2025 年 8 月 6 日 18:00，南京地铁 5 号线北段列车驶出站台，全线正式贯通。这条“地质博物馆级”线路，穿越岗地、秦淮河漫滩、古河道漫滩及长江漫滩等多种地貌单元，岩层、砂层、卵石层、粘土层相互交错，形成复杂多变的地质结构。要在市中心叠落建站、下穿 2 号线、零干扰换乘，第一步不是开挖，而是把土“请”进实验室——在土体尚未被惊动之前，先用实验室里的仪器摸清楚它的“脾气”。
图片来源：南京日报
把工地搬进实验室——取土就像“抽盲盒”
取土本身就是一场与扰动的赛跑。薄壁取土器在软粘土中静压进入，砂卵石层则先冻结再取样，蜡封、冷链、48小时内开样，只为保住天然含水率与微观结构。接下来，通过一系列室内岩土试验，回答同一个问题：土体在地铁全生命周期内究竟会如何变形、如何振动、如何与结构对话？
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地铁隧道室内岩土试验关键技术与应用
南京地铁5号线建设之初需要进行大量的室内岩土试验，不仅要现场采集各种类型的土到实验室做试验评估，还要考虑地铁建完后的后期影响，以及其他工程或环境变化对已建地铁的影响。
01
室内岩土试验：
地铁隧道全生命周期的科学基石
室内岩土试验为隧道工程的设计、施工和长期安全运营提供关键的数据支持和理论依据。室内岩土试验是地铁隧道建设全生命周期（勘察→设计→施工→运维）的科学基础，其数据质量直接关系到工程的经济性、安全性和耐久性。
（1）岩土参数获取与工程设计
力学性质测试：室内岩土试验测定岩土体的抗压强度、抗剪强度、弹性模量等参数，直接影响隧道支护结构（如衬砌厚度、锚杆设计）的承载力计算。
变形特性分析：固结试验、蠕变试验等可预测隧道开挖后的围岩变形趋势，避免地面沉降超标或隧道收敛变形。
渗透性评估：渗透试验确定地层渗流特性，为防水设计（如注浆材料选择、排水系统布置）提供依据。
（2）数值模拟与理论模型校准
室内岩土试验获取的岩土参数数据是有限元分析（FEM）或离散元（DEM）模拟的基础，确保数值结果贴近实际地质条件。
（3）地质灾害风险预控
液化判别：动三轴试验评估砂土层在地震或振动荷载下的液化风险，避免隧道施工中突水、涌砂。
膨胀岩土处理：通过膨胀率试验识别易吸水膨胀的岩土，提前设计化学加固或隔离层。
软弱地层稳定性：流变试验预测软岩或黏土的长期蠕变，防止隧道后期变形破坏。
（4）施工方法与工艺优化
盾构参数设定：室内岩土试验分析土体的流塑性、渗透性等岩土参数，作为盾构机的推进压力、刀盘扭矩等参数调整依据。
爆破或机械开挖适应性：岩石的硬度、裂隙发育程度（通过三轴试验、点荷载试验）决定是否采用钻爆法或TBM掘进机。
注浆效果验证：室内模拟注浆材料与地层的相互作用，优化浆液配比和注浆压力。
（5）特殊工况应对
冻土隧道：低温环境下岩土的热物理性质试验（导热系数、冻胀率）指导冻结法施工。
复杂应力条件：真三轴试验、空心扭剪试验等满足室内模拟复杂应力条件，进行隧道长期稳定性研究。
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02
典型试验与地铁应用
试验类型 | 获取参数 | 地铁工程 |
三轴剪切试验 | 黏聚力（c）、内摩擦角（φ） | 隧道支护结构设计、土压平衡盾构参数设定 |
固结试验 | 压缩指数（Cc）、先期固结压力（Pc） | 预测软土区地铁车站基坑沉降，控制差异沉降 |
渗透试验 | 渗透系数（k） | 富水地层降水方案设计、防渗帷幕施工优化 |
动态三轴试验 | 动剪切模量、液化势 | 地震区地铁隧道抗震设计（如液化土层加固） |
03
隧道工程中室内岩土试验的
局限性与技术发展方向
局限性：室内单元体试验可能无法完全代表现场复杂地质，需结合现场原位试验。
新技术发展：
（1）CT三轴、核磁三轴：重构岩土细观结构，模拟裂隙渗流。
（2）离心机：真实复现地层应力历史，模拟长期时效行为。
精确测量土力学性能的“神器”
本文就带大家盘点一下，在例如南京地铁5号线这样的大型地铁建设项目中，有哪些“神器”可以在室内岩土实验室精确测量各类土壤的力学性能。
动三轴试验
科研型动三轴测试系统DYNTTS
高级动态三轴试验系统 (DYNTTS) 是一套高端的试验设备，它将三轴压力室和动力驱动器合为一体，可以施加最大5Hz的动态荷载、变形和应力。
轴向加载由装有马达驱动的基座螺旋传动，从压力室底座施加轴向力和轴向变形。
标准型动态三轴试验系统ELDYN
GDS标准型动态三轴试验系统 (ELDYN)是一种基于带电机驱动器的轴向刚性加载架的三轴系统。ELDYN可以满足室内岩土试验领域对动三轴实验系统低成本、功能全的要求，同时仍然满足客户对GDS的高标准期望。
温控试验
环境三轴测试系统ETAS
自动环境三轴试验系统（ETAS）是一个基于荷载架带温度控制的三轴实验系统，可以进行以下实验：
• 冻土实验
• 可燃冰实验
• 高压实验
• 高低温温控实验
该冷却系统为冻土实验提供了理想的条件。高达100MPa的高压低温控制能力也为可燃冰三轴实验提供了理想的条件；此系统也提供仅加热温控系统选项。
应力路径环境三轴试验系统ETTS
应力路径环境三轴试验系统（ETTS），是一个带温度控制的应力路径三轴实验系统，可以进行以下实验：
• 冻土实验
• 可燃冰实验
• 高压实验
• 高低温温控实验
－20℃冷却系统为冻土实验提供理想的条件，高达10Mpa的高压低温控制能力也为可燃冰三轴实验提供了理想的条件。此系统也能提供仅加热温控系统选项。
温控动三轴试验系统DYNTTS
DYNTTS可升级为温控动三轴试验系统，可观察并量化土体在冻结或加热条件下的动态循环响应
根据所需范围，可以在-10℃至+60℃或-20℃至+85℃的温度范围内工作。加热和冷却装置的分辨率为0.01℃，水浴的稳定性为+/-0.05℃，该稳定性和分辨率不一定反映在压力室中。
控制解决方案包括加热和冷却硬件。气体反压，如二氧化碳或氮气也可应用于温度控制系统。
静三轴试验
应力路径三轴试验系统STDTTS
GDS三轴试验系统(GDSTTS) 是一款完全自动化的设计用于进行应力路径试验的三轴试验系统。GDSTTS主要基于经典的Bishop & Wesley应力路径三轴压力室，直接控制施加于试样上的应力。系统可以配置商业型、标准型或高级压力体积控制器(取决于要求的精度/ 最大压力)。
适用直径38/50mm试样的压力室可施加的最大轴向荷载为7kN，适用直径70/100mm试样的压力室的轴向荷载最大可达25kN。 该系统可用于教学和科研实验室。
自动三轴试验系统GDSTAS
自动三轴仪GDSTAS是轴力加载架式的系统，轴向应力和位移通过荷载架施加。通过选择荷载架、压力/体积控制器和三轴压力室，该系统可进行软土到高压岩石的一系列三轴试验。低载荷载架(50kN/1MPa) 是商业型实验室常用的系统,，高压荷载架 (1MN-2MN/32MPa-100MPa) 是岩石实验室的选择。加热和冷却系统也可添加到GDSTAS系统用于温度控制。
一体式应力路径三轴仪AUTOTRIAXQube
三轴试验需要许多组件一起完成，而一体式应力路径三轴仪AutoTriaxQube，由微机控制，将很多组件集合在一起，将三轴试验纳入单独一台紧凑的系统中，旨在简化以往的三轴试验，AutoTriaxQube适用于标准测试和研究测试，适合所有试验室使用，补充您现有的测试能力。
新的AUTOTRIAX Qube是一款革命性的一体化自动三轴试验系统，它将三轴测试的许多组件集成到一套紧凑的系统中。设计使得三轴试验比以前更加容易，AUTOTRIAXQube 适用于任何实验室，可进一步提升已有的测试能力。
非饱和土三轴仪
GDS非饱和土三轴试验系统（UNSAT）是对传统三轴试验的延伸，可以在接近实际地应力状态和饱和度条件下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他制造商的三轴设备*）都可以进行改造，以进行非饱和土三轴测试。GDS可以提供4种方法来进行非饱土测试。
非饱和测试也可以运用到以下试验类型中：剪切、空心扭剪、共振柱和真三轴试验。
剪切试验
动态循环单剪试验系统EMDCSS
GDS电机控制的动态循环单剪试验系统(EMDCSS)是进行动单剪试验的主要设备，它不仅可以进行小应变（0.005%剪应变幅值）到大应变（10%剪应变幅值）的动态循环试验，还可以进行非常精确的准静态测试。它是具有最大测试量程范围的单剪系统的终极选择，也是高级商业测试和学术研究的完美选择。
饱和/非饱和土反压直剪试验系统GDSBPS
GDS反压剪切系统(GDSBPS)用于直接剪切试验，可以完全控制土体的孔隙压力。GDS反压系统分为饱和和非饱和系统。两种系统均可以控制孔隙水压力。直剪试验中孔隙压力的控制允许在实验室模拟现实的工程情况。这个设备是理想的滑坡土体状态的重现和岩石已有的破坏面测试设备。
动态反压剪切GDSBPS
动态反压直剪仪(DYNBPS)用于静态和动态直接剪切试验，能控制试样孔隙压力。在直剪试验过程中对孔隙压力的控制允许在实验室中模拟真实的情况。
动态反压直剪系统允许模拟滑坡，它在经历最初的破坏时刻后速度迅速增大，在控制和测量孔隙压力的同时，还可以进行循环直剪试验。
大型自动直剪仪系统GDSLADS
GDS大型自动化直接剪切系统(GDSLADS)是一种拓展了传统的剪切测试边界以及数据采集和显示的先进系统。轴向力和剪切力由GDS力作动器提供，可控制两个方向的应力或者应变。
系统直接安装在地板上，是一套完全独立的系统。不需要气动/液压动力装置，仅需要常规电源。试验能够通过智能键盘或者GDSLAB 软件控制和显示。
固结试验
高级液压固结仪试验系统GDSCTS
GDS高级固结试验系统（GDSCTS）是为岩土设计的一套高端、全自动的固结试验系统。GDSCTS能够运行常规的试验（如逐级加载试验）或更高级的试验（如控制水力梯度的自动加载试验或循环加载试验），所有的这些都由计算机控制。事实上，使用GDSLAB控制软件，几乎所有用户自定义的试验都可以完成。GDSCTS有垂直排水或者径向和垂直排水两种可选。
特殊性能试验
空心圆柱扭剪仪试验系统HCA
GDS空心圆柱扭剪试验系统（GDSHCA）允许将旋转位移和扭矩应用于空心圆柱体土壤样品。利用这种装置，可以控制三个主应力的大小和方向。例如，可以对以下内容进行研究:
• 土的各向异性.
• 主应力旋转的影响
• 中主应力旋转影响
GDSHCA通过特别设计成能够测试非常小的轴向应变 (最小 0.00004%)。空心圆柱系统（GDSHCA）可以完成一系列的应力路径试验。加载系统由计算机控制，应变直接在试样上测量。这些应变也可以伺服控制。可以在以下试验条件下研究:
• 平面应变.
• 简单剪切
• 轴向和旋转的非常小的剪切应变
真三轴测试系统TTA
GDS真三轴仪(GDSTTA)的特点与传统三轴仪不同，所有三个主应力都可以独立控制，而传统三轴系统中只有两个主应力。这允许更广泛的复杂应力路径被执行。该动态循环系统由先进的机电驱动器提供动力，是一种极其复杂的研究工具。
垂直轴和一个水平轴通过动态执行器(轴1和2)加载，第二水平轴(轴3)通过围压提供应力控制。
共振柱试验系统RCA
振柱试验系统（GDSRCA）是一款Stokoe型的设备，在小到中等的应变范围内（<1%应变），用来测定剪切模量和阻尼比。通过GDSRCA软件进行控制，该系统也可以用来测试弯曲模量。可选项包括：环境温度控制腔体（- 20°C至40°C），垂直加载作动器，高压压力室，和动态频率小于10Hz的扭转剪切试.
非饱和土核磁共振分析仪
核磁共振仪在科研领域堪称含水量测定的利器，能精确揭示材料内部的水分含量与分布。然而，常规测试中样品通常处于松弛状态，难以模拟实际受力情况，尤其对于松散且应力敏感的土体材料而言，这种测试方式意义有限。为了准确测定土体在不同深度和受力状态下的土水特征，核磁成像土水特征曲线测试装置应运而生。
该装置能模拟多种应力及脱湿、吸湿条件，其测试腔专为核磁共振仪定制，可无缝嵌入现有设备中进行扫描。材料选择严谨，确保不干扰核磁共振成像，使成像焦点完全集中在试样上。通过该装置，科研人员可获得不同吸力和体积含水量下的三维可视化孔隙率和含水量分布图，进而揭示其变化规律。
岩土CT三轴试验系统
岩土CT三轴测试系统结合了三轴仪和工业CT的功能，用于模拟岩土试样在不同三轴应力条件的工况，研究应力对试样的微观构造的影响。该岩土CT三轴系统可以用于研究浅层风化岩石的三轴受力及破裂状态研究，也可以用于海洋岩土岛礁材料颗粒破碎等相关课题的研究。
超重力缩比测试设备
模块式土工离心机GT50/70/150
离心机集成用于完成各种类型岩土试验，大大缩短研究时间，通过不同加速度等参数设置，模拟岩石及土体在各种环境及力学状态下在未来几十至几百年的演变，预测未来岩土地质工程基础变化。
土工离心模型试验是岩土工程领域公认的最有效、最接近原型的物理模型试验手段，通过此种方法将现场工程进行一定的缩尺，再结合特定设备即可对相应工况开展研究。
小型岩土工程离心机GT2
Broadbent公司梁式离心机GB GT2 / 0.5是用于小规模教学的100g平衡梁式离心机，该离心机可驱动半径为0.5m（摆动平台），2 GT的梁，以及相关的变频驱动器和基于以太网的PC控制系统。
配套教育学习模块和配件，为支持岩土课程的开发而开发的可选教育学习模块。
该小型岩土工程离心机占地面积小，不需要专门建造试验室场地，可在现有试验室中安装和使用，大幅节省项目预算。
