构的破坏而产生的垂直变形，这种
湿陷变形，即使在其压缩变形稳定后，一旦浸水仍然发生。这是黄土的重要特
50
性。
湿陷系数δs：试样在天然湿度下，分级加荷至规定压力，变形稳定后，试
样浸水饱和，浸水后试样的附加变形于试样原始高度之比即为湿陷系数δs。当
δs≥0.015，定为湿陷性黄土，当δs<0.015，定为非湿陷性黄土。
自重湿陷系数δzs：试样在天然湿度下，分级加荷至试样上覆土层的饱和
自重压力，待变形稳定后，试样浸水饱和，浸水后试样的附加变形于试样原始
高度之比即为自重湿陷系数δzs。
湿陷性黄土地基在某一压力下浸水开始出现湿陷时，此压力即为湿陷起始
压力 Pah。
一、仪器设备
本试验采用的仪器设备同固结试验。环刀面积为 50cm2。透水石的湿度应
接近试样的天然湿度。
二、试验要点
1. 试验土样的质量等级应为Ⅰ级不扰动土样。
2. 试样在天然湿度下分级加荷至试样的规定压力下沉稳定后，试样浸水饱
和，待附加下沉稳定后，试验终止。试样浸水前和浸水后的稳定标准，应为每
小时的下沉量不大于 0.01mm。
3. 湿陷系数试验压力：
（1）压力等级按 50、100、150、200kPa 分级施加。
（2）在 200kPa 以上，每级压力增量为 100kPa。
（3）最后一级压力按取土深度确定：从基础底面（基底标高不确定时，自
地面下 1.5m）至 10m 深度以内，压力为 200 kPa，10m 以下至非湿陷性土层顶
面，应用其上覆土的饱和自重压力。当大于 300 kPa 时，仍应用 300 kPa。
（4）当基底压力大于 300 kPa 时（或有特殊要求的建筑物），宜按实际压
力确定。
（5）对压缩性较高的新近堆积黄土，基底下 5m 以内的土层宜用 100～150
kPa 压力，5～10m 应用 200 kPa 压力， 10m 以下至非湿陷性黄土层顶面，应
用上覆土的饱和自重压力。
51
4. 自重湿陷系数试验加压至土的饱和自重压力。当饱和自重压力不大于 50
kPa 时，可一次施加，当压力大于 50 kPa 时，应分级施加，每级压力不大于 50
kPa，每级压力时间不少于 15min。加至饱和自重压力，待试样变形稳定后，浸
水饱和，测定浸水变形量。
5. 测定湿陷起始压力可采用单线法压缩试验或双线法压缩试验。
（1）单线法压缩试验不应少于 5 个环刀试样，均在天然湿度下分级加荷，
分别加至不同的规定压力，下沉稳定后，各试样浸水饱和，待浸水变形稳定，
终止试验。
（2）双线法压缩试验应取 2 个环刀试样，分别对其施加相同的第一级压力。
下沉稳定后其中一个试样保持在天然湿度下分级加荷，加至最后一级压力，下
沉稳定后，试样浸水饱和，待浸水变形稳定，终止试验。另一个试样浸水饱和，
附加变形稳定后再与第一个试样以同等压力级别加荷至规定压力，下沉稳定后，
终止试验。
（3）压力等级，在 150 kPa 以内，每级增量为 25～50 kPa；150 kPa 以上，
每级增量为 50～100 kPa。
三、资料整理及成果应用
1. 湿陷系数δs 和自重湿陷系数δzs 的计算式为：
δs=0
21
hhh − δzs=
0
'h
hh zz −
h0——试样原始高度(mm);
h1——在某级压力下，试样变形稳定后的高度(mm)；
h2——在某级压力下，试样浸水湿陷变形稳定后的高度(mm)；
hz——在饱和自重压力下，试样变形稳定后的高度(mm)；
h’z——在饱和自重压力下，试样浸水湿陷变形稳定后的高度(mm)。
2. 确定湿陷起始压力 Psh：
52
单线法试验：利用 5 个试样试验结果计算出不同压力（P）下的湿陷系数(δ
s)，绘制 P～δs 曲线(如图 3.12-1)，从曲线中找出δs=0.015 对应的压力即为湿
陷起始压力 Psh。
双线法试验：利用两个试样
下沉稳定后的变形差，即一个为
天然湿度下的压缩变形量，另一
个为浸水后的压缩变形量之差，
计算出不同压力（P）下的湿陷系
数(δs)，绘制 P～δs 曲线，从曲
线中找出δs=0.015对应的压力即
为湿陷起始压力 Psh。
可见，单线法与黄土变形的实
际情况更为接近。当非自重湿陷性黄土地基上的自重压力和附加压力之和小于
湿陷起始压力时，地基土受水浸湿后不发生湿陷。湿陷起始压力愈小则湿陷性
表现的愈强烈；反之，如湿陷起始压力愈大则反映湿陷性较弱。
第十三节 渗透试验
渗透是液体在多孔介质中运动的现象，渗透系数是表达这一现象的定量指
标，渗透试验的目的就是测量土的渗透系数。由于影响渗透系数的因素十分复
杂，目前室内和现场用各种方法所测定的渗透系数，仍然是个比较粗略的数值。
渗透试验的室内试验方法很多，以其原理分为两大类：常水头法和变水头
法。常水头渗透试验适用于粗粒土，变水头渗透试验适用于细粒土。
一、试验仪器
1 常水头渗透仪：由金属封底圆筒（内径 10cm，高 40cm，当使用其他尺
寸的圆筒时，圆筒内径应大于试样最大粒径的 10 倍。）、金属孔板、滤网、测压
管和供水瓶组成。常水头渗透装置如图 3.13-1。
图 3.12-1 湿陷系数与压力关系曲线
53
图 3.13-1 常水头渗透装置
l--金属圆筒；2--金属孔板；3--测压孔；4--测压管；5--溢水孔；6--渗水孔；7--调节管； 8--滑动架；9--供水管；10--止水夹；11--温度计；12--砾石层； 13--试样；
14--量杯；15--供水瓶
2. 变水头试验：环刀（内径 61.8mm，高 40mm）、渗透容器、变水头管、
供水瓶、进水管等。变水头管的内径应均匀，管径不大于 lcm，管外壁应有最
小分度为 1.0mm 的刻度，长度宜为 2m 左右。变水头渗透装置如图 3.13-2。
54
图 3.13-2 变水头渗透装置
1 渗透容器；2 进水管夹；3 变水头管；4 供水瓶； 5 接水源管；6 排气水管；7 出水管
二、试验要点
1. 本试验采用的纯水，应在试验前用抽气法或煮沸法脱气，试验时的水温
宜高于试验室温度 3～4℃，以防水中气体分离形成气泡堵塞土的孔隙，降低渗
透系数。
2. 常水头渗透试验
（1）按图 3.13-1 所示方法装好仪器，量测滤网至筒顶的高度，将调节管和
供水管相连，从渗水孔向圆筒充水至高出滤网顶面。
（2）取具有代表性的风干土样 3～4kg，测定其风干含水率。将风干土样
分层装入圆筒内，每层 2～3cm，根据要求的孔隙比，控制试样厚度。当试样中
含粘粒时，应在滤网上铺 2cm 厚的粗砂作为过滤层，防止细粒流失。每层试样
装完后从渗水孔向圆筒充水至试样顶面，最后一层试样应高出测压管 3～4cm，
并在试样顶面铺 2cm 砾石作为缓冲层。当水面高出试样顶面时，应继续充水至
溢水孔有水溢出。
55
（3）量试样顶面至筒顶高度，计算试样高度，称剩余土样的质量，计算试
样质量。
（4）检查测压管水位，当测压管与溢水孔水位不平时，用吸球调整测压管
水位，直至两者水位齐平。
（5）将调节管提高至溢水孔以上，将供水管放入圆筒内，开止水夹，使水
由顶部注入圆筒，降低调节管至试样上部 1／3 高度处，形成水位差使水渗入试
样，经过调节管流出。调节供水管止水夹，使进入圆筒的水量多于溢出的水量，
溢水孔始终有水溢出，保持圆筒内水位不变，试样处于常水头下渗透。
（6）当测压管水位稳定后，测记水位。并计算各测压管之间的水位差。按
规定时间记录渗出水量，接取渗出水量时，调节管口不得浸入水中，测量进水
和出水处的水温，取平均值。
（7）降低调节管至试样的中部和下部 1／3 处，按本条（5）、（6）款的步
骤重复测定渗出水量和水温，当不同水力坡降下测定的数据接近时，结束试验。
（8）根据工程需要，改变试样的孔隙比，继续试验。
3. 变水头渗透试验
（1）按规定制备试样，测定试样的含水率和密度。
（2）将装有试样的环刀装入渗透容器，用螺母旋紧，要求密封至不漏水不
漏气。对不易透水的试样，应进行抽气饱和；对饱和试样和较易透水的试样，
直接用变水头装置的水头进行试样饱和。
（3）将渗透容器的进水口与变水头管连接，利用供水瓶中的纯水向进水管
注满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水
中无气泡，关排水阀，放平渗透容器，关进水管夹。
（4）向变水头管注纯水。使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏
松程度确定，一般不应大于 2m，待水位稳定后切断水源，开进水管夹，使水
通过试样，当出水口有水溢出时开始测记变水头管中起始水头高度和起始时间，
按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温。
（5）将变水头管中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变
化，重复试验 5～6 次。当不同开始水头下测定的渗透系数在允许差值范围内时，
56
结束试验。
三、资料整理
1. 常水头渗透试验按下式计算：
AHtQLkT =
式中 kT——水温为 T℃时试样的渗透系数(cm／s)；
Q——时间 t 秒内的渗出水量(cm。)；
L——两测压管中心间的距离(cm)；
A——试样的断面积(cm2。)；
H——平均水位差(cm)；
t——时间(s)。
2. 变水头渗透系数按下式计算：
2
1
12
log)(
3.2HH
ttAaLkT −
=
式中 a——变水头管的断面积(cm2)；
L——渗径，即试样高度(cm)；
t1，t2——分别为测读水头的起始和终止时间(s)；
H1，H2——起始和终止水头。
3. 按下式计算标准温度 20℃下的渗透系数：
2020 η
ηTTkk =
式中 k20——标准温度时试样的渗透系数(cm／s)；
Tη ——T℃时水的动力粘滞系数（kPa·s）；
20η ——20℃时水的动力粘滞系数（kPa·s）；
第十四节 承载比试验
承载比试验是通过测定土承受标准贯入探头贯入土中时土相应的承载比
57
CBR。CBR 值是指采用标准尺寸的贯入杆贯入试样中 2.5mm 时，所需的荷载
强度与相同贯入量时标准荷载强度的比值。
承载比 CBR 是路基和路面材料的强度指标，是柔性路面设计的主要参数之
一。室内承载比试验与击实试验结合进行，适用于扰动土 CBR 值的测定。
本试验采用的试样筒高度为 166mm，除去垫块高度 50mm，试样实际高度
为 116mm。制样按五层击实时，土样颗粒粒径宜不大于 20mm，采用三层击实
制样时，最大粒径不大于 40mm。
一、仪器设备
1. 试样制备击实设备：同重型击实试验；
2. 膨胀量测定装置，由三脚架和位移计组成(图 3.14-1 所示)；
3.带调节杆的多孔顶板，板上孔径宜小于 2mm (图 3.14-2 所示)。
4. 贯入仪(图 3.14-3 所示)；
5. 荷载块(直径 150mm，中心孔眼直径 52mm，每块质量 1.25kg，共 4 块，
并沿直径分为两个半圆块， 图 3.14-4 所示)等。
二、试验要点
1. 试样制备
58
（1）取代表性试样测定风干含水率，按击实试验对应方法进行重型击实试
验，测定试样的最大干密度和最优含水率。
（2）按最优含水率备样，进行重型击实试验(击实时放垫块)制备 3 个试样，
若需要制备 3 种干密度试样，应制备 9 个试样，试样的干密度可控制在最大干
密度的 95％～100％。击实完成后试样
超高应小于 6mm。
2. 浸水膨胀试验
（1）将一层滤纸铺于试样表面，
放上多孔底板，并用拉杆将试样筒与多
孔底板固定。倒转试样筒，在试样另一
表面铺一层滤纸，并在该面上放上带调
节杆的多孔顶板，再放上 4 块荷载板。
（2）将整个装置放入水槽内(先不
放水)，安装好膨胀量测定装置，并读
取初读数。向水槽内注水，使水自由进
入试样的顶部和底部，注水后水槽内水
面应保持高出试样顶面 25mm，通常应
连续浸泡四昼夜，量测浸水后试样的高
度变化。
（3）卸下膨胀量测定装置，从水
槽中取出试样筒，吸去试样顶面的水，
静置 15min 后卸下荷载块、多孔顶板
和多孔底板，取下滤纸，称试样及试样
筒的总质量，并计算试样的含水率及密
度的变化。
3. 贯入试验
（1）将浸水后的试样放在贯入仪的升降台上，调整升降台的高度，使贯入
杆与试样顶面刚好接触，试样顶面放上 4 块荷载块，在贯入杆上施加 45N 的荷
59
载，将测力计和变形量测设备的位移计调整至零位。
（2）施加轴向压力，使贯入杆以 l～1.25mm／min 的速度压入试样，测定
测力计内百分表在指定整读数(如 20，40，60 等)下相应的贯入量，使贯入量在
2.5mm 时的读数不少于 5 个，试验至贯入量为 10～12.5mm 时终止。
4 本试验应进行 3 个平行试验，3 个试样的干密度差值应小于 0.03g／cm3。
当 3 个试验结果的变异系数大于 12％时，去掉一个偏离大的值，取其余 2 个结
果的平均值，当变异系数小于 12％时，取 3 个结果的平均值。
三、试验成果计算及应用
1 根据浸水后试样的高度变化，按下式计算膨胀量：
1000
×∆
=hhw
wδ
式中 δw——浸水后试样的膨胀量(％)；
△hw——试样浸水后的高度变化(mm)；
h0——试样初始高度(116mm)。
2. 以单位压力为横坐标，贯入量
为纵坐标，绘制单位压力与贯入量关
系曲线(图 3.14-5)，图上曲线 l 是合
适的，图上曲线2的开始段呈凹曲线，
应按下列方法进行修正：通过变曲率
点引一切线与纵坐标相交于 o′点，o′
点即为修正后的原点。
3. 承载比应按下式计算：
（1）贯入量为 2.5mm 时
10070005.2 ×=
pCBR
式中 CBR2.5——贯入量为 2.5mm 时的承载比(％)；
p——单位压力(kPa)；
7000——贯入量 2.5mm 时所对应的标准压力(kPa)。
60
（2） 贯入量 5.0mm 时
100105000.5 ×=
pCBR
式中 CBR5.0——贯入量为 5.0mm 时的承载比(％)；
10500——贯入量 5.0mm 时所对应的标准压力(kPa)。
当贯入量为 5mm 时的承载比大于贯入量 2.5mm 时的承载比时，试验应重
做。若数次试验结果仍相同时，则采用 5mm 时的承载比。
4. CBR 试验成果应用于公路和机场跑道的设计时，根据土的类别能求得跑
道和路面的总厚度。
第十五节 回弹模量试验
回弹模量试验主要应用于公路和机场跑道等填方工程，其目的是在规定的
压力下进行加载和卸载，测定试样的回弹变形量，以确定土的回弹模量。
回弹模量试验有两种方法：杠杆压力仪法和强度仪法。前者适用于不同含
水率和密度的细粒土，尤其适用于含水率较大、硬度较小的细粒土；后者适用
于不同含水率和密度的细粒土及其加固土，尤其适用于硬度较大的土。
一、试验仪器
1. 杠杆压力仪法：杠杆压力仪（最大压力 1500N）、试样筒（同击实试验）、
承压板（直径 50mm，高 80mm）、千分表、秒表等。如图 3.15-1～图 3.15-3 所
示
2. 强度仪法：路面材料强度仪（与承载比试验的贯入仪相同）、试样筒（同
击实试验）、承压板（直径 50mm，高 80mm）、量表支杆及表夹、千分表等。
61
图 3.15-1 杠杆压力仪
1 调平砝码；2 千分表；3 立柱；4 加压杆；5 水平杠杆； 6 水平气泡；7 加压球座；8 底座水平气泡；9 调平脚螺丝；10 加压架
二、试验要点
1. 试样制备
按击实试验
要求制备试样，根
据工程要求选择
轻型或重型击实
法，得出最优含水
率和最大干密度。
然后按最优含水
率备样，同击实方
法制备试件。
2. 杠杆式压
力仪法
（1）将装有试样的试样筒放在杠杆压力仪上，将承压板放在试样中心位置，
62
并与杠杆压力仪的加压球座对正，将千分表固定在立柱上，并将千分表的测头
安放在承压板的支架上。
（2）对试样用预定的最大压力进行预压，含水率大于塑限的试样，压力为
50～l00kPa；含水率小于塑限的试样，压力为 100～200kPa。预压应进行 1～2
次，每次预压 lmin，预压后调整承压板位置，并将千分表调到零位。
（3）将预定的最大压力分为 4～6 级进行加压，每级压力加载时间为 1min，
记录千分表读数，同时卸压，当卸载 lmin 时，再次记录千分表读数，同时施加
下一级压力，如此逐级进行加压和卸压，并记录千分表读数，直至最后一级压
力，为使试验曲线的开始部分比较准确，第一级压力可分成二小级进行加压和
卸压，试验中的最大压力可略大于预定的最大压力。
3. 强度仪法
（1）将装有试样的试样筒放在强度仪的升降台上，承压板放在试样表面中
心位置，安装千分表，使千分表测头安放在承压板两侧的支架上。
（2）摇动摇把，用预定的最大压力进行预压，预压方法同上。
（3）将预定的最大压力分成 4～6 级，每级压力折算成测力计百分表读数，
然后逐级加压、卸压，方法同杠杆式压力仪法。当试样较硬，预定压力偏小时，
可以不受预定压力的限制，增加加压级数至需要的压力为止。
4. 回弹变形一般很小，尤其在加荷开始阶段，如用百分表估读误差较大，
故测定变形量应用千分表。
5. 本试验需进行 3 次平行
测定，每次试验结果与回弹模量
的均值之差应不超过 5％。
三、成果整理与应用
1. 以单位压力 p 为横坐
标，回弹变形 l 为纵坐标，绘制
单位压力与回弹变形曲线如图
3.15-4。试样的回弹模量取 p～l
曲线的直线段计算，对较软的土，
图 3.15-4 单位压力与回弹变形(p～l)的关系曲线
63
如果 p～l 曲线不通过原点允许用初始直线段与纵坐标的交点作为原点，修正各
级压力下的回弹变形。
2. 每级压力下的回弹模量应按下式计算
)1(4
2µπ−=
lpDEe
式中 Ee——回弹模量(kPa)；
p——承压板上的单位压力(kPa)；
D——承压板直径(cm)；
l——相应于该级压力的回弹变形(加压读数一卸压读数)；
μ——土的泊松比，取 0.35。
第十六节 水、土化学简分析及腐蚀性评价
在岩土工程中，对水、土的化学特性进行分析试验，其主要目的是对水土
的腐蚀性进行评价。化学分析试验是通过物质间的化学反应或物理化学反应、
光化学反应现象，确定土中需要测定的物质成分。土化学分析试验的项目主要
包括易溶盐总量及其组成离子（CO23
-、HCO-3、C1-、SO2
4-、Ca2+、Mg2+、Na+、
K+）的测定，中溶盐、难溶盐、游离 CO2、土的酸碱度测定等。水质简分析是
水质主要阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）和主要阳离子（C1-、SO24-、HCO-
3）、
pH 值、游离 CO2、侵蚀性 CO2、总碱度、总矿化度的分析。
易溶盐是指土浸泡在水中容易浸提出来的盐分，包括全部氯化物、易溶的
硫酸钾、钠和钾钠碳酸盐与重碳酸盐等。
中溶盐是指在水中溶解度较小的盐类，存在于土中的中溶盐主要为石膏。
难溶盐是指水中几乎不溶解的盐类，如碳酸钙、碳酸镁等。
可溶性盐类包括易溶盐、中溶盐和难溶盐。
酸碱度通常以氢离子浓度的负对数，即 pH 表示。
土中的可溶性盐类、水中的主要阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）和主要
阳离子（C1-、SO24
-、HCO-3）等物质成份在不同环境、不同气候条件下会影响
64
土的工程性质、对混凝土结构、混凝土结构中的钢筋及钢结构产生腐蚀性影响。
一、水、土腐蚀性试验取样要求
1. 当砼或钢结构处于地下水位以下时，应采取地下水试样和地下水位以上
不同深度的土试样，分别作腐蚀性试验。
2. 当砼或钢结构处于地下水位以上时，应采取土试样作土的腐蚀性试验。
3. 当砼或钢结构处于地表水中时，应采取地表水试样，作水的腐蚀性试验。
4. 勘察期间不能确定建筑结构地下埋设情况时，应对勘察深度范围内的
水、土均进行腐蚀性试验。
5. 水、土的取样数量每个场地不应少于各 2 件，对建筑群不宜少于各 3 件。
二、腐蚀性试验项目、试验方法及用途
水、土的腐蚀性试验项目、试验方法及用途详见表 3.16-1
水、土的腐蚀性试验项目、试验方法及用途 表 3.16-1
序号 试验项目 试验对象 成果应用 试验方法
1 2 3 4 5 6 7
pH 值 Ca2+
Mg2+
C1- SO2
4
HCO-3
CO23-
水、土 土的腐蚀
性评价 水的腐蚀
性评价
电位法或锥形电极法 EDTA 容量法 EDTA 容量法
摩尔法 EDTA 容量法或质量法
酸滴定法 酸滴定法
8 9
侵蚀性 CO2
游离 CO2 水
水的腐蚀性评价
盖耶尔法 碱滴定性
10 11 12
NH+4
OH-
总矿化度
严重污染
水
钠氏试剂比色法 酸滴定法 计算法
13 14 15 16
氧化还原电位 极化曲线 电阻率 质量损失
土 土对钢结构的腐蚀性评
价
铂电极法 原位极化法 四极法 管罐法
65
三、试验技术要求
关于土的可溶性盐类、酸碱度试验的步骤和要点、含量计算公式和注意事
项等，请参见国家标准《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）。
四、腐蚀性评价
水和土对混凝土结构、钢结构等的腐蚀性评价方法、评价等级执行《岩土
工程勘察规范》（GB50021-2001（2009 年版））的相关规定。
66
第四章 室内岩石试验
室内岩石试验对象应具有地质代表性。岩石试验内容、试验方法、技术条
件等应符合工程建设勘察、设计、施工的基本要求和特性。
第一节 岩相鉴定
用偏光显微镜进行岩相鉴定时，要选取代表性岩石样品先制成薄片，再在
镜子下进行观察。
一、仪器设备
岩相鉴定的仪器主要是偏光显微镜，目前国产的XP1(L)型透反射光显微镜，
总放大倍数 40X～10000X，微动调焦范围大于 2mm，微动刻度划分为 0.002mm，
基本能符合岩相鉴定的要求。
二、制片
制作薄片时，先将试件用金刚石锯片切成 30mm×25mm×4mm 的岩片毛
胚(一般 30mm×25mm 的平面为垂直层面方向)。将毛胚在粗磨盘上磨平整，再
在细磨盘上将一面磨光，磨光面要求很平整，目视有镜面反光。然后用加拿大
树胶或冷杉胶将光面粘在载物片上，再将未粘结的面在磨片机上先粗磨后细磨，
直至将岩片磨成等于或小于 0.03mm 厚为止。而且厚度要均匀，最后用加拿大
树胶或冷杉胶盖上盖物片，薄片厚度的鉴定，是将磨制的岩片放在偏光显微镜
下观测，当石英的干涉色呈灰白色，说明制片厚度已达到鉴定要求，如果石英
干涉色为一级黄色或紫红色时，薄片厚度仍大于 0.03mm，则需继续研磨，直
至干涉色达到灰白色为止。
在磨制不透明矿物的薄片时，要将磨得很平整的岩片光面置于抛光机上抛
光，要求抛光面(鉴定面)基本无凸起。
67
对于风化或软弱岩石，在磨片前将切好的岩片毛胚放人胶锅进行煮胶，使
之胶结。
切片剩余的试件应作为标本保存，供肉眼鉴定时用。
三、矿物成分及含量的测定
测定岩石矿物质和胶结物的成分与含量，主要是根据矿物的光学特性和晶
形，少量的铁质矿物可在遮光下简单地测定，采用的手段有单偏光、正交偏光
及聚敛光等。在单偏光下，可分析矿物的形态、颗粒大小、节理、颜色、多色
性、吸收性、矿物边缘、贝克线、糙面及突起，矿物的数量比和包裹体等。在
正交偏光下，可分析矿物的消光现象消光位、干涉色、光率体椭圆半径方向和
名称、延长符号、双晶等。在聚敛光下，可分析矿物正负一、二轴晶的光性和
光轴角等。通过上述测定，即可确定岩石所含矿物成分，并可用求积台或目估
法测定各种矿物成分及胶结物含量。
四、粒度测定
矿物(颗粒)粒度是岩石结构的主要特征，包括矿物的大小、形状、结晶程
度、重结晶和蚀变等。在单偏光下测定矿物大小，是先用测微尺标定各放大倍
数下的目镜尺，然后将矿物置于目镜尺下进行测定。在测定中必须注意，要选
择矿物的最大切面，使测定结果比较符合实际。
沉积岩的粒度，目前通用 φ标准，φ标准是克鲁宾(1934)根据伍登--温德华
的粒级标准的对数变换而来，定义为：
φ=－log2 d
式中 d——颗粒直径(mm)。
伍登-温德华的粒级是以 1mm 为基数，公比为 2 的几何级数，据此划分沉
积岩的粒级见下表 4.1-1：
68
φ 值粒级划分表 表 4.1-1
颗粒大小（mm） ϕ值 颗粒大小（mm） ϕ值
砾
32（25） 16（24） 8（23） 4（22） 2（21）
－5 －4 －3 －2 －1
砂 0.125(2－3) 0.063(2－4)
＋3 ＋4
粉砂
0.0315(2－5) 0.0157(2－6) 0.0078(2－7) 0.0039(2－8)
＋5 ＋6 ＋7 ＋8
砂 1（20）
0.5（2－1） 0.25（2－2）
＋0 ＋1 ＋2
泥 0.0020(2－9) 0.0010(2－10)
＋9 ＋10
岩浆岩的粒度，晶粒大于 5mm 为粗粒结构，2～5mm 为中粒结构，0.2～
2mm 为细粒结构，小于 0.2mm 为微粒结构，晶粒很大的矿物则称为巨晶(粒)
或伟晶。
变质岩是由沉积岩或岩浆岩变质而成，其粒度分别按沉积岩或岩浆岩确定。
矿物的形态在单偏光下进行测定。沉积岩的形态，包括圆度、球度和形壮
三个方面。一般用圆度分级：圆度等于 0 为棱角状；圆度等于 1 为次棱角状；
圆度等于 2 为次圆状；圆度等于 3 为圆状。岩浆岩的矿物形态，主要是指结晶
程度：岩石全部由已结晶的矿物组成为全晶质结构；几乎全部由未结晶的火山
玻璃所组成，为玻璃质结构；岩石由部分晶体和部分玻璃质组成，为半晶质结
构。晶体具完整的边界称自形；不完整边界(如圆状、港湾状)称他形；部分边
界完整，部分边界不完整，称半自形。
重结晶是沉积岩在成岩过程中，碎屑颗粒和同成分胶结物的组分，局部熔
解结成较大晶粒，如石英颗粒加大的重结晶，长石与同成分黏土矿物局部熔解
加大的重结晶等，重结晶现象可在单偏光和正交偏光下进行分析。
矿物的蚀变是矿物质在地质作用和自然风化作用所产生的变化，如正长石
蚀变为高岭土；斜长石蚀变为绢云母或绿泥石；角闪石、辉石蚀变为绿泥石；
蛭石、橄榄石蚀变为蛇纹石、石棉等。因此，在单偏光和正交偏光下研究矿物
蚀变及结构变动，可以判断岩石的风化程度和风化条件。
69
五、结构与构造观察
岩石结构，一般认为是指岩石中矿物(颗粒)的粒度、形态和晶体之间的相
互关系等特征，沉积岩按 φ标准分为砾状结构、砂状结构、粉砂结构、泥质结
构。据此可确定砾岩、砂岩、粉砂岩、黏土岩等岩类，岩浆岩中的全晶质、半
晶质、玻璃质结构可确定侵入、喷出相岩类，再根据石英(SiO2)含量确定酸性、
中性、基性、超基性岩类。
岩石的构造是岩石中矿物(颗粒)集合体在空间排列方式和充填方式所表现
出来的特点。沉积岩石的层状构造，岩浆岩中的流纹状构造，变质岩中的片状
构造、片麻状构造、千枚状构造等，都是确定岩类的重要依据。
影响结构的主要因素是形成岩石时的物理化学条件(温度、压力、黏度等)。
影响构造的主要因素除了岩石所含成分的本身特点外，还与岩石形成时的地质
因素有关。因此，对岩石的结构和构造的岩相鉴定，可以研究岩石形成过程中
的特点。
六、微裂隙与孔隙的测定
岩石微裂隙(长度、宽度、密度、形状)和孔隙(形态、孔隙度)要在单偏光和
正交偏光下测定。岩石的微裂隙与孔隙直接影响岩石的物理力学性质，并可用
于判断岩石的风化程度，因此，岩相鉴定中应予以充分重视。
第二节 岩石空隙性质试验
岩石空隙，包括闭合孔隙和开型空隙，两者的和称为岩石总空隙，岩石空
隙的力学效应，是降低强度和增加变形性，特别是开型空隙与外界连通，能被
水或空气所充填，对岩石性质的改变比较敏感，可以用以判断岩石的风化情况。
岩石空隙率，通常用实测颗粒密度和干密度计算。
n = 1001 ×
−
ws
d
G ρρ
式中 n——空隙率(％)；
dρ ——岩石块体干密度(g／cm3)；
70
wρ ——试验条件下水的密度(g／cm3)；
sG ——岩石颗粒密度。
一、含水率试验
岩石含水率，是指试件在 105～110℃温度下烘至恒量时失去的水分质量与
达到恒量时试件干质量的比值，以百分数表示。
在含水率试验中，“水”的含义是指“空隙”水或“自由”水，而不包括矿
物结晶水，因此对于含有结晶水矿物组成的岩石，应降低烘干温度进行测定，
《水利水电工程岩石试验规程》建议这类岩石的烘干温度宜控制在 40±5℃左
右。岩石含水率试验基本要求如下。
1. 试验设备：①天平（称重 500g，感量 0.01g）；②烘箱；③称量盒；④干
燥器。
2. 含水率试验应采用烘干法，并适用于不含结晶水矿物的岩石。
3. 试样应符合以下要求：
（1） 含水率试验一般是测定黏土质岩石在地质环境中的自然含水状态，
因此试件必须保持天然含水率，取样不得采用爆破或湿钻，在取样、运输、储
存和试件制备过程中，试件含水率的损失不宜超过 1％；
（2） 每块试样的尺寸均应大于组成岩石最大矿物颗粒的 10 倍；
（3） 每块试样的质量不得小于 40g；
（4） 每组试验试样的数量不宜少于 5 个。
4. 试样描述应包括以下内容：
（1） 岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度、胶结物性质等；
（2） 为保持试样含水状态所采取的措施。
5. 试验步骤：
（1） 在室温条件下称出称量盒的质量 m0，称量盒应清洁、干燥；
（2） 将保持含水状态的岩石试样置于称量盒中，并称盒加试样的质量
m1；
（3） 将盛有试样的称量盒放入烘箱，在 105~110℃恒温下烘 24h；
（4） 从烘箱中取出称量盒，待冷却至室温称量盒加干试件的质量 m2。
71
6. 资料整理
用下式计算岩石天然含水率：
ω = %10002
21×
−−
mmmm
式中：ω—为含水率；
m0—称量盒质量（g）；
m1—盒加原含水状态试样的质量（g）；
m2—盒加干试样的质量（g）。
二、颗粒相对密度试验
岩石颗粒密度是试件干质量与同体积 4℃时蒸馏水质量的比值，用比重瓶
法和水中称量法测定。
1. 比重瓶法
适用于各类岩石。除含有水溶性矿物岩石用煤油外，其余岩石均采用蒸馏
水作为测试液，岩石颗粒相对密度试验基本要求如下：
（1） 试验仪器设备：
① 粉碎机、瓷研钵、玛瑙研钵、孔径为 0. 25 ㎜的分析筛；
② 比重瓶(容量为 100ml，短颈)；
③ 天平（称量为 200g，感量为 0.001g）；
④ 恒温烘箱和干燥器；
⑤ 真空抽气机和煮沸设备；
⑥ 恒温水槽；
⑦ 温度计。
（2） 试件制备：
① 用粉碎机将岩块碎成粉，用磁铁吸去铁屑，过孔径为 0 .25mm 的分
析筛，取 150～200g 试件；
② 对含磁性矿物的岩石，经粗碎筛分后，取 150～200g 试件，根据耐
磨程度，分别选用玛瑙研钵或瓷研钵细碎，全部通过 0. 25mm 筛。
（3） 试验步骤：
72
① 将制好的试件，于 105～110℃烘不少于 6h，然后放干燥器内冷却
至室温；
② 四分法取两个样，每个试件质量为 15g，装入 100 ml 的短颈比重瓶，
称重量；
③ 注蒸馏水(或煤油)至比重瓶容积的一半，摇动比重瓶，使颗粒分散；
④ 用煮沸法或真空抽气法排气，宜不少于 1h。用煤油时，应采用真空
排气法。真空表读数宜为 100kPa；
⑤ 试件排气后，把经煮沸或真空排气的蒸馏水(或煤油)注入比重瓶内
至近满，置于恒温水槽内使悬液澄清称总质量；
⑥ 倒去试件水，洗净比重瓶，注入煮沸或真空抽气的煤油或蒸馏水，
称质量；
⑦ 本试验必须进行 2 个平行测定，结果取算术平均值，平行误差不得
大于 0.02。
（4） 资料整理：
用下式计算岩石颗粒相对密度：
sG = )G( '0
210 或G
mmmm
s
s×
−+
式中
sG ——岩石颗粒相对密度；
sm ——试件干质量
2m ——瓶、试液、试件的总质量(g)；
1m ——瓶加试液的质量(g)；
0G ——试验温度下蒸馏水的相对密度(比重)。可查表。 '0G = 0
03
04 Gmmmm
×−−
3m ——瓶和煤油的质量(g)；
4m ——瓶和水的质量(g)；
0m ——比重瓶质量(g)。
2. 水中称量法
73
水中称量法试件可采用规则或不规则形状，试件尺寸应大于组成岩石最大
颗粒粒径的 10 倍，每个试件质量不宜小于 150g。
将试件在 105～110℃温度下连续烘干 24h，冷却至室温，称干岩样质量。
饱和试件用真空抽气法对试件强制饱和后，在常温常压下静止 4h，称试件的饱
和质量。将试件放在水中称试件质量，并测水温。
水中称量法试验岩石颗粒密度按下式计算：
wwd
p mmm ρρ−
=
式中： pρ ——颗粒密度(g／cm3)；
wρ ——试验温度下试液密度(g／cm3)；
dm ——试件烘干后的质量(g)；
wm ——强制饱和试件在水中的质量(g)。
三、块体密度试验
岩石块体密度是试件质量与试件体积的比值，按试件含水状态，岩石密度
可分为天然密度、烘干密度和饱和密度。
测定岩石块体密度的方法，可根据岩石类型和试件形态选择，一般能制备
成规则试件的岩石，宜采用量积法；除遇水崩解、溶解和干缩湿胀性岩石外，
均可采用水中称量法；只有不能用量积法或水中称量法测定块体密度的岩石，
才采用蜡封法或高分子树脂胶涂抹法。各种块体密度试验方法要求如下：
量积法是将量测的试件断面积和高度之积，除试件天然或烘干质量，得到
岩石天然块体密度或烘干块体密度；水中称量法，是以饱和试件的空气中称量
与水下称量之差求试件体积，以其除试件干质量或饱和质量，得到岩石烘干块
体密度或饱和块体密度；蜡封法的测试原理与水中称量法相同，仅试件表面增
加蜡封外壳防止水渗入。
用蜡封法测定岩石块体密度是一种传统的方法，但蜡封时要将试件置于温
度较高的熔蜡中，必然影响试件含水率的变化，新变化的高分子树胶涂抹法，
是在常温下封闭试件，能确保试验过程中试件含水率和体积恒定不变，今后代
74
替蜡封法是必然的趋势。
高分子树脂胶的配制，按质量比称取工业用氯乙烯树脂两份和环己酮八份，
将两者倒入玻璃瓶内搅拌均匀，盖好瓶口，待粉末完全溶解呈透明状态即可使
用，储存时要密封，防止环己酮挥发，使用时用毛笔将高分子树脂胶均匀涂在
试件表面，一般涂刷两遍，待溶剂挥发后在试件表面形成一层薄膜。
高分子树脂胶沫法的试验方法与蜡封法相同，仅计算式中的石蜡密度改为
高分子树脂胶的密度。
1. 量积法：
（1）试验仪器设备：
① 切石、钻石和磨石机等制样设备；
② 烘箱、干燥器；
③ 天平(称量 500g 感量 0.01g)；
④ 精度为 0.01mm 的测量平台或其他仪表。
（2）试样制备：
① 试件形状可为圆柱体．方柱体或立方体，直径或边长为 48～54
mm，高度与直径或边长之比为 2 .0～2 .5 ；
② 试件加工精度：沿试件高度方向的直径相差﹤0.3mm；端面不平
整度最大不超过 0.05mm；两端面应垂直试件轴，偏差﹤0.25º；
立方体试件，两相邻面应垂直，偏差﹤0.25º；
③ 每组试件制备三件，不允许缺棱掉角。
（3）试验步骤：
① 试件描述：岩石名称、颜色、成分、结构、构造、风化、胶结、
节理等。
② 试件尺寸测量，并计算其体积 V（量测精确至 00.01mm）；
③ 将试件于 105～110℃温度下连续烘 24h，然后放入干燥器，冷却
至室温，称取试件干质量。
（4）资料整理：
按下式计算岩石干密度：
75
Vms
d =ρ
式中： dρ —— 岩石块体干密度；
sm —— 试件干质量；
V —— 试件的体积。
2. 水中称量法 ：
（1）仪器设备：天平(称量 500g 感量 0.01g)；烘箱；真空抽气装置；水中
称量装置。
（2）试样制备：
① 取不规则试件 3 块以上(试件边长为 40～60mm)。块体湿密度试
验不少于 5 块。
② 规则试件，可用力学性质测试的试件。
（3）试验步骤：①试件描述：岩石名称、颜色、成分、结构、构造、风化、
胶结、节理等；②将试件在 105～110℃温度下连续烘 24h，冷却至室温，称取
干岩样质量；③饱和试件(用真率抽气法对试件强制饱和后，在常温常压下静止
4h)，称试件的饱和质量；④将试件放在水中称量网上，称水中试件质量。
（4）资料整理：
① 按下式计算岩石块体饱和密度：
wwp
ps mm
mρρ ][
−=
式中： pm —— 饱和试件质量（g）；
wm —— 水中试件质量（g）；
② 按下式计算岩石块体干密度：
wwp
sd mm
mρρ ][
−=
式中： sm —— 试件干质量（g）；
③ 按下式计算岩石块体孔隙率：
76
1000 ×−
−=
wp
sp
mmmm
n
3. 腊封法 ：
（1）仪器设备：烘箱、干燥器、电炉；天平（称量 500g 感量 0.01g）；石
蜡、蜡融器皿；水中称量装置。
（2）试样设备：①取不规则试件 3～5 块以上（试件边长为 40～60mm）；
②如需测定天然密度，在拆除密封后立即称试件质量。
（3）试验步骤：
① 试件描述：岩石名称、颜色、成分、结构、构造、风化、胶结、
节理等；
② 将试件在 105～110℃温度下连续烘 24h，冷却至室温，称取干岩
样质量。
③ 试件蜡封(用细线缚平试件，置于约 60℃的蜡液 l～2min，试件表
面均匀涂蜡 1mm 厚，不得有气泡)称质量。
④ 称取蜡封试件在水中的质量(同水中称量法)。
（4）资料整理：
① 按下式计算岩石块体干密度
pw
sd mmmm
m
ρρ
ρ2121 −
−−
=
式中： 1m ——腊封试件在空气中的质量（g）；
2m ——腊封试件在水中的质量（g）；
wρ ——水的密度（g/ cm3）；
pρ ——石蜡的密度（g/ cm3）。
② 按下式计算岩石天然密度
)001.01( ωρρ +=
式中：ω——岩石天然含水率（%）；
ρ ——岩石天然块体密度（g/ cm3）。
77
第三节 岩石水理性质试验
一、吸水性试验
岩石吸水性试验，适用于遇水不崩解、不溶解和不干缩湿胀的岩石。
岩石自然吸水率，是试件在大气压力和室温条件下所吸收水的质量与试件
固体质量的比值，采用自由浸水法测定。岩石饱和吸水率，是试件在强制条件
下最大吸水量与试件固体质量的比值。两者均以百分数表示，岩石吸水率和饱
和吸水率的比值，称为饱水系数，实践中往往用水中称量法，同时测定岩石吸
水率、饱和吸水率、岩石块体密度和开型空隙率。
试件可用规则的或不规则的，试验时，首先将试件置于 105～110℃温度下
烘 24h，取出放人干燥器内，冷却至室温后称量，然后采用自由吸水方式将试
件逐步先注水至试件高度的 1／4 处，以后每隔 2h 分别注水至试验高度的 l／2
和 3／4 处，6h 后全部浸没试件，使之在水下自由吸水 48h，取出拭干水分后称
量，再用煮沸法或真空抽气法对试件进行强制饱和，在原容器内冷却至室温，
或在正常气压下静置 4h，最后将试件置于水中称量的网架上称试件水中质量，
拈去水分称试件的空气中质量。
用表 4.3-1 中公式计算岩石自然吸水率、饱和吸水率、岩石块体密度和开
型空隙率。
岩石各种吸水率计算公式 表 4.3-1
名 称 单位 计算公式 备 注 岩石自然 吸水率
% 1000×
−=
s
sa
mmmω
ms——试件烘干质量（g） m0----试件全部浸入 48h 后，在空气中
称得的质量
mP----试件在煮沸或真空抽气饱和后，
在空气中称得的质量（g）
mW----饱和试件在水中称的质量（g）（计算精确至 0.01）
岩石饱和 吸水率
% 100×−
=s
sPsa
mmmω
岩石开型 空隙率
% 1000
0 ×−−
=wsP
s
mmmmn
岩石块 体密度
个
/cm3 100×−
=wP
sd
mmmρ
78
二、渗透试验
1. 室内岩石渗透试验方法有：
（1）纵向渗透试验，使渗透水流自上而下或自下而上的渗透试验，即单向
渗透试验；
（2）径向辐合渗透试验，将试件置于有压力水的容器中，使其受径向压缩，
渗透水流从试件中心孔内流出；
（3）径向辐射渗透试验，将有压水从导管压入试件中心孔内，使之承受环
向拉力，渗透水流从试件外围流出。
2. 纵向渗透试验
（1）高压渗透仪一般由高压水泵、水气管路、储水器、氮气稳压装置，压
力室和渗透水量测系统组成，不同渗透试验采用不同压力室。
（2）稳压装置是装有氮气减压器的氮气瓶，用于调整储水器内有压水的压
力，使之保持稳定。
（3）纵向渗透试件采用直径与高均为 50mm 的圆柱体。
（4）将制备好的试件置于压力室外的钢环内，用环氧树脂灌满钢环与试件
之间的空隙，再用真空抽气法饱和后放进压力室，拧紧压力室盖板螺丝，用快
速接头与储水器连接，安装测流管，从侧孔注水排气，试验时用高压水泵通过
高压管和供水器向储水器加压，当压力表指针接近指定试验压力时，停止用水
泵加压，打开氮气瓶并用减压器把压力精确调到指定压力使之稳定，观测水流
的渗透并将渗透水收集到有刻度的量筒内。当三次测流基本稳定，提高至下一
级压力，继续进行渗透试验，按此逐级提高压力直至到达要求试验压力为止。
（5）用下式计算各级压力下的渗透系数：
AHQLk =
式中：k——岩石渗透系数(cm／s)；
Q——渗透流量(cm3 /s)；
L——试件高度(cm)；
79
A——试件截面积(cm2)；
H——渗透水头(cm)(根据压力表换算，下游水位忽略不计)。
3. 径向辐合和径向辐射试验
（1）试件均为中心有孔的圆柱体。圆柱体试件的直径 60mm，长 150mm，
在圆柱体中心钻一个直径 12mm 的同心轴向孔，长 125mm，最后把上端 25mm
用环氧树脂胶封闭，中间留一导管与外界联系 。
（2）用真空抽气法将试件饱和后，安装在径向辐合或径向辐射压力室内。
径向辐合试验是将压力室上端有压水进口与储水器连接，而径向辐射试验则将
试件中心导管与储水器连接，安装测流装置后向压力室容器和试件中心孔内注
入无压水排除气体，然后按纵向渗透试验方法进行径向渗透试验，在试件中心
导管(径向辐合试验)或压力室出水口(径向辐射试验)收集渗透水量。
（3）在径向辐合和径向辐射试验中，水在岩石内进行渗流，两者的流网图
相似，同时假定试件的渗透率是均匀和各向同性的，端部效应忽略不计，则渗
透半径为 r 的同心圆柱体的流量 q 为 k2πL(dP/dr)。由于岩石内没有积聚液体，
q 为常数，并等于试件内部(径向辐合)或外部(径向辐射)所接受的供水量 Q。沿
水流的整个长度上积分，得到求渗透系数的关系如下：
1
2ln2 r
rLHQkπ
=
k——径向辐合或径向辐射的渗透系数(cm/s)
Q——渗透水量(cm3/s)
L——试件有效渗透长度(cm)
r2——试样半径(cm)
r1——试样中心孔半径(cm)
H——渗透水头(cm)(根据压力表换算)
4. 根据计算结果，绘制渗透压力与渗透系数的关系曲线。
三、膨胀性试验
1. 试件应在现场采取，并保持天然含水状态，严禁用爆破法或湿钻法取试
样。
80
2. 试件形态，随试验方法而异。自由膨胀试验，一般采用直径或边长 50～
60mm 的圆柱体或立方体，侧向约束试验，要求试件厚度不少于 15mm，或大
于岩石最大颗粒的 10 倍，直径应大于厚度的 4 倍，膨胀压力试验的试件厚度与
径向约束试验相同，而直径只要满足厚度的 2.5 倍即可，两种试验如采用相同
的试件形态，就可用膨胀压力试验仪的容器进行侧向约束的膨胀率试验。
3. 试样制备与试件描述要求同前，但试验过程中及试验结束后，应详细描
述试件的崩解、掉块、表面泥化或软化现象。
4. 自由膨胀率试验：轴向千分表安装在顶部金属板中心，四支横向千分表
安装在试件四周的中部，垂直于试件，试验时慢慢地向容器内注入蒸馏水使之
高出上部透水石，观测千分表读数的变化，第 1 小时内，每隔 10min 测读一次，
以后每隔 1h 测读一次，直到三次读数差不大于 0.001rnm 为止，浸水后试验时
间不得少于 48h。试验过程中，应保持水位不变，用以下公式计算岩石自由膨
胀率。
轴向自由膨胀率： 100×∆
=HHVH
式中：△H——试件轴向膨胀变形(mm)
H——试件原高度(mm)
径向自由膨胀率 100×∆
=DDVD
式中：△D——试件径向平均变形(mm)
D——试件原平均直径或边长
（2）侧向约束膨胀性试验：采用膨胀压力仪的容器。试件放在涂有凡士林
的金属环内使之与环壁紧密贴合，然后将金属环置于容器内，试件上部透水石
上压一固定质量的金属板，并在金属板的中点安装垂直千分表，固定金属板的
质量应能对试件施加 5kPa 的持续压力，向容器内注水使之高于透水石顶面，测
记千分表读数，直到稳定(标准同上)为止。
用下式计算侧向约束膨胀率：
1001×
∆=
HHVHP
81
式中 VHP——侧向约束膨胀率(％)；
△H1——有侧向约束试件的轴向变形(mm)；
H——试件原高度(mm)。
（3）体积不变条件下膨胀压力试验：用膨胀压力仪进行试验，膨胀压力仪
上的传感器，试验前在压力机上进行率定。安装试件时，首先将试件放人内壁
涂有凡士林的金属环内，然后安装在膨胀压力仪容器内并对准中心，最后将组
装好的上压板和传感器安装上，调整测膨胀变形的杠杆千分表，操纵仪器顶部
的螺拴杆向试件施加 0.01MPa 的轴向力，试验时慢慢向容器内注入蒸馏水，直
到淹没上部透水石，观测中心杠杆千分表变形和应变仪接数，在千分表最大变
形不超过 0.001mm 范围内随时调整螺栓杆施加的压力，使试件膨胀变形始终接
近于零，直到应变仪读数稳定为止，根据应变仪读数，按事先率定的关系曲线，
换算成轴向力。
用下式计算岩石膨胀压力：
AFPS =
式中 PS——岩石膨胀压力(MPa)；
F——轴向膨胀力(N)；
A——试件截面积(mm2)。
本试验压力精确至 0.001MPa，计算值取三位有效数字。
四、耐崩解性试验
耐崩解试验仪由圆柱形筛筒、水槽和动力(转动)装置组成，筛筒用 2mm 标
准筛孔铜丝布制成直径 140mm、净长 100mm 的圆柱形筛筒共两个，动力装置
两端各一个。筛筒两端用带有盖子的刚性基盘固定，在使用期间能保持原有形
状。水槽用有机玻璃制成，两个水槽尺寸为 230mm×17mm×150mm，水槽装
有水平轴支撑并能自由旋转的筛筒，水槽内的水面到筛筒轴为 20mm，筛筒基
盘与水槽底之间有 40mm 的自由间距，动力装置由电动机、变速装置和齿轮组
成，电动机的传动能使筛筒按 20r/min 的速度旋转，10min 期间速度保持稳定，
误差在 5％以内。
82
试件采用天然含水率岩石，制成 40～60g 无棱角的浑圆形试件不少于 20
块，每块质量约 40～60g。将制备好的试件装在试验圆柱筛筒内，每端装一个，
置于 105～110℃的温度下烘 24h，在干燥器内冷却至室温后称筛圆筒和残留试
件的合质量，水槽内注入蒸馏水，水位在筛筒轴以下 20mm，水温保持 20±2℃，
把装试件的圆筒放到水槽上，启动电动机使圆筒转动 10min，取下圆筒置于烘
箱内烘 24h，冷却后称圆筒和残留试件的质量。按上述步骤做第二个循环试验，
对于耐崩解性高的岩石，可连续做 3～5 个循环试验，收集水槽内全部已崩解试
件，用土工试验方法测定液限、塑限和颗粒级配，必要时可进行黏土矿物分析。
用下式计算岩石耐崩解性指数：
1002 ×=s
rd
mmI
式中 Id2——岩石(二次循环)耐崩解性指数(％)；
m r——原试件烘干质量(g)；
m s——第二个循环后残留试件烘干质量(g)。
岩石耐崩解性用第二个循环的 Id2 表示，根据需要可绘制各耐崩解指数与循
环次数关系图和耐崩解指数 Id2 与塑性指数 IP 分类图。
五、冻融试验
当岩石吸水率小于 0.05％时，不必进行冻融试验，否则需进行冻融试验。
试件为标准试件，直径为 48～54mm，高径比为 2.0～2.5。对于遇水崩解、
溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制备。
试件的干燥、吸水、饱和处理及称量同吸水率试验。之后取三块饱和试件
进行冻融前的单轴抗压强度试验，将另三块饱和试件放置入镀锌薄钢板盒内
(210mm×210mm×210mm)的钢丝架(9 格)，一起放入低温冰箱内，在－20±2℃
温度下冻 4h，然后取出镀锌薄钢板盒，往盒内注水浸没试件，水温应保持在 20
±2℃，溶解 4h，即为一个循环。根据工程需要确定冻融循环次数，以 20 次为
宜，严寒地区不应少于 25 次。冻融循环结束后，从水中取出试件拭干表面水分
并称量，进行单轴抗压强度试验。冻融指标包括冻融质量损失率和冻融系数，
如表 4.3-2 所示。
83
岩石冻融指标计算公式 表 4.3-2
冻融指标 单位 计算公式 备 注
冻融质量 损失率
% 100×−
=s
fsf
mmmL
APR s
s = ；APR f
f =
Rs——冻融前的饱和单轴抗压强度(MPa) Rf——冻融后的饱和单轴抗压强度(MPa) ms——冻融试验前试件饱和质量(g) mf——冻融试验后试件饱和质量(g ) Ps——冻融前的饱和试件破坏载荷(N) Pf——冻融后的饱和试件破坏载荷(N) A——垂直于加载方向的试件横截面积
(mm2)
R f——冻融试验后的饱和单轴抗压强度
平均值(MPa)
R s ——冻融试验前的饱和单轴抗压强度
平均值(MPa) 饱和单轴强度取三位有效数字，冻融损
失率和冻融系数精确至 0.0l
冻融系数
RsRK f
f =
第四节 岩石力学性质试验
一、单轴抗压强度试验
岩石单轴抗压强度是试件在无侧限条件下受轴向力作用破坏时单位面积所
承受的荷载。
1. 仪器设备
加载试验的压力试验机应满足下列要求：
（1）压力机应能连续加载且没有冲击，具有足够的加载能力，能在总荷载
的 10％～90％之间进行试验；
（2）压力机的承压板，必须具有足够的刚度，其中之一具有球形座，板面
84
须平整光滑；
（3）承压板直径应大于试件直径；
（4）压力机的校正与检验，应符合国家计量标准的规定。
2. 试验要求：
（1）试件含水状态可根据需要选择天然、烘干或饱和状态，同一状态下每
组试件数量不应少于 3 个。
（2）为了消除受载时的端部效应，试件两端安放钢质垫块。垫块直径等于
或略大于试件直径。其高度约等于试件直径，垫块的刚度和平整度应符合承压
板的要求。
（3）标准试件采用圆柱体，直径为 50mm，高径比为 2～2.5。对于非均质
的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试件，但高径
比必须保持 2～2.5 的比值。对于层(片)状岩石，一般按垂直和平行于层(片)理
两个方向制样。
（4）不同含水状态试件按下述方法进行处理：黏土质岩石的天然含水状态
试件，按含水率试验方法测定天然含水率；烘干试件在 105～110℃温度下烘
24h，饱和试件用真空抽气法饱和。
（5）试验时，将试件(包括上下垫块)置于压力试验机承压板中心，调整球
形座，使之均匀受荷，以每秒 0.5～1.0MPa 的速度加荷，直到试件破坏。
3. 资料整理
岩石抗压强度和软化系数见下表：
岩石抗压强度和软化系数 表 4.4-1
强度指标 单位 计算公式 备 注
单轴抗压强度 MPa APR =
P——破坏载荷（N） A——垂直于加荷方向的试件面积（mm2）
R s——饱和状态下单轴抗压强度平均值（MPa）
R d——干燥状态下单轴抗压强度平均值（MPa） 软化系数
d
s
RR
=η
85
二、单轴压缩变形试验
岩石单轴压缩变形试验，是测定试件在单轴压缩条件下的纵向和横向应变
值，据此计算岩石弹性模量和泊松比。
试件形态和含水状态，与抗压强度试件相同。变形量测，本试验可采用电
阻应变片法和千分表法，同一状态下每组试件数量不应少于 3 个。
加载方法宜采用逐级一次连续加载法，根据需要可采用逐级一次循环法或
逐级多次循环法，每次循环退载至 0.2～0.5kN 的接触荷载；最大循环荷载为极
限预估荷载的 50％，宜等分 5 级施加，至最大循环荷载后再逐级加载直至破坏；
加载采用时间控制，施加一级荷载后立即读数，即可施加下一级荷载。
（1）电阻应变片法
电阻应变片法一般采用静态电阻应变仪量测，该仪器系定型产品，使用时
要遵守仪器的工作条件、使用方法及维修养护中的注意事项。选择的电阻片，
质量应符合产品要求，电阻丝的长度应大于组成试件矿物最大粒径或斑晶的 10
倍以上，同一个试件使用的工作片和补偿片的规格、灵敏系数等应相同，电阻
值相差应不超过±0.1Ω。
用电阻应变片法，可以测烘干或饱和试件的应变，每个试件高度的中部贴
轴向和圆周向电阻片各不少于 2 片，沿圆周向等距离相间布置，贴片处应避开
显著的裂隙或特大的矿物颗粒，对于烘干试件，采用一般胶合剂贴片；饱和试
件，采用环氧树脂 55％加聚酰胺 45％配制成防潮剂贴片。
试件防潮处理方法，先将烘干称量的试件表面涂厚约 0.1mm 的防潮剂底
层，贴片焊接导线后，再用防潮剂在电阻片上涂厚约 2mm 的外层，称量后用
真空抽气法进行饱和，在防潮处理饱和过程中，每一步骤应检查电阻片的绝缘
电阻，一般要求大于 200MΩ。
当试件要求用水中称量法测吸水率和密度等指标时，试件应扣去贴片部分
的质量。方法是用标准钢质圆柱体按上述防潮处理方法涂胶，贴片和焊接导线，
用水中称量法求出这部分质量。
试验时将试件(包括上下垫块)置于压力试验机上对准中心。对试件施加少
量荷载，不断调整承压板位置，使之均匀受载，直到轴向应变片的应变值接近
86
为止。试验以每秒 0.5～lMPa 的加载速度对试件施加荷载直至破坏，测值不宜
少于 10 组。
试验结束后，检查各电阻片读数，发现异常现象应查明其原因，将正常电
阻片读数平均，求轴向和横向应变值，计算弹性模量、变形模量和泊松比。岩
石变形指标计算公式见表 4.4-2：
岩石变形指标计算公式 表 4.4-2
变形指标 单位 计算公式 备注
弹性模量 MPa hahb
abeE
εεσσ
−−
= aσ ——应力与纵向应变关系曲线上直线
段始点的应力值（MPa） bσ ——应力与纵向应变关系曲线上直线
段终点的应力值（MPa） haε ——应力 aσ 预时的纵向应变值 hbε ——应力 bσ 预时的纵向应变值 daε ——应力 aσ 预时的纵向应变值 dbε ——应力 bσ 预时的纵向应变值
50σ ——抗压强度 50%时的应力值（MPa） 50hε ——应力 50σ 预时的纵向应变值 50hε ——应力 50σ 预时的纵向应变值
岩石应力、弹性模量和变形模量取三位有
效数字，泊松比计算值精确至 0.01
弹性泊松比 hahb
dadbe
εεεεµ
−−
=
变形模量
（即割线模
量 MPa
50
5050
hE
εσ
=
与 50hε 和
50dε 相应的
泊松比
50
5050
h
d
εεµ =
（2）弹性常数测定仪法
弹性常数测定仪支架是仪器的主体，具有底座、立柱、升降螺母，架板和
上下垫块等构件。垫块为钢质圆柱体，直径等于或略大于试件直径，高度不小
于试件直径，试验时置于试件的上下两端，用于消除端部效应。
径向变形测试装置由测环和测表保护装置构成。测环由支架的立柱支承，
并用升降螺母调整测环高度，4 支径向位移传感器互相垂直地安装在测环的铜
套内，测头处安装有测表保护装置，当试件破坏时，测头缩进保护装置内，由
保护装置承受横向冲击力。
轴向变形测试装置，为一个蝶式引伸仪，分为两半固定在试件上，刀口对
试件的夹持力为 0.4MPa，刀口标距可任意调节，最大标距达 80mm，在刀口杠
87
杆上安装位移传感器测轴向变形。
压力传感器安装在压力试验机的输油管路上，直接进入自动记录系统。
用弹性常数测定仪可测各种含水状态的试件，不需采取任何防潮措施，试
验时将试件置于仪器支架底座的垫块上，再将上部垫块放上，使三者成为一直
线，然后将仪器置于压力试验机的承压板上并对准中心，试验以每秒 0.5～
0.8MPa 的加载速度施加荷载直至试件破坏。 ’
根据变形记录，换算成应变，然后按电阻应变片的计算方法，求有关弹性
常数。
该仪器也可以用千分表量测径向位移和轴向位移，人工读数并记录。
三、拉伸强度和变形试验
1. 直接拉伸试验
直接拉伸试验设备主要是材料试验机、电阻应变仪和拉伸夹具。材料试验
机和电阻应变仪是通用设备。
拉伸夹具用圆形金属帽，胶接于试件末端，通过连接装置与材料试验机的
上下夹头连接，金属帽直径约大于试件直径 2mm，厚度一般为 30~40mm。连
接装置采用滚轴或链条，这种滚链只能在一个平面上挠曲，上部链节与下部链
节互为直角，能使荷载通过试件轴向传递而不产生弯曲扭转应力，两端连接装
置长度，至少是端部金属帽直径的两倍。
试件为圆柱体，直径 50mm，允许误差±1mm。试件长度为直径的 2～2.5
倍，试验可采用天然含水状态、烘干或饱和样，为了测拉伸过程中的变形，在
试件中部断面贴轴向和圆周向电阻片各不少于 2 片，试件含水状态处理，贴片
和防潮处理，均按单轴压缩试验用电阻片测变形的方法进行。
试件与金属帽胶结的胶粘剂，用 634 型酚基丙烷环氧树脂（100 份）、乙二
胺（8 份）和邻苯二甲酸二丁酯（5）份)配制。这种胶粘剂与岩石胶结，一般
可承受 9MPa 的拉断强度；能用于大多数岩石的拉伸试验，试件与金属帽胶结
时，应严格对准中心，为了保证金属帽与试件纵轴重合为一，最好将试件与金
属帽置于专门制的金属箱内用轴压使两者紧密结合。
试验时，用材料试验机的夹头夹住试件的连接装置，必须确保试验轴线与
88
荷载作用相一致，允许偏心不得超过 0.01mm，然后以每秒 0.3～0.5MPa 的速度
施加拉力，直到试件拉断，或以常应变速率使试件在 5～15mm 内破坏。
用表 4.4-3 所示公式计算岩石拉伸强度和弹性常数。
岩石拉伸强度和弹性常数计算公式 表 4.4-3
直接拉伸常数 单位 计算公式 备 注
拉伸强度 MPa AP
dt =σ P——试件拉断时的最大拉力(N) A——试件断面积(mm2) σ ——试件拉伸时的应力(MPa)
2ε ——轴向应变 dε ——横向应变
拉伸弹性模量 MPa 2ε
σ=dtE
拉伸泊松比 1εεν d
dt =
2. 劈裂试验
典型的劈裂试验，是在圆柱体试件的直径方向上放人上、下两根垫条，施
加相对的线性荷载，使之沿试件直径向破坏，劈裂试验不适用于非脆性岩石。
劈裂试验，也可用不同高宽比的矩形板试件，当矩形板为立方体时，Davies
和 Stagg 分析试件中心处的劈裂强度比圆盘强度仅少 2％。
劈裂试验设备，除通用的压力试验机和电阻应变仪外，还有放入试件与承
压板之间的垫条。
垫条的类型和宽度对试验成果有一定的影响，垫条材料太硬，可能因与试
件接触不良而引起应力集中，太软容易从荷载下挤出，产生切向拉应力，一般
认为，对于坚硬和较坚硬岩石应用直径为 1mm 钢丝为垫条，对于软弱和较软
弱的岩石应选用胶木板或硬纸板比较恰当，垫条宽度与试件直径之比，多数研
究者建议采用 0.08～0.10，此时可作为线荷载处理。
标准试件为圆柱体，直径 48～54rnm，高为直径的 0.5～1.0 倍，试件高度
应大于岩石最大颗粒粒径的 10 倍。非标准试件可用不同尺寸的圆柱体、立方体
或矩形板，试件用烘干或饱和两种含水状态。测变形的电阻片贴在试件两端的
中心轴上，一般采用“十”字应变丛使之与试件两端标记的两条互相垂直径向
89
标准线吻合，试件的贴片和防潮处理与单轴压缩试验的电阻片法所用方法相同。
试验时将试件置于压力试验机承压板中心，在试件与承压板之间放上垫条，
与试件两端标有两条标准线的径向平面对齐，误差不超过 0.01mm，调整球形
座使之均匀受载，以每秒 0.1～0.3MPa 的速度加载，直至试件破坏，破坏应通
过两垫条决定的平面；否则，应视为无效试验。
用表 4.4-5 所示计算劈裂强度和弹性常数。
岩石拉伸强度和弹性常数计算公式 表 4.4-5
劈裂弹性常数 单位 计算公式 备 注
劈裂强度 MPa DLPKst =σ
P——试件破坏时的最大荷载(N) D——受载试件的直径(mm)v L——受载试件的高(长)度(mm) K——取决于试件形态和垫条宽度
的系数；柱体试件和立方体试件
K=2/π；矩形试件按曲线图确定
劈裂时的弹性
模量 MPa
V
VstEE
εγσ
2)3( +
==
H
HstEE
εγσ )1( +
==
其中E
HVV
γσσε
−= ；
EVH
Hγσσ
ε−
=
令H
V
σσ
α = ；H
V
εε
β =
式中 Vσ ——与加载直径平行的
应力分量（MPa）
Hσ ——与加载直径垂直的应力分
量（MPa）
Vε ——与加载直径平行的应变
Hε ——与加载直径垂直的应变
劈裂时的泊松
比
133−−
==ββνν
ST
90
第五章 原位测试
第一节 载荷试验
一、概述
地基土载荷试验是在工程现场一定标高位置（一般为基础埋置深度），放置
一定尺寸的刚性承压板，在其上逐级施加静荷载，测定各相应荷载压力作用下
地基土的沉降量，研究地基土的强度与变形特征，求得地基承载力与变形模量
的原位试验方法。
载荷试验实际上是一种与建筑物基础工作条件相似，模拟建筑物基础受力
状态和变形特征，直接对自然埋藏条件下的土体进行的现场模拟试验。其对建
筑物地基承载力的确定，比其它测试方法更接近实际。
载荷试验的特点是比较直观，成果比较可靠，在岩土工程勘察、地基处理
效果检测中应用十分广泛，其他原位测试方法往往通过与静载荷试验对比的途
径建立求算地基承载力（R）与变形模量（E0）的经验公式。
1. 载荷试验的适用条件
按照试验位置的深浅不同，可分别采用浅层平板载荷试验、深层平板载荷
试验、螺旋板载荷试验和岩基载荷试验：
（1）浅层平板载荷试验适用于确定浅部地基土层的承压板下应力主要影响
范围内的承载力；
（2）深层平板载荷试验适用于确定深部（深度大于等于 3m）地基土层及
大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力；
（3）螺旋板载荷试验适用于深层地基土或地下水位以下的地基土。
（4）岩基载荷试验适用于不同深度的完整、较完整、较破碎岩基作为天然
地基或桩基持力层时承载力的确定。
以下着重介绍平板载荷试验。
91
图 5.1-1 承压板宽度与沉降的关系
2. 地基土原位载荷试验的局限性
（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，故试验所得的极限承载力一般比
实际基础偏小。
（2）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
水缓慢的软粘土尤为突出。
（3）刚性承压板下土中的应力状态极为复杂，试验成果计算的变形模量只
能是近似的。
（4）试验成果反映的是承压板下大约 1.5—3.0 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。
二、载荷试验仪器设备
载荷试验设备包括：承压板、反力装置、加荷与稳压设备、量测仪器等。
1. 承压板的形状为圆形
或方形。应具有足够的刚度，
保证试验过程中不变形，一般
用加肋的焊接钢板，对于复合
地基载荷试验或其它大型载
荷试验，承压板的尺寸不能定
型，一般用现浇或预制钢筋混
凝土承压板。
承压板的尺寸对试验成果有
很大影响，图 5.1-1 是实测资料提供的承压板宽度与沉降的关系，反映出对应
同一基底压力，沉降随压板宽度增大而增大，但当压板宽度过小时，则沉降随
压板减小而急剧增大的趋势，根据我国经验，《岩土工程勘察规范》、《建筑地基
基础设计规范》规定，以载荷试验确定地基承载力标准值时，浅层平板载荷试
验承压板面积不应小于 0.25m2，对软土和粒径较大的填土不应小于 0.5m2，对
碎石类土，直径宜大于受压层最大粒径的 10～20 倍；深层平板载荷试验承压板
宜选用 0.5m2（直径为 0.8m 的刚性板）；岩基载荷试验的承压板不宜小于 0.07m2
92
（直径为 300mm 的刚性板），当岩石埋深较大时，可采用钢筋混凝土桩。对于
非均质土或复合地基，承压板的尺寸应适当加大，具体数值视工程要求和地基
条件而定。
2. 反力装置：有堆载式、锚杆式、撑臂式、平峒式等多种型式，其主要特
点和适用条件如表 5.1-1，图 5.1-2 所示是几种常用的平板载荷试验设备。
93
静载试验反力装置的特点和适用条件 表 5.1-1 型 式 主要特点和适用条件
堆载式 设备加荷、卸荷简便安全，土质条件不限，应用广泛。油压千斤顶的反
力，由堆放在平台上的重物承担，一次堆足，再用千斤顶逐级加荷，也
可利用大型施工设备（如履带式起重机械等）代替压重平台
锚杆式 设备较复杂，需下地锚，表土要有一定的锚着力。油压千斤顶的反力由
旋入土中的地锚来承担
撑臂式 设备轻便，试验深度宜在 2—4m，坑壁土质稳定。试验反力由坑壁土提
供
平峒式 设备简单，有 3m 以上的陡坎或开挖导坑，峒顶土厚大于 2m，且稳定。
试验反力由峒顶土提供
3. 加荷装置：由千斤顶、测力计、垫块（或立柱）等组成。
千斤顶一般采用油压的，采用 2 个以上千斤顶加载时，型号和规格应相同。
千斤顶应并联同步工作，其合力中心应与载荷板中心重合。由于千斤顶的漏油、
承压板的下沉和反力系统本身的变形，在试验过程中，千斤顶的压力不易稳定，
会出现松压现象，必须随时调节压力以保持恒压，通常的做法有两种：a）人工
补压，即由操作人员控制千斤顶加压把手不时调节压力以维持恒压；b）安装稳
压器，即采用增加活塞油缸自动补油、或利用高压气瓶、或利用继电器控制电
动油泵的启闭等方法保持千斤顶压力稳定。前者使加荷过程出现不断的跳动现
象，影响试验质量，应尽可能地采用后者，以进一步保证操作安全和试验质量。
4. 量测系统：
（1）荷载量测一般用放在千斤顶上的测力计，或荷重传感器直接测定，或
采用联于千斤顶的油压表或压力传感器测定油压，按率定曲线换算荷载。传感
器测量误差不应大于 1%，压力表精度应优于或达到 0.4 级。
（2）沉降量测一般用大量程百分表或电测位移计。架设百分表的基准梁应
有一定刚度。
（3）地面变形一般用水准仪观测。
三、静力载荷试验的技术要点
1. 试坑尺寸及开挖要求
为了排除承压板周围超载的影响，浅层平板载荷试验试验标高处的试坑短
94
边宽度不应小于承压板直径(或宽度)的 3 倍。深层平板载荷试验坑井直径应等
于承压板直径，当试井直径大于承压板直径时，紧靠承压板周围的土的高度不
应小于承压板直径，岩基试验中当采用钢筋混凝土桩时，桩周需采取措施以消
除桩身与土之间的摩擦力。
试验开始前试坑或试井岩土应避免扰动，保持土层的天然湿度和原状结构。
对软塑状态的粘性土或饱和砂土，承压板周围应预留 20—30cm 厚的原土作保
护层。当试验标高低于地下水位时，应先将水降至试验标高以下安装设备，待
水位恢复后再进行试验。
为保持承压板与土层良好接触，一般在试土标高上铺设 1—2cm 厚的中粗
砂找平。
2. 试验的加荷分级：
浅层平板载荷试验的加荷等级不应少于 8 级，最大加载量不应少于设计要
求的 2 倍，每级荷载增量为预估极限承载力的 1/8—1/10。
深层平板载荷试验加荷等级可按预估设计荷载的 1/15～1/10 分组加荷。
岩基载荷试验的第一级加载值为预估设计荷载的 1/5，以后分级为 1/10。
3. 加荷方式：
载荷试验的试验方法有慢速维持荷载法、快速法。
慢速维持荷载法（沉降相对稳定法）：每施加一级荷载后，待承压板沉降达
到稳定标准后再施加下一级荷载，能获得较准确的 p～s 及 t～s 曲线，是最常
用的基本方法。适用于各种情况，当需获得较准确的变形模量时，宜用此法。
快速法（沉降非稳定法）：每施加一级荷载后，在 2 小时内按每隔 15min
观测一次，即施加下一级荷载。试验结果是瞬时的，必须经过外推计算，才能
得到相对稳定法的 p～s 曲线。不宜用于确定地基变形模量，不宜用于软土地层。
当无地区经验时，宜与慢速法配合应用。
国家现行标准要求，加荷方式宜采用分级维持荷载沉降相对稳定法（常规
慢速法），有地区经验时，可采用分级加荷沉降非稳定法（快速法）。
4. 沉降测读时间：
每级荷载施加后，按间隔 10、10、10、15、15、30、30、30……min 测读
95
沉降。
对岩基载荷试验，每级加载后，间隔 1、2、2、5min 测读一次，以后每隔
10min 测读一次。
5. 沉降稳定标准：
当连续两小时内，每小时的沉降量小于等于 0.1mm 时（可由 1.5h 内连续
三次观测值计算），则认为沉降已趋稳定，可加下一级荷载。
对岩基载荷试验，当连续三次读数小于等于 0. 01mm 时，可认为沉降已达
稳定标准。
6. 终止加载的条件：
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地侧向挤出；
（2） 沉降 s 急骤增大，荷载—沉降（P—s）曲线出现陡降段；
（3） 在某一荷载下，24h 内沉降达不到稳定标准；
（4） s/b≥0.06 (s：总沉降量，b：承压板宽度或直径) ；
（5） 达到预计的最大加载值。
在设备条件许可的情况下，应尽可能加荷到破坏荷载。
7. 卸荷观测：
分级卸荷增量一般为分级加荷增量的 2 倍。每级卸荷后沉降观测时间可为
30—60min，荷载全部卸完后，观测至沉降稳定。
8. 注意事项：
（1） 试验场地附近应避免有震动荷载，如打桩、夯实等。
（2） 设备安装时，承压板、千斤顶、测力计中心应在同一轴线上。
（3） 试验加荷过大，反力装置失稳，应立即停止试验。
四、试验资料的整理
1. 根据试验实测记录，绘制荷载(p)～沉降(s)关系曲线，必要时绘制沉降
(p)～时间(t)关系曲线，有时还绘制 s～lgt 曲线等。
2. 修正 p～s 关系曲线
由于承压板与土层之间的接触不够密合，或设备安装等试验误差，使得
96
p—s 的初始直线段不一定通过坐标原点，因此应先对 p—s 关系曲线进行修正，
使其初始直线段通过原点，修正的方法一般采用图解法或最小二乘法，详见有
关手册资料。
3. 试验成果的分析应用
（1）地基破坏过程
有人根据载荷试验结
果提出了地基破坏过程三
阶段的模式，如图 5.1-3 所
示。
a. 压密阶段：又称直
线变形阶段，p～s 关系曲
线接近于直线，土体中任
意点产生的剪应力小于土
的抗剪强度，土体变形主要由于土体的压密引起，直线阶段终点的对应荷载称
为比例界限或临塑压力 py，地基的压密变形状态如图 5.1-3-b 所示。
b. 剪切阶段：在这一阶段 p～s 关系曲线不再保持线性关系，沉降的增长
率△s/△p 随荷载的增大而增加。其变形特征表示土体中已局部发生剪切变形，
产生塑性区，塑性区首先从基础边缘出现，随着荷载的继续增加，地基中的塑
性区范围逐步扩大如图 5.1-3-c 所示，直至达到土中形成连续的滑动面，从承压
板两侧挤出而破坏，可见，剪切阶段也就是地基中塑性区的发生和发展阶段。
剪切阶段终点的对应荷载称为极限荷载 pu。
c. 破坏阶段：当荷载超过极限荷载后，承压板急剧下沉，即使荷载不增加，
沉降也不能稳定，p～s 关系曲线直线下降，地基中塑性区不断发展，最后在土
体中形成连续滑动面，土从承压板四周挤出，地基土失稳而破坏，如图 5.1-3-d
所示。
（2）确定地基承载力
a. 极限承载力的确定：
在某一级荷载作用下，如果出现下列情况之一时就认为已经达到了破坏，
图 5.1-3 地基破坏过程的三个阶段
a) p—s 曲线 b)压密阶段 c)剪切阶段 d)破坏阶段
97
则此荷载的前一级荷载即为极限承载力：
（a） 压板周围的土明显地侧向挤出，地面出现裂缝或隆起等迹象;
（b） 沉降急剧增大，荷载—沉降曲线出现陡降段，即斜率明显增加;
（c） 24h 内沉降不能达到每小时沉降量小于 0.1mm 的稳定标准。
b. 承载力特征值的确定:
《建筑地基基础设计规范》规定的方法有以下三种：
（a） 当p～s曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；
（b） 当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的 2 倍时，取极限荷载值
的一半；
（c） 当 p～s 曲线呈缓变型，不能按上述两款确定时，按变形控制，当
压板面积为 0.25～0.5m2，可取 s/b=0.01～0.015 所对应的荷载值，但其值不应
大于最大加载量的一半；
同一土层参加统计的试验点不应少于 3 点，当试验实测值的极差不得超过
其平均值的 30%，取此平均值作为该土层地基承载力特征值 fak。
（3）确定地基变形模量
用静载试验确定变形模量 E0，一般取 p～s 关系曲线的直线段，用下式计算。
E0=I。（1-υ2）PB/S
式中：υ—地基土的泊松比，碎石土取 0.27，粉土取 0.35，粉质粘土取
0.38，砂土取 0.3，粘土取 0.42。
B—承压板的宽度（mm）；
P、S—直线段内相应的荷载及沉降（kPa、mm）。
I。—刚性承压板形状系数。圆形压板取 0.785，方形压板取 0.886。
第二节 静力触探试验
静力触探是将一定规格的圆锥形探头，使用静力按一定的速率压入土中，
通过量测土对探头的阻力，结合钻探、土工试验和载荷试验，用于判别土层类
别，推定土层工程特性的原位测试方法。
98
静力触探具有勘探和测试双重功能，适用于粘性土、粉土、砂土及含少量
碎石的土层，特别是对于地层变化较大的复杂场地、不易取得原状土样的饱和
砂土和高灵敏度的软粘土地层更具优越性。其显著特点是：可以辅助划分并评
价地基土的工程性质，测试结果质量好、工作效率高、节省人力、成本较低等。
目前对静力触探成果的解释主要是经验性的，对碎石类土和较密实的砂土
难以贯入。
一、静力触探主要设备
静力触探试验所用的设备包括：探头、贯入系统、试验数据的采集、存储
及处理设备等。
1. 探头
静力触探探头有测试比贯入阻力 ps 的单桥探头；测试锥尖阻力 qc 及侧壁摩
阻力 fs 的双桥探头，能同时测量孔隙水压力的两用(ps～u)或三用(qc—u—fs)探
头。探头内装锥尖阻力、侧壁摩阻力及孔隙压力传感器，分别测定 qc、fs、u 等
值。
探头圆锥锥尖锥角为 60o，锥底截面积应采用 10cm2 或 15cm2。国际通用标
准为 10cm2，目前国内广泛使用 15cm2 的探头，两者的贯入阻力相差不大，在
同样的土质条件和机具贯入能力的情况下，小截面的贯入深度更大，为了向国
际标准靠拢，最好使用锥头底面积为 10 cm2 的双桥探头。
单桥探头侧壁高度应分别采用 57mm 或 70mm，双桥探头侧壁面积应采用
150～300cm2。
探头测力传感器应连同仪器、电缆进行定期标定。室内探头标定测力传感
器的非线性误差、重复性误差、滞后误差、温度漂移、归零误差均应小于 1%FS，
现场试验归零误差应小于 3%，绝缘电阻不小于 500MΩ。
探头的设计应保证在工作状态下各传感器相互独立，具有良好的防尘防水
性能，并能在-10～50oC 环境温度下正常工作。
2. 贯入系统
贯入系统包括贯入主机和反力装置两部分。
贯入主机将底端装有探头的探杆一根一根地压人地基中．贯入主机要能维
99
持均衡的贯入速率，以液压式为好。国际上采用统一的贯入速率为 2cm/s，要
求精度为(2±0.5)cm/s。
反力装置是平衡贯入阻力对贯入装置的反作用，一般利用地锚、重物或汽
车自重作反力。
3. 测量仪器
一般的要求是：
（1）几个传输信号互不干扰；
（2）有效最小分度值小于 0.06％FS；
（3）预热后．时飘<0.1％FS／h，温飘<O.01％FS／℃：
（4）在-10～50℃环境温度中工作正常。
目前多采用专用测读仪进行数据的采集、存储、传输至微机进行分析处理，
最后绘出各种曲线。
4. 附属设备
包括探头标定装置、孔压系统饱和标定装置等设备。
二、现场试验操作技术要点
1. 触探设备的贯入能力及反力装置必须能满足设计深度的要求。
2. 应根据场地地层的情况和勘察要求，选择合适的探头，即选择合适的贯
入能力和灵敏度。
3. 为避免串孔及相互影响，静力触探孔距离钻孔不得小于钻孔直径的 25
倍或 2m，静力触探孔宜在钻孔前进行。
4. 试验前应做好准备工作：检查探头是否符合规定，按标定记录核对探头
的性能参数；探头孔压系统应完全饱和；检查量测仪器的工作完好状态；检查
贯入设备，贯入速率能调控并维持为(2±0.5)cm/s 的压入速率。
5. 传感器要有温度补偿。探头传感器因标定时的温度与使用温度有差异、
测量时应变片通电时间过长而产生电阻热、贯入过程中摩擦发热等原因而使应
变片中电阻丝的阻力值发生变化。温度补偿的方法有以下两种：
（1）温度校正法：在操作时，测初读数的变化，内业资料整理时将其消除；
（2）桥路补偿法：在制作传感器时，将同一批次、规格、阻值、灵敏系数
100
的应变片，贴在传感器上，组成全桥四臂测量电路（四个工作片互为补偿，或
两个工作片，两个补偿片），使热输出为零，起到补偿作用。
6. 探头应垂直压入土中，贯入速率要始终均匀等速。
7. 贯入时应对探头进行归零检查。使用双桥探头时，当其贯人地面下 0. 5～
10m 后，上提 5～10cm，待读数漂移稳定后，此时仪表读数视为零读数，即可
正式贯入。在地面下 1～6m 内，每贯人 1～2m 提升一次，将仪器调零一次。
孔深超过 6m 后，可根据不归零读数的大小，放宽归零检查的深度间隔。使用
三桥探头时，在试验中应连续贯人，不得中间提升探杆，以防止提升时孔底产
生的负压破坏孔压系统的饱和。锥尖阻力及侧壁摩阻力的“采零”应在试验终
止时进行；孔压的“采零”应在探头提出地面更换透水元件时进行。
8. 贯入操作中断 10min 以上，重新贯入前应提升探头，测记零读数。对超
深触探孔，分两次或多次贯入时，或在钻孔底部进行触探时，在深度衔接点以
下的扰动段，其测量数据应舍弃。
9. 当贯入深度超过 30m，或穿过厚层软土后再贯入硬土层时，应采取措施
防止孔斜或断杆。也可配置测斜探头，量测触探孔的偏斜角，校正土层界线的
深度。
10. 接卸钻杆时，切勿使入土钻杆转动，防止接头处电缆被扭断，同时应
严防电缆受拉，以免拉断或破坏密封装置。
11. 当贯入到预定深度或出现下列情况之一时，应停止贯入：
（1）触探主机达到最大容许贯入能力；
（2）探头阻力达到最大容许压力；
（3）反力装置失效；
（4）发现探杆弯曲已达到不能容许的程度。
12. 做孔压消散试验时．当停止贯人时，立即锁定探杆并同时启动测量仪
器，量测停止贯入后不同时间的孔压值，其计时间隔由密而疏合理控制。在消
散过程中，不得碰撞松动探杆。
三、成果资料整理
1. 根据实际情况绘制各种贯入曲线
101
（1）比贯入阻力与深度曲线（ps—z 曲线）；
（2）锥尖阻力与深度曲线（qc—z 曲线）；
（3）侧壁摩阻力与深度曲线（fs—z 曲线）；
（4）侧壁摩阻力与锥尖阻力之比（摩阻比 Rf）与深度曲线（Rf—z 曲线）；
（5）孔隙水压力与深度曲线（ui—z 曲线）；
（6）经孔压修正后的真锥尖阻力与深度曲线（qt—z 曲线）；
（7）经孔压修正后的真侧壁摩阻力与深度曲线（ft—z 曲线）；
（8）孔压消散曲线（ut—lgt 曲线）；
（9）孔压系数与深度曲线（Bq—z 曲线）等。
2. 根据贯入曲线的线性特征，结合相邻钻孔资料和地区经验，划分土层
和判别土类。
贯入阻力综合反映土的力学指标，利用其随深度的变化可对土层进行力学
分层。分层时，应首先考虑静力触探曲线形态的变化趋势，再结合本地区地层
情况及钻孔资料。
在划分分层界线时，还应考虑贯入阻力曲线中的超前和滞后现象，这种现
象往往出现在密实土层和软土层的交界处，幅度一般为 10～20cm 左右。
3. 计算各土层静力触探有关数据的平均值，或对数据进行统计分析，提
供数据的变化规律。
（1）单孔分层贯入阻力
划定土层分界线后，可计算单孔分层平均贯入阻力。当采用电阻应变测量
仪时，可采用算术平均值。判别砂土液化时，对贯入阻力变化较大且为较薄的
夹层或互层，应分别计算其各土层贯入阻力，以免误判。
（2）场地各土层贯入阻力
根据单孔各土层贯入阻力及土层厚度，可以计算场地各土层的贯入阻力。
基本的计算方法为厚度的加权平均法：
102
∑
∑
=
== n
ii
n
isii
s
h
PhP
1
1
式中 sP ——场地各土层贯入阻力（kPa）；
ih ——第 i 孔穿越该层的厚度（m）；
isp ——第 i 孔中该层的单孔贯入阻力（kPa）；
n ——参与统计的静探孔数。
四、成果应用
1. 利用锥尖阻力及摩阻比划分土类：
qc<0.7 软土
Rf<0.1013 qc +0.32 砂土
Rf<0.2973 qc +1.6 粉土
Rf<0.5915 qc +2.8 粉质粘土
2. 确定地基土的承载力。
依据静力触探结果确定地基承载力的经验用表、经验关系式很多，都有其
特定的经验性，这里不再罗列，可查阅有关资料。
3. 估算桩基极限端阻力、侧阻力等设计参数。
4. 确定砂土的密实度、砂土的内摩擦角、粘性土的状态。
5. 判别地基土的液化可能性。
6. 由孔压消散试验测定水平向固结系数
第三节 动力触探试验
动力触探试验是利用一定的锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，
根据打入土中的难易程度来判别土层工程性质的一种原位测试方法。贯入度的
大小能反映土层力学特性的差异，据此可对地基土作出工程地质评价。
我国在 20 世纪 50 年代初从欧洲引进推广动力触探技术，很多单位作了许
103
多很有价值的试验研究，积累了大量的经验。70 年代纳入规范，在试验设备类
型上趋于统一和标准化，加快了发展进程。目前，已成为我国粗颗粒土的地基
勘察测试的主要手段。
动力触探试验使用历史较长，最大的优点是设备简单、操作方便、适应土
类较广，对难以取样的砂土、粉土、碎
石类土都可使用。
我国将动力触探分为轻型、重型及
超重型三种，其穿心锤重量分别为 10、
63.5、120kg。轻型适用于一般粘性土
及素填土，特别适用于软土，重型适用
于砂土及砾砂土，超重型适用于卵石、
砾石类土。
一、动力触探试验分类及设备
动力触探设备主要由圆锥探头、触
探杆、穿心锤及钢砧锤垫四部分组成，
见图。我国圆锥动力触探分类和规格见
表 5.3-1，探头尺寸见图 5.3-1。
试验方法是将穿心锤穿入带钢砧与锤垫的触探杆上，将探头及探杆垂直地
面放于测试地点，然后提升穿心锤至预定高度，使其自由下落撞击锤垫，将探
头打入土中，记录每贯入 30cm(或 10cm)的锤击数。重复上述步骤，直到预定
试验深度。
轻型动力触探试验，穿心锤重量为 10kg，落距为 50cm，触探杆系用直径
25mm 的金属管，每打入土层 30cm 的锤击数即为 N10。
重型动力触探试验时，触探杆一般采用直径 42mm 的金属管，穿心锤重量
为 63.5kg，落距为 76cm，每打入土层 10cm 的锤击数即为 N63.5。
超重型动力触探试验时，触探杆一般采用直径 60mm 的金属管，穿心锤重
量为 120kg，落距为 100cm，每打入土层 10cm 的锤击数即为 N120。
104
圆锥动力触探分类和规格 表 5.3-1
设 备 类 型 轻 型 重 型 超 重 型
落锤 质量（kg） 10 63.5 120
落距（cm） 50 76 100
探头
直径（mm） 40 74 74
截面积（cm2） 12.6 43 43
圆锥角（0） 60 60 60
触探杆 直径（mm） 25 42 60
测试指标记号 N10 N63.5 N120
对应的贯入深度（cm） 30 10 10
适用范围 浅部的填土、砂
土、粉土、粘性
土
砂土、中密以下
的碎石土 密实和很密实
的碎石土
二、技术要点
1．为确保恒定的锤击能量，应采用固定落距的自动落锤装置。
2．锤击时应保持探杆的垂直，锤击过程应防止锤击偏心、探杆歪斜和探杆
侧向晃动。为此，要求触探杆连接后的最初 5m 最大偏斜度不应超过 1％，大
于 5m 后的最大偏斜度不应超过 2％。
3．每贯入 1m，应将探杆转一圈半，使触探能保持垂直贯入，并减少探杆
的侧阻力。贯入深度超过 10m 后，每贯入 0.2m 即旋转一次。
4. 每一触探孔应不间断连续贯入，以避免粘性土中击入间歇使侧摩阻力增
大的问题，锤击速率宜为 15～30 击/min，对砂土、碎石土可适当提高。
5. 对轻、重型圆锥动力触探 N10、N63.5 的正常范围是 3—50 击，对超重型
N120 的正常范围是 3～40 击。当击数超过正常范围，如遇软粘土，可记录每击
的贯入度，如遇硬土层，可记录一定击数下的贯入度。
6. 对轻型动力触探，当 N10>100 或贯入 15cm 锤击数超过 50 击时，可停止
试验；对重型动力触探，当连续三次 N63.5>50 击，可停止试验或改用超重型动
力触探。
7. 贯入深度的一般限制，对轻型一般应<4m，重型为 12～15m，超重型
105
<20m，超过此深度应考虑侧壁摩阻的影响。
8. 试验时应注意记录地下水位的埋深。
三、影响试验成果的主要因素及参数修正
现行的《岩土工程勘察规范》强调，应用动力触探试验结果时对触探击数
是否修正或如何修正，应根据建立的统计关系时的具体情况确定。
1. 杆长的影响
采用以下公式进行杆长修正：N=аN′(N′----实测动力触探锤击数)重型，
超重型动力触探杆长修正系数а可查表（详见《岩土工程勘察规范》附录 B）。
2. 杆侧摩擦的影响
就土类而言，对中密一密实的砂土，尤其在地下水位以上，由于探头直径
比探杆直径大，可不考虑侧壁摩擦；而软粘土和有机土，侧壁摩擦对击数有重
要影响。所以，在一般的土层条件下，深度在 15m 以内，可不考虑侧壁摩擦的
影响；如深度超过 15m，可采用泥浆或加套管以消除侧壁摩擦的影响。
3. 上覆压力的影响
随着贯入深度的增加，土的有效上覆压力和侧压力都会增加，会增大贯入
阻力，增大锤击数。在判定砂土振动液化时，常采用 seed 建议的标贯试验深度
影响修正公式：
N63. 5=CNN´63.5
CN = 1-1.25lgσvo´。
式中：N63. 5——修正后的击
数；
N’63.5——实测的击数；
CN——修正系数；
σvo´——实测 N´63.5 处土的
有效上覆压力，kPa。
四、成果应用
试验后绘制锤击数沿深度
的变化曲线（N63. 5—h），见试
106
例图 5.3-2。
1. 确定地基土的承载力标准值；
2. 估算圆砾、卵石土地基变形模量 E0；
铁道部第二设计院基于在四川、东北、广西、甘肃等地的试验资料得 N63.
5 和 E。的关系，见表 5.3-2。
圆砾、卵石土的变形模量 表 5.3-2
N63. 5 3 4 5 6 8 10 12 14 16
E0（MPa） 10 12 14 16 21 26 30 34 37.5
N63. 5 18 20- 22 24 26 28 30 35 40
E0（MPa） 41 44.5 48 51 54 56.5 59 62 64
3. 预估单桩承载力和确定桩基持力层的位置
动力触探试验与打桩过程极其相似，因而用于桩基勘察时，对打入式的端
承桩效果较为显著。可用以确定桩基持力层的位置和单桩承载力。
（1）确定桩基持力层的位置
利用动力触探的 N63. 5----h 曲线，结合钻孔资料，可以较准确的编制出勘察
场地的工程地质剖面图，据此选择桩基持力层，确定在勘察范围内各部位的桩
长。用于桩基持力层的动力触探击数，各地区应有各自的经验值。
（2）确定单桩承载力
动力触探无法实测地基上的极限侧阻力，由桩的静载荷试验确定的承载力
标准值与桩尖平面处的动力触探指标进行统计分析，可提出单桩承载力公式。
显然，公式具有明显的地区性。如成都地区采用的经验公式是：以卵石土为桩
基持力层，Ru=299+126.1N120
式中：Ru——桩尖平面处地基土的极限承载力，kPa;
N120——桩尖平面处上下 4D(桩径)范围修正后的击数平均值，击／
10cm。
4. 确定砂土和卵石的密实度
107
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001（2009 年版））根据圆锥动力触探锤
击数对碎石土的密实度分类如表 5.3-3、表 5.3-4。
碎石土的密实度按 N63.5 分类 表 5.3-3
重型圆锥动力触探锤击数
N63.5 密实度
重型圆锥动力触探锤击数
N63.5 密实度
N63.5≤5 松散 10< N63.5≤20 中密
5<N63.5≤10 稍密 N63.5>20 密实
碎石土的密实度按 N120 分类 表 5.3-4
重型圆锥动力触探锤击数
N120 密实度
重型圆锥动力触探锤击数
N120 密实度
N120≤3 松散 11< N120≤14 密实
3<N120≤6 稍密 N120>14 很密
6< N120≤11 中密
5. 探查土洞、滑动面、软硬土层界面等。
6. 检查地基处理效果，如砂石垫层、强夯置换、强夯处理地基等。
第四节 标准贯入试验
标准贯入试验是动力触探的一种，它是以标定的锤击动能，将标准尺寸的
贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层的变化和土
的工程性质。贯入阻抗是用贯入器贯入土中 30cm 的锤击数，即标准贯入击数
N 表示。
标准贯入试验是 20 世纪 40 年代末期发展起来的，该项试验一般只适用于
砂土、粉土及一般粘性土类。对饱和软粘土而言，由于其试验精度较低，远不
及十字板剪切试验及静力触探等方法普及。
一、试验设备
108
包括标准贯入器、触探杆、穿心锤、钢砧锤垫及自动落锤装置等，见图 5.4-1。
标准贯入试验设备规格如表 5.4-1
109
标准贯入试验设备规格 表 5.4-1
落 锤 锤的质量（kg） 63.5 落距（cm） 76
贯入器
对开管 长度（mm） >500 外径（mm） 51 内径（mm） 35
管 靴 长度（mm） 50～76
刃口角度（°） 18～20 刃口单刃厚度（mm） 2.5
钻 杆 直径（mm） 42 相对弯曲 <1/1000
二、试验操作技术要点
1. 为了保证钻孔质量，要求采用回转钻进方法。当钻进至试验标高以上
15cm 处，停止钻进。
2. 在地下水位以下钻进时，或遇承压含水砂层时，孔内水位应始终高于地
下水位，当孔壁不稳定时，可用泥浆护壁。
3. 钻进至试验标高以上 15cm 处，仔细清除孔底残土到试验标高后再进行
试验。
4. 为保证锤击时钻杆不发生侧向晃动，避免锤击时偏心，钻杆应定期检查，
使钻杆弯曲度小于 0.1％．接头应牢固。保持贯入器、探杆、导向杆连接后的垂
直度。
5. 穿心锤落距为 76cm，应采用自动落锤装置，要减小导向杆与锤之间的
摩阻力，以保持锤击能量恒定。
6. 试验时，先将整个杆件系统接好拧紧下到孔底，再连接好钻杆上端的锤
击系统。首先将贯入器以每分钟 15—30 击的速度打入土层中 15cm，然后开始
记录每打入 10cm 的锤击数，累计打入 30cm 的锤击数即为实测标准贯入锤击数
N。当 N>50 击，而贯入度未达到 30cm 时，应终止试验，同时记录 50 击对应
的实际贯入深度△S（cm），按下式计算贯入 30cm 的锤击数。
110
N=30×50/△S
7. 提出贯入器，取出贯入器中的土样进行鉴别、描述、记录，必要时保存
土样备用。
三、资料整理及成果应用
1. 资料整理
（1）成果的校正
试验的影响因素是很复杂的，其中有些因素可通过标准化的办法使其统一
以减少对试验成果的影响，如设备、落锤方法、试验方法等影响因素属于此类；
但另一些因素如杆长，地下水位、上覆压力等，则是无法人为控制的。
关于标贯的修正问题，国内长期以来不考虑地下水位、土的上覆压力等的
修正，而着重考虑杆长的修正。杆长的影响，国内外存在不同的看法，有两种
代表性的分析理论，即古典的牛顿碰撞理论及弹性杆件中波动理论。按牛顿碰
撞理论，随杆长的增长，杆件系统受锤击碰撞后可用于贯入土中的有效能量逐
渐变小；而按弹性波动理论，随杆长的增长，有效能量却是逐渐增大，超过一
定杆长后，有效能量趋于定值。也有杆件的锤击应力波实测资料表明，锤击传
输给杆件的能量变化远大于杆长变化时能量的衰减，故建议不作杆长修正的 N
值是基本的数值，而过去建立的 N 值与土性参数、承载力的经验关系，所用 N
值均经杆长修正。现行的抗震规范评定砂土液化时，要求 N 值不作修正。所以，
在实际应用时，应按具体的岩土工程问题，参照有关规范考虑是否作杆长修正
或其他修正。勘察报告应提供不作杆长修正的 N 值，应用时再根据情况考虑是
否修正和如何修正。
（2）绘制单孔标准贯入试验击数 N 与深度关系曲线。统计时，应剔除异
常值。标准贯入试验成果 N 可直接标在工程地质剖面图上。
2. 成果应用
（1）确定土的抗剪强度指标
（2）评定砂土的密实度（见表 5.4-2）
111
砂土密实度分类 表 5.4-2
标准贯入锤击数 N 密实度 标准贯入锤击数 N 密实度
N≤10 松散 15< N≤30 中密
10<N≤15 稍密 N>30 密实
（3）评定粘性土的稠度状态
（4）评定地基土的承载力
（5）评定土的变形参数
用标贯试验估算土的变形参数时有二种途径：一种是与平板载荷试验对比，
得出变形模量 E。；另一种是与室内压缩试验对比得压缩模量 Es 值。各地区各
单位都建立了一些经验关系。
（6）预估单桩承载力
（7）判别砂土和粉土液化的可能性
判别方法详见国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）。
标贯成果的应用除判别液化外，其余的应用方法都是基于与其他测试方法
的对比而建立起来的计算公式或经验用表，如桩的承载力的预估是与静载荷试
验相对比，土的物理力学性能指标是与室内试验成果建立相关关系。因此，在
缺乏使用经验的地区，应用标准贯入试验时应与其他测试方法相参照。
第五节 十字板剪切试验
十字板剪切试验（FVST）是原位测定饱和软粘性土抗剪强度的一种方法。
所测得的抗剪强度，相当于天然土层试验深度处，在天然压力下固结的不排水
抗剪强度；在理论上它相当于室内三轴不排水抗剪总强度，或无侧限抗压强度
的一半（ϕ =0）。由于这项试验不需采取土样，避免了土的扰动及天然应力状态
的改变，是一种有效的原位测试方法。
十字板剪切试验可用于测定饱和软粘性土（ϕ ≈0）的不排水抗剪强度和灵
敏度。
112
一、基本原理
将规定形状和尺寸的十字板头压入土中试验深度，施加扭矩使板头等速扭
转，在土体中形成圆柱破坏面。测定土体抵抗扭损的最大扭矩，以计算土的不
排水抗剪强度。
假定十字板头扭转形成的圆柱破坏面高度和直径与十字板头高度和直径相
同，破坏面上各点的抗剪强度相等，且同时发挥作用，同时达到极限状态。由
于土体扭剪过程中产生的最大抵抗力矩 Mr 等于圆柱体底面和侧面上土体抵抗
力矩之和，即：
)3
(21
2232
42 2
2
21 HDDcDDHcDDcMMM uuurrr +=××+×××=+= πππ
故
)3
(
22 HDD
Mc ru
+=π
式中 cu——土的不排水不固结抗剪强度（KPa）；
Mr——土体扭损的最大抵抗力矩（KN·m）；
D——十字板头直径（m）;
H——十字板头高度（m）.
对于不同的试验设备，测量最大抵抗力矩的方法也不同。
二、试验仪器设备（三种类型）
1. 开口钢环式十字板剪切仪
这是国内早期最常用的一种剪切仪，如图 5.5-1 所示。该仪器利用蜗轮蜗
杆扭转插入土层中的十字板头，借助开口钢环测定土体抵抗力矩。与钻机配合，
使用较为方便。十字板头规格见表 5.5-1。
113
图 5.5-1 开口钢环式十字板剪切仪示意图
1-手摇柄；2-齿轮；3-蜗轮；4-开口钢环；5-导杆；6-特制键；7-固定夹；8-量表；9-支座；10-压圈；11-平面弹子盘；12-锁紧轴；13-底坐；14-固定套；15-横梢；16-制紧轴；
17-导轮；18-轴杆；19-离合器；20-十字板头
2. 轻便式十字板剪切仪
是一种在开口钢环式十字板剪切仪基础上改造简化的设备。它不需要钻探
设备钻孔和下套管，只用人力将十字板压入试验深度，人力施加扭力和反力，
通过固定在旋转把手上的拉力钢环测定扭力矩，如图 5.5-2 所示。十字板头常
选用 D×H=50×100(mm)规格的板头，采用离合式接触。施测扭力的装置有铝盘、
钢环、旋转手柄、百分表等。其测试结果与开口钢环式基本接近。
114
十字板规格及十字板常数 K 值 表 5.5-1
十字板规格 D×H（mm）
十字板头尺寸（mm） 钢环率定时
的力臂 R （mm）
十字板常数K
（m-2） 直径 D 高度 H 厚度 B
50×100 50 100 2～3 200 250
436.78 545.97
50×100 50 100 2～3 210 458.62
75×150 75 150 2～3 200 250
129.41 161.77
75×150 75 150 2～3 210 135.88
3、电测式十字板剪切仪
是近年来发展起来的，与上述两种类型仪器的主要区别在于测力装置不用
钢环，而是在十字板头上端连接一个贴有电阻应变片的扭力传感器。利用静力
触探仪的贯入装置（图 5.5-3），将十字板头压入到土层试验深度，借助回转系
统旋转十字板头，用电子仪器量测土的抵抗力矩。试验过程中不必进行轴杆摩
擦力校正，操作容易，试验成果比较稳定。另外，同一场地还可以用一套仪器
进行静力触探试验，因此得到了广泛使用。
设备主要有下列几部分组成：
（1）十字板头部分。由十字板、扭力柱、测量电桥和套筒等组成。所用十
字板头的尺寸与开口钢环式十字板剪切仪相同。
（2）回转系统。由蜗轮、蜗杆、卡盘、摇把等组成。摇把转动一圈正好使
115
钻杆转动一度。
（3）加压系统、量测系统、反力系统与静力触探仪共用。
三、现场试验技术要求
1、开口钢环式十字板剪切试验
（1）用回转钻开孔，下 ф127mm 套管至预定试验深度以上 75cm，套管上
部高出地面 30～50cm。再用提土器清孔，钻孔内虚土不宜超过 15cm。在软土
中钻进时，应在孔内保持足够水位，以防止软土在孔底涌起；
（2）根据土的软硬程度选用十字板头，然后将十字板头、离合器、轴杆与
试验钻杆逐节接好拧紧，下入孔内，使十字板头与孔底接触，接上导杆。孔深
若超过 10m，应设置导轮；
（3）先用摇把套在导杆上顺时针旋转，使十字板头离合器咬合，再将十字
板头徐徐压入土层预定试验深度。如压入有困难，可用锤轻轻击入。当试验深
116
度处为较硬夹层时，应穿透夹层再进行试验；
（4）装上底座和测力装置，并将底座与套管、底座与固定套之间用制紧轴
制紧；调节转盘，使导杆和钢环上的键槽对正，插入特制键；装上量测钢环变
形的百分表。至少静置 2～3min（从十字板头插入后算起），调整百分表至零；
（5）试验开始即开动秒表，宜采用（10～20）/10s 的剪切速率进行扭剪，
摇把每转一圈，测记钢环变形读数一次。当读数出现峰值或稳定值后，继续测
记 1min；
（6）在完成上述原状土试验后，拨下特制键，在导杆上套上摇把，顺时针
连续转动 6 圈，使十字板头周边土充分扰动，然后再插上特制键，按要求（5）
以（10～20）/10s 的速率进行试验，即可获得重塑土抵抗扭剪的百分表最大读
数；
（7）拔出特制键，将导杆向上提 3～5cm，使连接轴杆和十字板头的离合
器分离，再插上特制键，仍按要求（5）操作，测得轴杆摩擦力与机械应力的百
分表读数。至此一个试验点的试验工作全部结束；
（8）卸下仪器，拔出十字板，继续钻进，进行下一深度的试验。
试验点间距的选择可根据工程要求和土层情况来确定，一般每米一个试验
点。在极软的土层中，也可以不必拔出十字板，将十字板连续压入 3～4 次于不
同试验深度进行试验。
2、电测式十字板剪切试验
（1）安装及调平电测式十字板剪切仪机架，用地锚固定，并安装好施加扭
力装置；
（2）选择十字板头，并将其接在传感器上拧紧，连接传感器、电缆和量测
仪器；
（3）按静力触探的方法，将电测式十字板头贯入到预定试验深度处；
（4）用回转部分的卡盘卡住钻杆，至少静置 2～3min，再开始剪切试验；
（5）试验开始，用摇把慢慢匀速地回转蜗轮、蜗杆，剪切速率为（10～20）
/10s。摇把每转一圈，测记仪器读数一次。当读数出现峰值或稳定值后，继续
测记 1min；
117
（6）松开卡盘，用板手或管钳将探杆顺时针旋转 6 圈，使十字板头周围的
土充分扰动，再用卡盘卡紧探杆，按要求（5）继续进行试验，测记重塑土抵抗
扭剪的最大读数；
（7）完成上述一次试验后，再松开卡盘，用静力触探的方法继续下压至下
一试验深度，按要求（4）～（6）重复进行试验，测记原状土和重塑土塑土剪
损时的最大读数；
（8）一孔的试验完成后，按静力触探的方法上拔探杆，取出十字板。
3、十字板剪切试验点的布置，对均匀土竖向间距可为 1m，对非均质或夹
薄层粉细砂的软粘性土，首先作静力触探，再结合土层变化，选择有代表性的
点布置试验点，遇到变层，要增加测点。
4、十字板头插入钻孔底的深度不应小于钻孔或套管直径的 3～5 倍。
四、数据分析整理与成果应用
1 开口钢环十字板剪切仪，先修正轴杆与土间的摩阻力影响。
2 计算各试验点原状土的抗剪强度 CU(单位：KPa)。
（1）对开口钢环式十字板剪切试验
Cu=Kc（Ry-Rg）
式中：c——钢环系数（KN/0.01mm）；
Ry ——原状土剪损时百分表最大读数（0.01mm）；
Rg ——轴杆阻力校力时百分表最大读数（0.01mm）；
K——十字板常数（m-2）。
（2）对电测式十字板剪切试验
Cu= K1ξRy
式中：ξ——电测十字板头传感器的率定系数，（KN·M/με）；
Ry ——土剪损时最大微应变值（με）
K1——电测十字板常数（m-3）。
3. 计算重塑土的抗剪强度′
uc （单位：KPa）
采用重塑土剪损时的实测值，计算方法同上。
4. 计算土的灵敏度 St（原状土抗剪强度与重塑土抗剪强度之比）。
118
St=Cu/Cu ‘
5. 绘制单孔十字板抗剪强度随深度的变化曲线，了解土的抗剪强度随深度
的变化规律，见试例图 5.5-4。
6. 绘制抗剪强度与回转角的关系曲线，了解土的结构性和受扭剪时的破坏
过程，如图例：5.5-5。
7. 十字板所测得的不排水抗剪强度峰值，一般认为是偏高的，土的长期强
度只有峰值强度的 60%～70%，因此在工程中，需根据土质条件和当地经验对
十字板测定值作必要的修正，目前多根据
土的塑性指数按图 5.5-6 确定修正系数μ，
实测值乘以修正系数做为不排水抗剪强度
的实用值。
8. 成果应用
（1）计算地基承载力
对于内摩擦角等于零（ϕ =0）的饱和
软黏土，其经验公式为：
hcf uak γ+= 2
119
akf ——地基土承载力特征值（kPa）；
Cu——修正后的十字板抗剪强度（kPa）；
r——土的重度（ kN/m3）；
h 基础埋置深度（m）。
（2）分析饱和软黏土填、挖方边坡的稳定性
十字板抗剪强度较为普遍地用于软土地基及软土填、挖方斜坡工程的稳定
性分析与核算。根据软土中滑动带强度显著降低的特点，用十字板能较准确地
确定滑动面的位置，并根据测得的抗剪强度来反算滑动面上土的强度参数，为
地基与边坡稳定性分析和确定合理的安全系数提供依据。
（3）检验地基加固改良的效果
在软土地基堆载预压（或配以砂井排水）处理过程中，可用十字板剪切试
验测定地基强度的变化，用于控制施工速率及检验地基加固的效果。
（4）估算桩的端阻力和侧阻力，进而估算单桩承载力。
桩端阻力 qp=9cu
桩侧阻力 qs=αcu
α与桩型、土类、土层顺序等有关。
（5）根据计算灵敏度，判断软粘性土的成因、结构性，了解扰动因素对软
土强度的影响。
（6）根据不排水抗剪强度确定软土路基的临界高度等。
（7）根据抗剪强度与深度的关系曲线判定软土的固结历史。
第六节 旁压试验
旁压仪试验是在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验。具体试验方法是
将一个圆柱形的旁压器放到钻孔内设计标高，加压使得旁压器横向膨胀，根据
试验读数可以得到钻孔横向扩张的体积-压力或应力-应变关系曲线，据此可用
来估计地基承载力，测定土的强度参数、变形参数、基床系数，估算基础沉降、
单桩承载力与沉降。
120
目前，旁压仪的常见类型有预钻式旁压仪和自钻式旁压仪。预钻式旁压仪
的原理是预先用钻具钻出一个符合要求的垂直钻孔，将旁压器放入钻孔内的设
计标高，然后进行旁压试验。自钻式旁压仪是将旁压仪设备和钻机一体化，将
旁压器安装在钻杆上，在旁压器的端部安装钻头，钻头在钻进时，将切碎的土
屑从旁压器（钻杆）的空心部位用泥浆带走，至预定标高后进行旁压试验。自
钻式旁压试验的优越性就是最大限度地保证了地基土的原状性。
预钻式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。自钻式旁压试验适用于黏性土、粉土、砂土，尤其适用于软土。
一、试验仪器
1. 预钻式旁压仪
预钻式旁压仪由旁压器、控制单元和管路三部分组成。
（1）旁压器
旁压器是对孔壁土（岩）体直接施加压力的部分，是旁压仪最重要的部件。
它由金属骨架、密封的橡皮膜和膜外护铠组成。旁压器分单腔式和三腔式两种，
目前常用的三腔式。三腔式旁压器由测量腔和上下护腔构成。测量腔和护腔互
不相通，但两个护腔是互通的，并把测量腔夹在中间。试验时有压介质（水或
油）从控制单元通过中间管路系统进入测量腔，使橡皮膜沿径向膨胀，孔周土
（岩）体受压呈圆柱形扩张，从而可以量测孔壁压力与钻孔体积变化的关系。
（2）控制单元
控制单元位于地表，通常是设置在三脚架上的一个箱式结构。其功能是控
制试验压力和测读旁压器体积（应变）的变化。一般由压力源（高压氮气瓶）、
调压器、测管、水箱、各类阀门、压力表、管路和箱式结构架等组成。
（3）管路系统
管路系统是用于连接旁压器和控制单元、输送和传递压力与体积信息的系
统，通常包括气路、水（油）路和电路。
2. 自钻式旁压仪
自钻式旁压仪通常由三部分组成：包含自钻结构的探头部分；设置在地面
的控制单元；连接控制单元和探头的管路部分。
121
自钻的原理是把装有旁压器的薄壁取样器用某一速率压入土中，同时用几
个转动的刀片将进入取样器内的土芯弄碎，形成钻屑，钻屑因刀片标高处射出
的液体作用而变成悬浮液，从旁压器的中央通过钻杆空心孔排到地面。取样器
刃脚向内倾斜，其外侧圆柱面和其上的旁压器外侧面为同一个圆柱面，这样旁
压器便随取样器同步进入土层中，并使得孔周土体免受扰动和保持其原始应力
状态及含水率状态。当旁压器进到预定位置后，便可进行旁压试验。
二、现场试验技术要点
1. 仪器检定和校准
旁压仪上的压力表，体变管应定期按规定进行检定。试验前，应对仪器进
行两项校准：①弹性膜约束力的校准，以确定在某一体积增量时消耗于弹性膜
本身的压力值；②仪器综合变形值的校准，求出仪器综合变形校正系数，以确
定量管中的液体在到达旁压器主腔以前的体积损失值。
2. 旁压试验所成钻孔应垂直，呈完整圆形，尽量减少孔壁土的扰动。对预
钻式旁压试验，其孔径应略大于旁压器外径，一般大 2～8mm。
3. 预钻孔旁压试验一般采用应力控制式试验。加压等级可采用预期临塑压
力的 1/5～1/7，初始阶段加荷等级可取小值。
4. 预钻式旁压试验，对孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁。成孔后应
尽快进行试验以免缩孔，间隔时间一般不宜超过 15min。自钻式旁压试验，在
粘性土中自钻就位后，会有一定的超孔隙水压力出现，应静待消散 1～2h 后再
开始试验。
5. 预钻式旁压试验过程中，每级压力下应维持 1min 或 2min 后再施加下一
级压力。维持 1min 时，加荷后 15s、30s、60s 测读变形量，维持 2min 时，加
荷后 15s、30s、60s、120s 测读变形量。
6. 自钻式旁压试验一般采用应变控制式试验。环向应变速率一般采用
1%/min（环向应变指孔壁径向位移和孔穴半径的比值），并当环向应变达到
10%～12%时终止试验。
7. 当试验加压接近仪器的容许变形量或容许力值时，应终止试验。
8. 回弹试验
122
旁压仪回弹试验的目的是原位测定土的回弹再压缩旁压模量或回弹再压缩
剪变模量。其试验方法与常规试验相似，只是当加荷至某一应力水平时，进行
卸荷，然后再加荷到原来应力水平，回弹试验结束后，一般一直加压到试验终
止。
9. 固结试验
对于可测孔隙水压力的自钻式旁压仪，可进行旁压固结试验。旁压固结试
验的方法就是将可测孔隙水压力的旁压器放入地基中某一位置，按照常规旁压
试验方法加压横向膨胀，至某一孔径时（一般相应于环向应变ε=10%），做保
持试验（欧美国家称为 holding test），即保持孔径不变，观测孔壁总压力和超静
孔隙水压力的消散过程。根据观测结果计算饱和土的水平向固结系数。
三、试验资料整理与成果应用
1. 试验读数校正
（1）体积校正
对于高压旁压试验，应进行试验体积校正。体积校正值根据仪器综合变形
标准结果确定。
（2）压力校正
绘制旁压试验曲线前，应进行试验压力校正，校正值根据弹性膜约束力标
准结果确定。
2. 绘制旁压曲线
（1）预钻式旁压试验
根据校正后的体积和压力绘制旁压曲线 P-V 和蠕变曲线 P-V 06 ′′ ～ 03 ′′ 。其
中 P 表示孔壁径向压力，V 表示校正后的体积变化量，V 06 ′′ ～ 03 ′′ 表示 60s 和
30s 的体积差。典型预钻式旁压试验曲线如图 5.6-1 所示。
（2）自钻式旁压试验
自钻式旁压试验由于其一般采用应变控制式试验，所以，旁压曲线常绘制
成 P-εc 或 P-ΔV/V0，这里的εc 表示孔壁环向应变；V0 表示钻孔初始体积，ΔV
表示钻孔体积变化。典型自钻式旁压试验曲线如图 5.6-2 所示。
123
图 5.6-1 预钻孔旁压试验曲线（P-V）
图 5.6-2 自钻式旁压线试验曲线（P-ΔV/V0）
124
3、确定压力特定值
由上图可以看出预钻孔旁压试验的 P-V 曲线可分为三段：
① 段一首曲线段为初步阶段；
② 段一似弹性阶段，压力与体积变化量大致成直线关系；
③ 段一尾曲线段处于塑性阶段，随压力的增大，体积变化量迅速增加。
由此可以确定三个压力特征值：
（1）原位水平土压力 P0 值，直线段延长与纵轴相交于 0V ′，与 0V ′ 对应的
压力为 P0。
（2）临塑压力 Pf 值，直线段的终点所对应的压力为 Pf。
（3）极限压力 P1，趋向与纵轴平行的渐近线时所对应的压力 P1。
自钻式旁压试验曲线上没有明显的压力特征值。实践上，一般确定以下几
个压力值：P0、P2、P4、P20。
P0：表示 ΔV/V0=0 的钻孔孔壁压力。注意这里的 V0 表示钻孔初始体积，ΔV
表示钻孔体积变化量；
P2：表示 ΔV/V0=2%的钻孔孔壁压力；
P4：表示 ΔV/V0=4%的钻孔孔壁压力；
P20：表示 ΔV/V0=20%的钻孔孔壁压力。
4. 推求不排水抗剪强度 Cu 值
采用旁压试验测定土的抗剪强度指标有许多方法，都处于探索阶段。这里
仅介绍依据自钻旁式试验曲线 P-ΔV/ V0 推求剪切曲线τ-ΔV/ V0，据此确定不排
水抗剪强度 Cu 值的方法。
如图 5.6-2，以作图法求得τ-ΔV/ V0 曲线。在 P-ΔV/ V0 曲线上任选一点 E
作切线交 P 轴于 G，则 E、G 二点在 P 轴上的差值即为 P，求出 P-ΔV/ V0 曲线
上各点，即得τ-ΔV/ V0 曲线，此曲线的峰值即 Cu 值。
5. 计算旁压模量
旁压试验变形模量简称旁压模量。根据压力与体积曲线的直线段斜率，可
按下式计算旁压模量。
125
VPVV
VE fCm ∆
∆+++= )
2)(1(2 0µ
式中：
Em——旁压模量（kPa）；
μ——泊松比(粉土取 0.35，粉质粘土取 0.38，粘土取 0.42)；
Vc——旁压器量测腔初始固有体积（cm3）；
Vo——与初始压力 P0对应的体积（cm3）；
Vf——与临塑压力 Pf 对应的体积（cm3）；
ΔP/ΔV——旁压曲线直线段的斜率（kPa/cm3）；
变形摸量 E0 反映了土层在垂直方向上的压缩性质，是沉降计算中常用的参
数。旁压模量是在侧向加荷条件下，综合反映了土层在水平方向上压缩与拉伸
性能。
6. 计算剪变模量 MG
根据弹性理论，按下式计算)1(2 µ+
= mM
EG
7. 根据以上确定的初始压力、临塑压力、极限压力和旁压模量，结合地区
经验可进一步评定地基承载力、粘性土的稠度状态和砂土的密实度，计算桩基
承载力和地基变形等。
第七节 扁铲侧胀试验
扁铲侧胀试验（简称 DMT）是意大利学者 MarchettiS.于七十年代发明的一
种原位测试技术，可作为一种特殊的旁压试验，是用静力（有时也用锤击动力）
把一扁铲形探头贯入到土中某一预定深度，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向
外扩张进行试验，量测不同侧胀位移时的侧向压力，可用于土层划分与定名、
不排水剪切强度、应力历史、静止土压力系数、压缩模量、固结系数等的原位
测定。其优点是操作简便，快速，重复性好，经济实用，近年来发展很快。
126
扁铲侧胀试验适用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用
于含碎石的土、风化岩等。
一、试验设备
扁铲侧胀仪是由 1 只扁铲形探头（图 5.7-1）、1 个控制箱（图 5.7-2）、气 -
电管路、压力源、贯入设备、探杆等组成。
扁铲形探头的尺寸为长 230～240mm、宽 94～96mm、厚 14～16mm，铲前
缘刃角为 12°～16°mm，在扁铲的一个侧面上装有一直径为 60mm 的薄钢膜
片，膜片厚约 0.2mm，通过穿在杆内的一根柔性气-电管路和地面上的控制箱相
连接。探头采用静力触探设备或液压钻机压入土中。
二、试验要点
1. 试验点布置
扁胀试验点竖向间距一般为 0.2～0.5m，通常采用 0.2m。
2. 仪器标定
试验前应对仪器进行标定。测出侧胀器在空气中自由膨胀时的膜片中心外
移 0.05mm 和 1.10mm 所需的压力 ΔA 和 ΔB。标定前应在空气中反复加荷、卸
荷，以消除膜片本身及装配时遗留的残余应力。膜片的合格标准为：ΔA=5～
25KPa，ΔB=10～110KPa。
3. 试验方法
（1）试验时先将扁铲以 20±5mm/s 的速率贯入到地层中某一预定深度。
127
（2）立即（不超过 15s）加气压开始试验，膜片在气压作用下压向土体，
当膜片刚开始向外扩张时（膜片中心向外侧张位移 0.05mm），发出一电信号（蜂
鸣器发声或指示灯发光），测读该时气压 A；当膜片中心外移 1.10mm 时发出电
信号，测读此时气压 B；控制降低气压，当膜片内缩到开始扩张的位置，测读
该时气压 C。三个压力读数 A、B、C 应在贯入停止后 2min 内完成。
（3）若要估算原位的水平固结系数，可进行扁胀消散试验，则在正常读取
压力 A、B、C 后，于释放贯入力后，经 1、2、4、8、15、30…….min 时读取
压力 C 随时间 t 的变化，直到 C 压力的消散超过 50%为止。
三、试验成果分析与应用
1. 对试验的实测数据进行膜片刚度修正：
P0=1.05(A-Zm+ΔA)-0.05(B- Zm -ΔB)
P1=B- Zm -ΔB
P2=C- Zm +ΔA
式中：
P0——膜片向土中膨胀之间的接触压力（kPa）;
P1——膜片膨胀至 1.10mm 时的压力（kPa）;
P2——膜片回到 0.05 时的中止压力（kPa）；
Zm ——调零前的压力表初读数（kPa）。
2. 根据 P0、P1 和 P2 计算下列指标：
ED=34.7(P1—P0)
KD=(P0—u0)/ σV0
ID=(P1—P0)/(P0—u0)
UD=(P2—u0)/(P0—u0)
式中:
ED——侧胀模量（kPa）;
KD——侧胀水平应力指数；
ID——侧胀土性指数；
UD ——侧胀孔压指数；
128
uo ——试验深度处的静水压力（kPa）;
σV0 ——试验深度处土的有效上覆压力（kPa）。
3. 绘制 ED、ID、KD、和 UD 与深度的关系曲线。
4. 根据扁铲侧胀试验指标和地区经验，可判别土类，确定粘性土的状态、
静止侧压力系数、水平基床系数等。
扁铲侧胀试验在我国开展较晚，成果的应用经验目前尚不丰富。应用时必
须结合当地研究成果，并与其他测试方法配合，相互印证。
第八节 波速试验
当动荷载作用于地基土表面时，质点的振动将以波动的形式由近至远向外
传播，由震源传出去的波包括体波和面波。体波包括纵波（即压缩波、简称 P
波）和横波（即剪切波，简称 S 波），纵波质点振动方向与波传播方向一致，
波速用 vP 表示，横波质点振动方向与波传播方向垂直，波速 vS 用表示。横波
质点振动又可分解为垂直面内极化的 SV 波和水平面内极化的 SH 波，面波成
分中主要是瑞利波，波速用 vR 表示，质点振动轨迹为椭圆，其长轴垂直于地面，
旋转方向与波的传播方向相反。面波是由体波在地表附近相互干涉严重的次生
波，沿着地表传播。
波的传播与传播介质之间存在着密切的关系，通过岩土层的波速测试，可
以解决工程地质、工程抗震等领域中的诸多问题，如为土动力分析计算提供地
层的动弹性模量 Ed、动剪切模量 Gd 和动泊松比、应用于场地土的类型划分和
场地土层的地震反应分析、配合其它测试方法综合评价场地的工程力学性质等。
波速原位测试方法主要有单孔法、跨孔法和瑞利面波法。
一、单孔法
1. 方法原理
单孔法通常是指在地面或在信号接收孔中激振时，检波器在一个垂直钻孔
中自上而下（或自下而上）逐层检测地层的 P 波或 S 波，计算每一层的 P 波或
S 波波速，称为单孔法。单孔法测试的是地层竖向平均值，主要有以下两种测
129
试方法：
（1）地表激发孔中接收
这是最常用的测试方法，可测波形为 P 波、SH 波。
（2）孔中激发孔中接收
使用一发多收专门探头（收发距一定）在孔中点测或连续测量，可测波形
为 P 波、SV 波。
本节单孔法测试以地表激发孔中接收方法为主进行介绍。
图 5.8-1 是单孔法波速测试示意图。检波器放入待测深度位置，连接准备
好设备后，通过敲击木板的两端，使木板与地面之间产生水平剪切力而产生 SH
波，这样可获得两个起始相位相反的 SH 波时域波形曲线（见图 5.8-2），确定
SH 波初至时间，以计算 SH 波波速。
2. 仪器设备（表 5.8-1）
130
单孔法仪器设备结构及要求 5.8-1
振 源
木板：长 2～3m、宽 300～400mm、厚 40～60m，硬杂土，木板上压约
400kg 重物。 圆钢板：板厚约 30mm、直径 250mm。 重锤（木锤或铁锤）或炸药：采用重锤水平敲击上压重物的木板两端产
生 SH 波；采用重锤竖向敲击圆钢板，或采用炸爆破产生 P 波
触发器 压电晶体传感器安装在重锤上，或者用地震检波器安装于木板正下方
或圆钢板（或爆破点）附近。重锤敲击木板或圆钢板（或炸药爆破）时产
生脉冲电压，信号计时开始。触电器的性能应稳定，其灵敏度宜为 0.1ms
三分量检
波器
由置于密封钢质圆筒中的一个竖向（接收 P 波）、两个水平（互相垂直，
接收 SH 波）地震检波器组成。三分量检波器外侧的气囊（通过塑料气管
连通至地面气泵）充气后使三分量检波器与孔壁紧密接触，检波器信号通
过屏蔽电缆线接至地面信号采集分析仪
采集分析
仪
采用地震仪或其它多通道信号采集分析仪（四个通道以上）。这些仪器
应具有信号放大倍数高、噪音低、相位一致性好的特点，要求时间分辨精
度在 1μs 以下，同时有滤波、采集记录、地层波速数据处理等功能。
3. 现场测试技术要求
（1）测试孔应与铅直方向一致。
（2）当剪切波振源锤击上压重物的木板时，木板的长向中垂直线应对准测
试孔中心，孔口与木板的距离宜为 1.0～3.0m，木板应与地面紧密接触，板上
所压重物宜大于 400kg 或用测试车的两前轮对称压住压板；木板应与地面紧密
接触，对于坚硬地面，可在木板底面加胶皮或砂子，对松软地面，可在木板底
面加若干长铁钉，以提高激振效果。
（3）当压缩波振源采用铁锤敲击钢板时，钢板距孔口的距离宜为 1.0～
3.0m。
（4）测点布置应根据工程情况和地质分层确定，每隔 1～3m 布置一个测
点。一般情况下测点布置在地层的顶底板位置，对于厚度大的地层，中间可适
当增加测点。一般宜自下到上的顺序进行检测。
（5）测试时要保证充气的探头与孔壁紧贴，测试过程中严格控制测点的深
度误差。
（6）木锤应分别水平敲击振源板的两端，两次敲击的信号波形清晰、初至
131
基本重合且剪切波信号相反时，记录的结果方能有效。
（7）测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点
总数的 10%。
4. 数据处理
（1）波形鉴别
图 5.8-2 为实测正、反向 SH 波形曲线，根据不同波的初至和波形特征进行
波形识别：
1）压缩波速度比剪切波快，压缩波为初至波。
2）敲击木板正反向两端时，剪切波波形相位差 1800，而压缩波不变。
3）压缩波传播能量衰减比剪切波快，离孔口一定深度后，压缩波与剪切波
逐渐分离，容易识别。它们的波形特征：压缩波幅度小、频率高；剪切波幅度
大、频率低。
（2）波速计算
根据测试曲线的形态和相位确定各测点实测波形曲线中 P、S 波的初值，
得到从振源点到各测点深度的历时，按下式分层计算地层平均波速：
i
ii T
Hkv∆∆⋅
= 2
22
i
i
hLh
k+
=
式中 iν ——某层 P 波或 S 波的平均波速；
ΔHi——某层厚度；
ΔTi——波通过该层的时间；
K——深度校正系数；
L——孔口距；
hi——某一层的层底深度。
二、跨孔法
1. 方法原理
跨孔法是在两个以上垂直钻孔内，自上而下（或自下而上），按地层划分，
在同一地层的水平方向上一孔激发，另外钻孔中接收，逐层检测水平地层的 P
132
波和 S 波的波速。图 5.8-3 是典型的
跨孔法波速测试装置示意图，三个孔
在一条直线上布置，一个孔为振源激
发孔，另两个孔为信号接收孔，这样
可以避免激发延时给波速计算带来
的误差。
2. 仪器设备
（1）振源
① 剪切锤
跨孔法振源一般使用孔中剪切锤（如图
5.8-4），它是由一个固定的圆筒体和一个滑动质
量块组成。当它放入孔内测试深度后，通过地面
的液压装置和液压管相连，当输液加压时，剪切
锤的四个活塞的推出筒体扩张与孔壁紧贴。工作
时突然上拉绳子，使其与下部连接剪切锤滑动质
量块冲击固定的圆筒体，筒体扩张板与孔壁地层
产生剪切力，在地层的水平方向即产生较强的 SV
波，由相邻钻孔的垂直检波器接收；将滑动质量
块拉到最高点松开拉绳，滑动质量块自由下落，
冲击固定筒体扩张板，则地层中会产生与上拉时
波形相位相反的 SV 波。与此同时，相邻钻孔中径向水平检波器可接收到由激
发孔传来的该地层深度的 P 波。
② 重锤标贯装置
跨孔法振源也可以使用标贯空心锤锤击孔下的取土器，孔底地层受到竖向
冲击时，由于振源的偏振性使地层水平方向产生较强的 SV 波，沿水平方向传
播的 SV 波分量能量较强，在与振源同一高度的接收孔内安装的重直向检波器，
能收到由振源经地层水平传播的较清晰的 SV 波波形信号。这种振源结构简单，
操作方便，能量大，适合于浅孔，但需考虑振源激发延时对测试波速的影响。
133
（2）三分量检波器及信号采集分析仪
跨孔法需要两个接收孔内都安置三分量检波器，信号采集分析仪应在六通
道以上，其它性能指标要求与单孔法相同。
3. 现场测试技术要求
（1）钻孔布置
跨孔法波速测试一般需在一条平行地层走向或垂直地层走向的直线上布置
同等深度的三个钻孔。有时为了节约经费，避免下套管和灌浆等工序，只用两
个钻孔作跨孔法测试。
（2）钻孔直径
钻孔孔径以能保证振源和检波器顺利在孔内上下移动的要求。根据工程实
践经验，对于岩石，不下套管时孔径一般为 55～80mm，下套管时孔径一般为
110mm；对于土层，钻孔孔径一般为 100～300mm。
（3）钻孔间距
钻孔间距要综合考虑波的传播路径及测试仪器的计时精度，一般的钻孔间
距，在土层中 3～6m 为宜，在岩层中 8～12m 为宜。
（4）套管与孔壁空隙的充填
钻孔宜下塑料套管，套管与孔壁的空隙用于砂充填密实，但最好采用灌浆
法，将由膨润土、水泥和水的配比为 1:1:6.25 的浆液自下而上灌入套管与孔壁
之间，其固结后的密度接近土介质的密度。这样使孔内振源、检波器与地层介
质间能够更好的耦合，以提高测试精度。
（5）孔斜测定
跨孔法的钻孔应尽量垂直，并用高精度孔斜仪测定孔斜及其方位，计算出
各测点深度处的实际水平孔距，供计算波速时用。
（6）测点设置
测试一般从离地面 2m 深度开始，其下测点间距为每隔 1～2m 增加一测点，
也可根据实际地层情况适当调整，一般测点宜选在测试地层的中间位置。
（7）检查测量
为了保证测试精度，一般应按 10%的比例对测量点进行检查测量。
134
4. 数据处理
根据某测试深度水平、竖向检波器的波形记录，分别确定 P、S 波到达两
接收孔的初至时间 TP1、T P2 和 TS P1、T S P 2；根据孔斜测量资料，计算由振源
到达每一接收孔距离 S1、S2 及差值 ΔS= S2-S1，然后按下式计算相应测试深度
的 P 波、S 波波速值：
12 PPP TT
Sv−∆
= ；12 SS
s TTSv−∆
=
三、波速在工程中的应用
1. 岩土弹性参数的计算
根据横波波速（或由瑞利波波速转换得到）及纵波波速，按以下公式计算
弹性参数：
22
222 )43(
SP
SPSd vv
vvvE−−
=ρ
2Sd vG ⋅= ρ
)34( 22
SP vvM −= ρ
)(22
22
22
SP
SP
vvvvv
−−
=
式中：Ed、Gd、M、ρ——分别为地基土的动弹性模量、动剪切模量、动
体积模量、质量密度。
根据上式得到 Ed 与 Gd的关系为：
)1(2 vE
G dd +=
2. 地基刚度和阻尼比计算
由弹性半空间振动理论对动力机器基础进行动力反应分析时，要提供地基
刚度系数、阻尼比等动力参数。根据横波波速计算地基抗压刚度系数和地基竖
135
向阻尼比公式如下：
0
2
2 )1(4
)1(1284.1
Rvv
AvEC Sd
Z πρ
−=
−=
Z
Z B425.0
0 =ξ
式中：
Cz、0Zξ ——分别为地基抗压刚度系数、地基竖向阻尼比；
A、R0、Bz——分别为基础底面积、基础半径、基础修正质量比。
3. 划分土的类型和建筑场地类别
工程勘察中，根据波速测试结果划分地基土的类型和建筑场地类别，具体
划分标准参见《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）。
4. 计算建筑场地地基卓越周期
地基卓越周期在抗震设计中，是防止建筑物与地基是否产生共振的依据。
卓越周期一般通过地脉动测试获得。日本学者经过剪切波速 vs 与地脉动测试的
对比研究，提出单一土层的地基，由剪切波速 vs 计算地基卓越周期 Tc 的公式
如下：
Tc=4h/V
式中 h——计算厚度（m），相当于《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）
中的覆盖层厚度 dov。
多层土组成的地基卓越周期（T‘c），根据日本《结构计算指南和解说》（1986
年版）的规定，按下式计算：
}/)2
({32 2
1
1Si
n
i
iiiC vHHhT ∑
=
− +=′
式中 Hi、Hi-1——分别为基础底面（或刚性端承桩支承面）至第 i、i-1 层土
底面的深度（m），若计算场地卓越周期，则应从自然地面起算；
vSi——实测第 i 层土的剪切波速度（m/s）;
hi——第 i 层的厚度（m）。
136
按《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）划分的四类场地，场地卓越周
期的经验值如表 5.8-2。
不同场地类别的卓越周期 表 5.8-2
场地类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
卓越周期 Tc(s) ≤0.1 0.1<Tc≤0.4 0.4<Tc≤0.8 >0.8
5. 地震工程
在对场进行地震动小区划和地震反应谱分析时，均需进行钻孔剪切波速测
试，并提供 vS 随深度变化的资料，以便根据地层的剪切波速确定土层的最大剪
变模量，为土层地震反应分析提供必需参数。
6. 检验地基加固处理的效果
常规的载荷试验、静力触探、标贯试验能提供地基加固处理后的承载力可
靠资料。但如能在地基加固处理的前后进行波速测试，则可作出评价地基承载
力的辅助资料。因为地层波速与岩土的密实度、结构等物理力学指标密切相关，
而波速测试（如瑞雷波法）测试效率高，掌握的数据面广，而成本低。将波速
法与载荷试验等结合使用，无疑是评价地基加固处理效果的经济而有效的手段。
第九节 岩体现场剪切试验
现场直剪试验是为了测定
岩土体抵抗剪切破坏的能力，为
地（坝）基、地下建筑和边坡的
稳定计算分析提供抗剪强度参
数而在岩土体现场制备大尺寸
试体，预定剪切面、在垂直（法
向）压应力作用下，施加剪切力，
137
直至试体剪切破坏的试验。其基本原理与室内剪切试验相同。
现场直剪试验包括岩土体
本身、岩土体沿软弱结构面和岩
体与其他材料接触面三个方面
的剪切试验。可分为岩土体试体
在法向应力作用下沿剪切面剪
切破坏的抗剪断试验，岩土体剪
断后沿剪切面继续剪切的抗剪
试验(摩擦试验)，法向应力为零
时岩体剪切的抗切试验。
应根据现场工程地质条件、
工程荷载特点，可能发生的剪切
破坏模式、剪切面的位置和方向、剪切面的应力等条件，确定试验对象，选择
相应的试验方法。
岩土体与砼接触面的抗剪强度是通过抗剪断试验和剪断后对接触面的抗剪
试验测定的。岩土体本身、岩土体软弱结构面的抗剪强度是通过抗剪试验测定
的。
现场直剪试验可在试洞、试坑、探槽或大口径钻孔内进行。当剪切面水平
或近于水平时，可采用平推法或斜推法，当剪切面较陡时，可采用楔形体法，
见受力示意图 5.9-1，图 5.9-2。同一组试验应尽可能处在同一高度或层位上，
其地质条件应基本相同，试验过程中的受力状态应与岩体在工程中的受力状态
相近似。
一、仪器设备
1. 试体制备设备：符合试体尺寸要求的切石机、模具、人工开挖工具等。
2. 加载设备：500～3000KN 的液压千斤顶，行程≥70mm。手动或电力液
压泵、压力表、测力计等。
3. 传力设备：具有足够刚度的传力柱、钢垫块、液轴排、钢梁等。
4. 量测设备：百分表（0.01mm，量程 ≥50mm）、千分表（0.001mm，量程 ≥2～
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5mm）磁性表座、万能表架、测量标点、量表支架等。
二、试验技术要点
1. 开挖试坑时应避免对岩土试验体的扰动和含水量的显著变化。在地下水
位以下试验时，应避免水压力及渗流对试验的影响。
2. 每组岩体试验不宜少于 5 处。试体剪切面积一般为 70cm×70cm，最小边
长不宜小于 50cm，高度为其边长的一半。对倾斜岩体弱面进行直剪试验，可制
备楔形试体。每组土体试验不宜不小于 3 个。剪切面积不宜小于 0.3m2，高度
不宜小于 20cm 或为最大粒径的 4-8 倍，剪切面开缝应力最小粒径的 1/3-1/4。
3. 试体之间的距离应大于剪切面边长的 1.5 倍，以免试验过程中互相影响。
4. 垂直加载系统的合力中心应垂直作用于剪切面中心。
5. 平推法剪力作用点与剪切面的偏距愈小愈好，应严格控制在剪切面边长
的 5%以内。斜推法剪力作用线倾角一般采用 150，并应通过剪切中心。
6. 位移量表安装的支座应设在试验作用力的影响范围以外，埋设牢固可
靠。
7. 作用在剪切面上的垂直（法向）荷载最大值应大于设计荷载。一般按等
量分级，将最大垂直压应力分成 4-5 个不同等级，作为同一组试验施加在各个
试体上的垂直压应力。
8. 每施加一次荷载，随即测读垂直位移量，此后，每隔 5min 测读一次，
待连续两次测读差不超过 0.01mm 时（对岩体弱面或软弱岩体，视其性状，每
隔 10min 或 15min 测读一次，连续两次读差不超过 0.05mm），认为垂直位移稳
定，即可施加下一级荷载。依此施加到预定荷载为止。
9. 剪切荷载位于剪切缝中心（平推法）或作用于剪切面中心（斜推法）。
试验时，按预估最大剪力的 8%-10%分级施加。每 5min 施加一级（对于岩体软
弱结构面，软弱岩体自身试验，视其性状及充填情况，每 10-15min 施加一级）。
土体按每 30s 施加一级，施加剪力前后，应测读各量表。当施加剪力所引起的
剪切位移为前一级的 1.5 倍以上时，下一级剪力则减半施加。
当达到剪力峰值、剪切变急剧增长或剪切变形达到试体尺寸的 1/10 时，可
终止试验。
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10. 试验过程中，应保持剪切面上的垂直压应力不变。
11. 根据剪切位移大于 10mm 时的试验成果确定残余抗剪强度，需要时，
可沿剪切面继续进行摩擦试验。
三、成果分析与应用
1. 计算剪切面应力
（1）平推法
FP
=σ FQ
=τ
（2）斜推法
FQP ασ sin+
= F
Q ατ cos=
2. 绘制剪应力与剪切位移关系曲线。
根据同一组直剪试验结果，以剪应力为纵轴，剪切位移为横轴，绘制每一
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试验的剪应力与剪切位移关系曲线，而后从曲线上选取剪应力的峰值和残余值，
如图 5.9-3 所示。也可从曲线的线性比例极限点或屈服点选取剪应力值。
3. 绘制剪应力与垂直压应力关系曲线
根据剪应力峰值（或屈服值、残余值等）与相应的垂直压应力，以剪应力
为纵轴，垂直压应力为横轴，绘制关系曲线，如图 5.9-4 所示。
4. 确定抗剪强度参数
抗剪强度参数包括摩擦系数（f=tanφ）和粘聚力 c，确定方法有图解法或最
小二乘法。
图解法
根据同一组试验结果（图 5.9-4 上剪应力与相应的垂直压应力分布点）作
平均直线（或曲线），使其尽可能接近所有的各点，舍弃偏离直线（或曲线）较
远的个别点。由直线（或代表曲线）的斜率及其在纵轴上的截距，确定摩擦角
φ和黏聚力 c。
第十节 岩体原位应力测试
岩体应力是泛指存在于岩体内部的应力，它包括岩体初始应力和围岩应力。
岩体初始应力是指天然状态下岩体内赋存的应力，它又称原岩应力，在地震地
质领域常称地应力，它主要由上覆岩层重力形成的自重应力和由地壳运动所产
生的构造应力（包括现今构造应力和残余构造应力）所组成。围岩应力是指岩
体被扰动后引起重分布的应力，又称二次应力，它是由于人工开挖等工程活动
而形成。
岩体应力在有些地区表现很高，在那里进行地下洞室等岩土工程建设时，
常会遇到岩层剥落、弯曲变形、隆起或其他稳定问题。这些地区了解场地的岩
体应力大小和方向，对工程设计与施工是至关重要的。在另一些地区岩体应力
虽然不是很高，但它对重大地下工程的最佳形状、布置方向、支护系统和最终
费用也可能有重大影响。所以岩体应力已成为岩土工程建设极其重要的基本资
料。
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岩体应力与场地的地质构造、地形地貌、岩体特性、成岩过程以及人为的
工程活动有关，岩体应力测量方法有很多种，一般采用孔壁应变法、孔径变形
法和孔底应变法测求岩体空间应力和平面应力。
钻孔孔壁应变法：是借助粘贴在钻孔孔壁上的电阻应变片测量套孔应力解
除前后孔壁表面应变变化，根据弹性理论计算岩体中一点的三向应力。
钻孔孔径变形法：是通过套孔钻进测量解除前后孔径变化来确定岩体应力。
目前主要采用钻孔变形计和压磁应力计两种测试方法。
钻孔孔底应变法：是借助于粘贴在钻孔底面上的电阻应变片，测量套钻解
除前后孔底岩体的应变变化，利用弹性理论的经验公式及岩石的弹性模量计算
应力。
一、适用范围
上述三种方法的适用范围如表 5.10-1
三种方法的适用范围 表 5.10-1
测试方法 适用范围及特点
钻孔孔壁应变法
1、适用于完整或较完整致密和细粒结构的岩体，在破碎岩体、
薄层或出现饼状岩芯处不宜使用。 2、在地下水位以下的岩体不宜使用。 3、只需通过一个钻孔测量，即能取得三向应力。
钻孔孔径变形法
1、适用于完整、较完整岩体。在破碎岩体、薄层或出现饼状岩
芯处不宜采用。 2、测试深度一般在 50m 以内。 3、通过一个钻孔的试验，可以确定垂直孔轴平面上的应力。如
果要确定三向应力，则必须在三个独立方向上进行试验。
钻孔孔底应变法
1、适用于地下水位以上完整和较完整的致密与细粒结构的岩体。
在有一定程度破碎的岩体和出现饼状岩芯的地区，也可使用。 2、采用孔底应变计测量岩体三向应力，需要钻三个交会孔，三
孔的布置应将两侧斜孔与中间垂直孔形成 450夹角。 3、测试深度一般在 20m 以内。
二、主要仪器设备
1. 钻孔孔壁应变法：
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（1）钻孔设备：钻机、与应变计配套的钻头，孔底磨平钻头、锯形钻头等。
（2）量测仪表：钻孔三叉式应变计、或空心包体式应变计、或深孔应变计、
静态电阻应变仪。
（3）安装设备：送进杆及安装器、孔壁、孔端擦洗器及烘干器、水平及垂
直定向装置、围岩率定器、稳压电源设备等。
2. 钻孔孔径变形法：
（1）钻孔设备：钻机、与应变计配套的钻头，孔底磨平钻头、锯形钻头等。
（2）量测仪表：四分向环式钻孔变形计、电阻应变仪或压磁应力计。
（3）安装设备：送进杆及安装器、孔壁、孔端擦洗器及烘干器、水平及垂
直定向装置、围岩率定器、稳压电源设备等。
3. 钻孔孔底应变法：
（1）钻孔设备：钻机、与应变计配套的钻头，孔底磨平钻头、锯形钻头等。
（2）量测仪器：孔底应变计、静态电阻应变仪、预洞平衡接线箱。
（3）安装设备：送进杆及安装器、孔壁、孔端擦洗器及烘干器、水平及垂
直定向装置、围岩率定器、稳压电源设备等。
三、测试技术要点
1. 测试岩体原始应力时，测点深度应超过应力扰动影响区，在地下洞室中
进行测试时，测点深度应超过洞室直径的二倍。
2. 在测点测试段内，岩性应均一完整。
3. 应力测试的稳定标准为连续三次读数（每隔 10min 读一次）之差不超过
5με。
4. 同一钻孔内的测试读数不应少于三次。
5. 测试方法如下：
（1）钻孔孔壁应变法
① 在选定试验部位，用φ110mm 或φ130mm 钻头钻至预定深度，并取出
岩芯。当钻水平孔时，钻孔一般要求上倾 3º～5º ，以便排水排渣。套钻程序
见图 5.10-1；
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② 用磨平钻头磨平孔底；
③ 用锥形钻头在孔底钻一喇叭口；
④ 用φ36（或φ46）mm 钻头钻一孔深 300～400mm 的同心孔，如果取出
的岩芯无裂隙，即可作为测试区段；
⑤ 先用清水将测试段冲洗干净。如果是三叉式和包体式应变计则还需用高
压空气吹干或用电热烘烤器烘干（注意温度不要太高），最后用丙酮擦洗干净；
⑥ 用安装杆将应变计送入测孔。如果是三叉式应变计，则推进安装杆，使
楔形块前进，此时橡皮叉张开，使贴有环氧树脂胶的应变丛紧贴在孔壁上；如
果是空心包体式应变计，则推动安装杆，使空腔内胶粘剂从栓塞小孔流出，进
入应变计和孔壁之间的间隙，从而使应变计固结在测孔里。如果是深孔应变计，
应首先在应变计前端的胶罐里注满胶粘剂，并用安装器将应变计送入测试孔，
利用安装器自重，将应变计牢固地粘结在孔壁上，最后接通电源加热罗盘，
30min 后切断电源，使罗盘自冷定向；
⑦ 套钻解除，用φ130mm 钻头下入孔内，并向孔内充水，同时测读应变
计的初始应变值。当数值稳定后，即可开机进行套钻解除，一般要求每解除 2～
3cm 深度测读一次，直到应变计读数稳定为止，解除结束；
⑧ 取出带有应变计的岩芯，将它放入围压率定器内进行率定，确定岩石的
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弹性模量；
⑨ 对取出的岩芯及附近地层情况进行描述。
（2）钻孔孔径变形法
① 在选定试验部位用φ110mm 或φ130mm 钻头钻孔至预定深度，并取出
岩芯，记录钻孔深度、方位角与倾角。套钻程序如图 5.10-1 所示；
② 用φ110mm 或φ130mm 磨平钻头磨平孔底。然后再用φ110mm 或φ
130mm 锥形钻头在孔底钻出深约 5cm 的喇叭口；
③ 用φ36mm 钻头钻一深约 300～400mm 的同心孔，并将钻孔冲洗干净；
④ 将变形计（或应力计）与送进杆连接，将其送入φ36mm 钻孔，并使之
固定。记录其测量方向，而后取出送进杆；
⑤ 用φ110mm 或φ130mm 钻头下入孔内，同时将变形计（或应力计）导
线穿过钻头、钻杆引出并与应变仪（或应力仪）相接；
⑥ 向钻孔内充水，待仪器读数稳定后，记录初始读数；
⑦ 套钻解除应力，一般每解除（即套钻钻入深）2～3cm 读数一次，直到
仪器读数稳定或解除深度达到岩芯直径的 1/2，套钻解除结束；
⑧ 取出带有变形计（或应力计）的岩芯，放到围压率定器内进行率定。至
此，现场试验结束。
（3）钻孔孔底应变法
① 钻孔：用φ76mm 钻头在试验部位至预定深度，取出岩芯并判明孔底是
否满足测试要求。否则继续钻进；
② 磨平孔底：先下入粗磨平钻头，对孔底进行粗磨，达到要求后再用细磨
平钻头进行细磨，使孔底达到平整光滑；
③ 洗孔：用清水将孔底、孔壁上岩粉冲洗干净。然后再高压风将孔底吹干
或用烘干器烘干。再用丙酮擦洗干净；
④ 粘贴应变计：用绷带包脱脂棉，蘸上环氧树脂胶，并将其送入孔底涂抹，
使孔底涂上一层树胶，然后，将底面涂有树胶的应变计用带有安装器的安装杆
送到孔底。应注意，当接近孔底时，必须调整到水平位置，然后用力将应变计
压贴在孔底平面三分之一直径范围内；
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⑤ 套钻解除与应变测试：待粘贴应变计的环氧树脂凝固后，即可测记应变
计的初始值，随后将安装器取出并下入钻头，开机钻进解除。当钻进 10～20cm
时，停止钻进、取出装有应变计的岩芯，测记解除后的应变计读数，并把岩芯
编号，进行弹性模量试验；
⑥ 记录测试段孔深、钻孔方位及其倾角。
四、测试成果整理及应用
1. 根据测试成果计算岩体平面应力和空间应力，计算方法应符合现行国家
标准《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）的规定。
2. 根据岩芯解除应变值和解除深度，绘制解除过程曲线。
3. 根据围压试验资料，绘制压力与应变关系曲线，计算岩石弹性常数。
参考文献 1《岩土工程试验监测手册》 林宗元主编 中国建筑工业出版社 2005 年 2《工程地质手册》 （第三版） 中国建筑工业出版社 1994 年 3《土工试验技术手册》 南京水利科学研究院土工研究所编著 人民交通出版社
2003 年 4 中华人民共和国国家标准 《岩土工程勘察规范》 GB 50021-2001（2009 年版） 5 中华人民共和国国家标准 《土工试验方法标准》 GB/T 50123-1999 6 中华人民共和国国家标准 《工程岩体试验方法标准》 GB/T 50266-99 7 中华人民共和国国家标准 《建筑地基基础设计规范》 GBJ 50007-2011 8 中华人民共和国国家标准 《湿陷性黄土地区建筑规范》 GB 50025-2004 9 中华人民共和国国家标准 《地基动力特性测试规范》 GB/T 50269-97 等
