郭建波 劉曉明

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

1 概況

擬建廈門地鐵1號線全線長度為31.265 km，其中地下線26.9 km，地面線2.2 km，高架線2.165 km;設(shè)車站27座，其中地下站26座、地面站1座;平均站距全程1.3 km，本島1.0 km，跨海段3.3 km，島外1.4 km?？辈靾鰠^(qū)巖土層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，覆蓋層厚薄不一，主要由上部人工填筑層(Qs)、第四系海積層(Qm4)和沖洪積層(Qal-pl3)、第四系殘坡積層(Qel-dl)及下部燕山晚期花崗巖(γ3(1)b5)的不同風(fēng)化層構(gòu)成。地鐵隧道主要穿越地層為第四系松散堆積物地層及花崗巖殘積土—全、強(qiáng)風(fēng)化層，巖土體的巖性巖相、工程地質(zhì)多樣性及其顯著的差異，現(xiàn)場鉆探取試樣和室內(nèi)試驗(yàn)的方法對準(zhǔn)確取得松散地層尤其是花崗巖殘積土—全、強(qiáng)風(fēng)化層的物理力學(xué)性質(zhì)的難度較大［1］。為了獲取必要的巖土物理力學(xué)指標(biāo)，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)可靠的力學(xué)參數(shù)，在廈門地鐵1號線一標(biāo)段全段開展了預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)工作。

2 實(shí)驗(yàn)原理及儀器

2.1 測試方法簡介

旁壓實(shí)驗(yàn)是工程地質(zhì)勘察中一種常用的原位測試技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是一種利用鉆孔做的原位橫向載荷實(shí)驗(yàn)［2］。其原理是通過旁壓器在豎直的孔內(nèi)加壓，使旁壓器膨脹，并由旁壓膜(或護(hù)套)將壓力傳給周圍土體(或軟巖)，使土體(或軟巖)產(chǎn)生變形直至破壞，并通過測量裝置測出施加的壓力和土體(或軟巖)變形之間的關(guān)系，然后繪制應(yīng)力-應(yīng)變(或鉆孔體積增量、或徑向位移)關(guān)系曲線，根據(jù)這種關(guān)系對孔周圍所測土體(或軟巖)的承載力、變形性質(zhì)等進(jìn)行評價(jià)［3］。本次旁壓試驗(yàn)所用儀器為法國APAGEO公司生產(chǎn)的PRESSUREMETER旁壓儀，此旁壓儀最大測試壓力可達(dá)10 MPa，探頭采用G型三腔式旁壓探頭，(探頭外徑74 mm，測量腔長度220 mm，容積為880 cm3)。根據(jù)試驗(yàn)的讀數(shù)可以得到應(yīng)力—應(yīng)變或體積—壓力之間的關(guān)系曲線，據(jù)此可用來對試驗(yàn)土體進(jìn)行分類，評估它的物理狀態(tài)，提供旁壓模量、不排水抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)。

2.2 測試原理

旁壓試驗(yàn)可理想化為圓柱孔穴擴(kuò)張課題，并簡化為軸對稱平面應(yīng)變問題［4］。典型的旁壓曲線為壓力P—體積變化量V曲線(圖1)，該曲線可分為三個(gè)階段。

Ⅰ(初始)階段:彈性膜自由膨脹階段。

Ⅱ(似彈性)階段:壓力與體積變化量大致呈直線關(guān)系。

Ⅲ(塑性)階段:隨著壓力的增加，體積變化量也迅速增加。

圖1 典型的旁壓曲線

Ⅰ-Ⅱ階段的界限壓力相當(dāng)于初始水平應(yīng)力P0;Ⅱ-Ⅲ階段的界限壓力相當(dāng)于臨塑壓力Pf;Ⅲ階段末尾漸近線的壓力為極限壓力PL。

根據(jù)似彈性階段直線的斜率，由軸對稱平面應(yīng)變問題的彈性解可得旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm

式中 μ——泊松比，試驗(yàn)建議值，一般正常固結(jié)和輕度超固結(jié)砂土和粉土取0.33，可塑和堅(jiān)硬狀態(tài)黏性土取0.38，軟塑黏性土、淤泥和淤泥質(zhì)土取0.41;花崗巖殘積砂質(zhì)黏性土取0.37，花崗巖殘積礫質(zhì)黏性土取0.35，全風(fēng)化花崗巖取0.33，散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖取0.31。

Vc——旁壓器測量腔的固有體積，880 cm3;

V0——P0對應(yīng)的體積;

Vf——臨塑壓力Pf對應(yīng)的體積/cm3;

ΔP/ΔV——旁壓曲線似彈性直線段的斜率/(kPa/cm3);

Em——旁壓模量/MPa;

Gm——旁壓剪切模量/MPa。

3 旁壓實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)旁壓儀的校正

即旁壓膜約束力的校正和儀器綜合變形的校正。

在下列條件下儀器應(yīng)該校正:

①新旁壓儀首次使用，兩項(xiàng)校正均需進(jìn)行;

②更換新彈性膜需進(jìn)行彈性膜約束力校正;

③彈性膜一般進(jìn)行20次或48 h后應(yīng)重新校正;

④接長或縮短導(dǎo)管需進(jìn)行儀器綜合校正。

(2)彈性膜約束力的校正

將旁壓器豎立于地面，讓彈性膜在自由膨脹情況下進(jìn)行。校正前，先對彈性膜進(jìn)行加壓，使其達(dá)到700 cm3膨脹量，再退壓，反復(fù)4～5次，然后進(jìn)行校正試驗(yàn)。壓力增量為25 kPa，讀出體積的變化V，以測得壓力P和體積V繪制P-V曲線，即為彈性膜約束力校正曲線。

(3)儀器綜合變形的校正

將旁壓器放進(jìn)校正試驗(yàn)管內(nèi)(一般用無縫鋼管或高強(qiáng)有機(jī)玻璃管)，使旁壓器彈性膜受到徑向限制，壓力增量為100 kPa，G型探頭可加到7 MPa終止試驗(yàn)，各級壓力下的觀測時(shí)間與正式試驗(yàn)一致，測得壓力P與體積V關(guān)系曲線，其直線段對P軸的斜率ΔV/ΔP，即為儀器綜合變形系數(shù)。

(4)旁壓儀的準(zhǔn)備

試驗(yàn)前旁壓儀各部分的連接和儀表調(diào)零，體積測量用純凈水的準(zhǔn)備與灌入。

3.2 成孔要求

成孔質(zhì)量是預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，為保證成孔質(zhì)量應(yīng)注意:

①孔壁垂直、光滑、呈規(guī)則圓形，盡可能減少對孔壁的擾動;

②軟弱土層(易發(fā)生縮孔、坍孔)用泥漿護(hù)壁;

③鉆孔孔徑應(yīng)略大于旁壓器外徑，一般宜大2～8 mm，即鉆孔孔徑為76～82 mm，但不宜過大。

在廈門地鐵1號線勘察中，采用了外徑75 mm的合金鉆頭進(jìn)行開孔，成孔直徑約79 mm，滿足測試要求。

3.3 測點(diǎn)布置

旁壓試驗(yàn)測點(diǎn)的布置，應(yīng)在了解地層剖面的基礎(chǔ)上進(jìn)行，合理地布置在有代表性的位置，保證旁壓器的量測腔在同一土層內(nèi)，相鄰試驗(yàn)點(diǎn)的垂直距離不宜小于1 m［5］，同一土層的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)滿足工程的設(shè)計(jì)要求。

3.4 現(xiàn)場操作

(1)加荷等級的選擇

一般根據(jù)土的臨塑壓力或極限壓力而定，在無法預(yù)估的情況下，不同土類的加荷等級可按表1確定［6］。

(2)加荷速率

采用規(guī)范規(guī)定的3 min的快速法，加荷后按30 s、60 s、120 s和180 s讀數(shù)，快速加荷所得的旁壓模量相當(dāng)于不排水模量。

(3)放入旁壓器

當(dāng)成孔結(jié)束后，盡快把旁壓器放到指定位置。

(4)加壓試驗(yàn)

表1 旁壓試驗(yàn)的加荷等級

靜水壓力確定后，打開測管閥和輔管閥，把靜水壓力作為第一級荷載，開始試驗(yàn)，以后的荷載按加荷等級加載試驗(yàn)。

(5)試驗(yàn)結(jié)束

旁壓試驗(yàn)結(jié)束后，提取旁壓器。

旁壓試驗(yàn)終止條件:

①加荷接近或達(dá)到極限壓力;

②量測腔的擴(kuò)張?bào)w積相當(dāng)于量測腔的固有體積，避免彈性膜破裂。

4 實(shí)驗(yàn)成果及分析

4.1 各級壓力和相應(yīng)體積的校正

壓力的校正利用公式

式中 P——校正后的壓力/kPa;

Pm——壓力表讀數(shù)/kPa;

Pw——靜水壓力/kPa;

Pi——彈性膜約束力/kPa，由各級總壓力(Pm+Pw)所對應(yīng)的體積查彈性膜約束力校正曲線取得。

體積的校正利用公式

式中 V——校正后的體積/cm3;

Vm——測管讀數(shù)/cm3;

a——儀器綜合變形校正系數(shù)/(cm3/kPa)。

4.2 旁壓試驗(yàn)曲線的繪制

根據(jù)校正后的壓力和體積數(shù)據(jù)，繪出壓力—孔壁土被壓縮的體積變化量，即P-V曲線。

4.3 特征值的確定與計(jì)算

利用旁壓試驗(yàn)確定地基土參數(shù)，首先要從旁壓試驗(yàn)P—V曲線確定P0—地層原始水平應(yīng)力、Pf—臨塑荷載和PL—極限荷載。

P0—地層原始水平應(yīng)力的確定:

延長P—V曲線直線段與縱坐標(biāo)軸相交，截距為V0，過截距作與橫坐標(biāo)軸的平行線，與P—V曲線相交點(diǎn)對應(yīng)的壓力即為P0。

Pf—臨塑荷載的確定:

以P—V曲線直線段的終點(diǎn)對應(yīng)的壓力為Pf。

PL——極限荷載的確定:

可由P—V曲線末段曲線延伸外推確定或作P—1/V(大于Pf的數(shù)據(jù))關(guān)系曲線(近似直線)，取1/(2V0+Vc)所對應(yīng)的壓力即為PL。

旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm和彈性模量E0、壓縮模量ES:

根據(jù)公式(1)和(2)所述確定旁壓模量和旁壓剪切模量。地基土的壓縮模量ES、變形模量E0以及其變形參數(shù)可由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式確定?！惰F路工程地基土旁壓測試技術(shù)規(guī)程》編制組通過與平板載荷試驗(yàn)對比，得出如下估算地基土變形模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

對一般黏性土［7］

對硬黏土［8］

另外，通過與室內(nèi)試驗(yàn)成果對比，建立起了估算地基土壓縮模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

式中 E0——土的彈性模量/MPa;

Es——壓縮模量/MPa。

計(jì)算淺基礎(chǔ)承載力fk

淺基礎(chǔ)的承載力用極限壓力法，該方法以凈極限壓力為依據(jù)。地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk可按下式確定

其中k取2～3，fk取小值。

地基橫向基床系數(shù)Kh

根據(jù)初始壓力和臨塑壓力，可采用下式估算地基土的側(cè)向基床系數(shù)

式中 Rf——臨塑壓力時(shí)鉆孔空腔的半徑;

R0——初始壓力時(shí)鉆孔空腔的半徑;

Rf和R0通過Vc+V0和Vc+Vf以及測試腔長度求得。

砂類土的有效內(nèi)摩擦角:

砂類土的有效內(nèi)摩擦角可按下式估算φ′

5 工程應(yīng)用

5.1 實(shí)驗(yàn)成果

旁壓實(shí)驗(yàn)在廈門地鐵1號線中主要用來確定地基基本承載力和水平基床系數(shù)，同時(shí)利用現(xiàn)場標(biāo)貫數(shù)據(jù)同旁壓試驗(yàn)計(jì)算得出的地基承載力及水平基床系數(shù)進(jìn)行對比分析［10］。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)分析花崗巖不同程度風(fēng)化層的水平基床、承載力標(biāo)準(zhǔn)值可以看出，隨著風(fēng)化程度的加重，細(xì)粒含量比重加大，巖土體的旁壓模量和承載力均大幅降低，散體狀強(qiáng)風(fēng)化的強(qiáng)度和變形參數(shù)明顯高于全花崗巖殘積土。

(2)對同一鉆孔，相同土性的土體來說，其強(qiáng)度指標(biāo)隨深度的增加呈規(guī)律性地增強(qiáng)。

(3)通過承載力、水平基床系數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系曲線(圖2，圖3)看出，隨著風(fēng)化程度的加重，旁壓試驗(yàn)參數(shù)的大小變化規(guī)律與標(biāo)貫擊數(shù)的變化規(guī)律是一致的，承載力、水平基床系數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)具有較好的一致性。

圖2 地基承載力與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系曲線

圖3 水平基床系數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系曲線

6 主要結(jié)論及影響因素分析

旁壓試驗(yàn)的主要成果是測試土體橫向的變形和力學(xué)特性，通過旁壓測試求得的旁壓模量等參數(shù)利用經(jīng)驗(yàn)公式間接得到土體的變形模量、壓縮模量、承載力等重要參數(shù)。其理論上采用完善的彈性及彈塑性理論，實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、攜帶輕便、操作方便、測試迅速、成果可靠，可在不同的深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且不受地下水的限制，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。而由少量試驗(yàn)樣本取得的經(jīng)驗(yàn)公式的普遍適用性值得探討，尤其是針對類似于廈門地鐵1號線花崗巖殘積土和全強(qiáng)風(fēng)化等特殊巖土的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系更是鮮有所見，本報(bào)告目前只能套選性質(zhì)較為接近的黏性土和砂性土的經(jīng)驗(yàn)公式對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算和統(tǒng)計(jì)分析，估算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待更多原位測試的檢驗(yàn)。

旁壓試驗(yàn)受鉆孔孔徑、鉆孔內(nèi)的泥漿壓力、鉆孔對巖土層原始狀態(tài)的擾動以及鉆孔成孔時(shí)間等影響，因此在試驗(yàn)中應(yīng)該保證鉆孔質(zhì)量，并且試驗(yàn)應(yīng)該在鉆孔成孔后立即進(jìn)行，以免造成縮孔和塌孔以及對孔周土體的擾動，造成個(gè)別位置試驗(yàn)曲線初始階段的缺失或失真。

由于該工程為地下隧道，土體松散破碎，黏性不高，差異風(fēng)化形成水平向的不均勻性，造成相同深度、不同鉆孔位置強(qiáng)風(fēng)化花崗巖力學(xué)指標(biāo)上存在一定的差異，這些因素在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該給予應(yīng)有的重視。

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