劉如太

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，山西 太原 030031）

旁壓試驗(yàn)是巖土工程勘察中的一種原位測(cè)試方法，具有測(cè)試深度大，不受地下水影響的特點(diǎn)，適用于粘性土、粉土、砂土、碎石土或軟巖等。與室內(nèi)試驗(yàn)相比，具有快捷、測(cè)試指標(biāo)可靠和能夠反映地基土原始應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。旁壓試驗(yàn)經(jīng)過(guò)多年的完善和推廣，已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路和工民建等重要工程的巖土工程分析評(píng)價(jià)中，為地基基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)提供了可靠的參數(shù)。

本文介紹了在晉中至太原城際鐵路勘察中的旁壓試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果的處理方法。地基土為沖洪積成因的粉土、粉質(zhì)粘土和砂土，通過(guò)試驗(yàn)獲得了各測(cè)試點(diǎn)的旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)試驗(yàn)成果分析得到了地基的力學(xué)和變形參數(shù)，并與室內(nèi)土工試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，為工程的巖土工程分析及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了土性參數(shù)， 可以為類似地基的原位試驗(yàn)提供參考。

1 旁壓試驗(yàn)的原理

旁壓儀由旁壓器、加壓穩(wěn)壓裝置和量測(cè)裝置等部件組成，并配試驗(yàn)成孔設(shè)備。其原理是利用加壓穩(wěn)壓裝置所加的氣壓傳導(dǎo)測(cè)管水面，產(chǎn)生氣壓和水壓傳到旁壓器三個(gè)腔，使彈性膜受壓膨脹，旁壓器在預(yù)先打好的鉆孔中對(duì)孔壁施加橫向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，其壓力值由壓力表讀出，變形量由測(cè)管水位下降值測(cè)得，根據(jù)所測(cè)結(jié)果繪制出壓力和變形量的關(guān)系曲線(即旁壓曲線)，據(jù)此確定土體的強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)和地基承載力等[1]。

2 試驗(yàn)過(guò)程

該旁壓試驗(yàn)場(chǎng)地位于晉中市迎賓東街，測(cè)試段線路總長(zhǎng)度約5km。本次旁壓試驗(yàn)儀器為溧陽(yáng)市戴埠儀器廠生產(chǎn)的PY-4型預(yù)鉆式三腔式旁壓儀，旁壓器總長(zhǎng)度為500mm，測(cè)試段長(zhǎng)度為250mm，旁壓器外徑為57mm，中腔原始體積為491cm3。

本次試驗(yàn)進(jìn)行了6個(gè)孔的測(cè)試，測(cè)試深度約30m。試驗(yàn)壓力增量采用多級(jí)逐次加載的方法，各級(jí)壓力下的觀測(cè)時(shí)間，按30s、60s順序記錄測(cè)管水位下降值。當(dāng)測(cè)管水位下降剛超過(guò)36cm(絕對(duì)不能超過(guò)40cm)時(shí)，立即中止試驗(yàn)，此時(shí)土體已產(chǎn)生破壞。

試驗(yàn)前對(duì)儀器進(jìn)行了兩種標(biāo)定[2]：彈性膜的約束力標(biāo)定和儀器綜合變形標(biāo)定。彈性膜的約束力標(biāo)定是用來(lái)扣除由于彈性膜自身體積膨脹的壓力損耗和在一定壓力下儀器水位下降值損耗。方法是將旁壓器豎立于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的地面上，打開旁壓器三個(gè)腔的閥門使其充水，當(dāng)水充滿旁壓器并回返至規(guī)定刻度時(shí)，將旁壓器中腔的中點(diǎn)位置放在與量管水位相同的高度，記下初讀數(shù)。隨后逐級(jí)加壓，每級(jí)壓力增量為10kPa，使彈性膜自由膨脹，量測(cè)每級(jí)壓力下的測(cè)管水位下降值，直至測(cè)管水位下降值S達(dá)36cm時(shí)停止加壓。根據(jù)記錄繪制壓力P與測(cè)管水位下降值S的關(guān)系曲線，即為彈性膜約束力標(biāo)定曲線。儀器綜合變形標(biāo)定是在接長(zhǎng)或縮短導(dǎo)壓管和注水管時(shí)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，目的在于確定測(cè)管中的液體在到達(dá)旁壓器的主腔之前的液面損失值。方法是將旁壓器放在標(biāo)定筒內(nèi)，然后將旁壓儀逐級(jí)加壓，壓力增量為100kPa，一般加到800kPa以上終止試驗(yàn)。根據(jù)記錄的壓力P和測(cè)管水位下降值S繪制P-S曲線，曲線上直線段的斜率ΔS/ΔP，即為儀器綜合變形系數(shù)a。

3 資料整理及試驗(yàn)成果分析

3.1 壓力和測(cè)管水位下降值的校正

壓力的校正，按公式P=Pm＋Pw－Pi計(jì)算[3]。式中：P為校正后的壓力(kPa)；Pm為壓力表讀數(shù)(kPa)；Pi為彈性膜約束力(kPa)，由各級(jí)總壓力(Pm＋Pw)所對(duì)應(yīng)的測(cè)管水位下降值查彈性膜約束力校正曲線取得。

測(cè)管水位下降值的校正，按公式S=Sm－a(Pm＋Pw)計(jì)算。

式中：S為校正后的測(cè)管水位下降值(cm)；Sm為測(cè)管讀數(shù)(cm)；a為儀器綜合變形系數(shù)。

3.2 繪制旁壓試驗(yàn)曲線

以校正后測(cè)管水位下降值S為縱坐標(biāo)，校正后壓力P為橫坐標(biāo)繪制曲線，繪制出的P－S曲線即為旁壓曲線。典型的旁壓曲線可劃分為3個(gè)區(qū)：恢復(fù)區(qū)、似彈性區(qū)和塑性發(fā)展區(qū)，根據(jù)該曲線特征可以確定土體的特征值[4]：初始?jí)毫0、臨塑壓力Pf和極限壓力Pl，進(jìn)而確定地基土的強(qiáng)度變形參數(shù)。

3.3 旁壓強(qiáng)度參數(shù)特征值的確定

將旁壓曲線直線段延長(zhǎng)相交于縱軸，由交點(diǎn)作平行于橫軸的直線相交于曲線，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力為初始?jí)毫0，旁壓曲線直線段的終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力為臨塑壓力Pf

[5]，將曲線用曲線板加以延伸，延伸的曲線應(yīng)與實(shí)測(cè)曲線光滑自然地連，取S=2S0+Sc所對(duì)應(yīng)的壓力為極限壓力Pl或把臨塑壓力Pf以后曲線部分各點(diǎn)的S取倒數(shù)1/S，作P－1/S曲線(近似直線)，在直線上取1/(2S0+Sc)所對(duì)應(yīng)的壓力為極限壓力Pl。P0之前的曲線形態(tài)反映了成孔質(zhì)量的好壞，其變形量越大，成孔質(zhì)量越差；P0-Pf直線段，巖土體以壓縮變形為主，反映了巖土體的彈性變形特點(diǎn)；Pf以后以剪切變形為主，隨壓力增大至Pl，變形劇增，表明孔壁周圍土體開始破壞。

3.4 地基強(qiáng)度參數(shù)的確定

(1) 旁壓剪切模量Gm。

式中：P0為靜止土壓力(kPa)；Pf為臨塑壓力(kPa)；Sc為旁壓器中腔原始體積Vc所對(duì)應(yīng)的測(cè)管水位下降值(為33.8cm)；S0為初始?jí)毫0對(duì)應(yīng)的測(cè)管水位下降值(cm)；Sf為臨塑壓力Pf對(duì)應(yīng)的測(cè)管水位下降值(cm)。

(2) 旁壓模量Em、變形模量E0和壓縮模量Es。

旁壓模量Em=2(1+μ)Gm，其中μ為泊松比[6]，砂土取0.3，粉土取0.35，可塑—堅(jiān)硬狀態(tài)的粘性土取0.38。

變形模量E0=Em/a，其中a為土的結(jié)構(gòu)系數(shù)，與土的類型和固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)對(duì)粉土、粘性土取2/3，砂土取0.5。

壓縮模量Es=(1.5～2)Em

(3) 地基土承載力特征值fak。fak=Pf－P0

3.5 試驗(yàn)成果和對(duì)比分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到鉆孔的P－S曲線，各測(cè)點(diǎn)的曲線基本完整，包括初始階段、似彈性階段、塑性變形階段，曲線有明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)較可靠。表1列出了具有代表性鉆孔和測(cè)點(diǎn)的特征值參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)，表2列出了由旁壓試驗(yàn)得出地基土的壓縮模量和地基土承載力特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果與室內(nèi)土工試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。表2中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定粉土和砂土的壓縮模量采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式Es=(1～1.2)得出[2]，地基土的承載力特征值采用規(guī)范DBJ04-258-2008中附錄J查表得出[3]。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果直接得出粉土和粉質(zhì)粘土的壓縮模量，根據(jù)孔隙比和含水量查表得出粉土的承載力特征值，根據(jù)孔隙比和液性指數(shù)查表得出粉質(zhì)粘土的承載力特征值。三種方法得出的壓縮模量和天然地基承載力特征值對(duì)比可知：由室內(nèi)土工試驗(yàn)得出的結(jié)果偏低，由旁壓試驗(yàn)和標(biāo)貫試驗(yàn)得出的結(jié)果比較接近，也更接近實(shí)際情況。

4 試驗(yàn)影響因素分析[7]

4.1 成孔質(zhì)量

成孔質(zhì)量是影響旁壓試驗(yàn)測(cè)試精度的關(guān)鍵因素。鉆孔要直、孔壁要光滑，防止孔壁坍塌。在穿越易發(fā)生縮孔的軟弱土層和易發(fā)生塌孔的砂性土層時(shí)應(yīng)采用泥漿護(hù)壁，泥漿配比一般為1∶0.2～0.4，泥漿泵壓力要控制好，壓力過(guò)大會(huì)對(duì)孔壁造成沖刷，鉆到試驗(yàn)土層時(shí)，要保持緩慢而穩(wěn)定的鉆進(jìn)，盡量減少對(duì)孔壁土體的擾動(dòng)，鉆孔直徑要比旁壓器外徑大2～8mm。

表1 旁壓試驗(yàn)計(jì)算成果

表2 旁壓試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與室內(nèi)土工試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.2 旁壓膜約束力

旁壓試驗(yàn)時(shí)，克服旁壓膜的約束力要消耗一定的壓力，致使施加于土體的實(shí)際壓力小于壓力表壓力和靜水壓力之和。故旁壓儀首次使用、使用次數(shù)大于20次、環(huán)境溫度有較大變化和放置較長(zhǎng)時(shí)間使橡膠制成的彈性膜老化等情況時(shí)，旁壓膜應(yīng)進(jìn)行校正或更換新彈性膜，減小壓力誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

4.3 試驗(yàn)時(shí)間

對(duì)于同一個(gè)孔，應(yīng)每鉆進(jìn)一段進(jìn)行一次試驗(yàn)，由上而下逐次進(jìn)行。試驗(yàn)段成孔后應(yīng)盡快進(jìn)行，防止縮徑和塌孔影響試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性。因此，鉆頭提出后要盡快放下旁壓器，并盡量縮短旁壓試驗(yàn)的時(shí)間。在P-S曲線中發(fā)現(xiàn)有壓力較大而測(cè)管水位下降很小時(shí)，說(shuō)明鉆孔縮徑或砂土顆粒淤積的原因，旁壓器已被土顆粒抱緊，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停止加壓試驗(yàn)。

4.4 試驗(yàn)點(diǎn)選擇和加荷等級(jí)

旁壓試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)布置在有代表性的位置和深度進(jìn)行。為了避免相鄰試驗(yàn)點(diǎn)的應(yīng)力影響范圍互相重疊，兩試驗(yàn)點(diǎn)間的豎向間距應(yīng)不小于1.0m或不小于旁壓器膨脹段長(zhǎng)度的1.5倍。旁壓器的量測(cè)腔應(yīng)在同一土層內(nèi)，當(dāng)上下兩層土的軟弱相差很大時(shí)，會(huì)造成試驗(yàn)中彈性膜的破裂。應(yīng)根據(jù)已有鉆孔的地層資料，選擇代表性的土層進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，在土質(zhì)不均和夾層較薄時(shí)，不宜進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。

加載等級(jí)的大小影響測(cè)試點(diǎn)的多少和試驗(yàn)成果的精度。在試驗(yàn)中，在不同土類的地基中選擇合適的加載等級(jí)是十分重要的，一般宜取預(yù)估臨塑壓力的1/5～1/7，在加荷初始階段加載等級(jí)可相對(duì)密一些，土體發(fā)生破壞后加載等級(jí)可相對(duì)較稀，這樣可以提高試驗(yàn)效率和試驗(yàn)精度。

5 結(jié)論

旁壓試驗(yàn)具有快捷、測(cè)試指標(biāo)可靠和能夠反映地基土原始應(yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)，能夠較為客觀地反應(yīng)地基土的強(qiáng)度和變形指標(biāo)，其成果可用于評(píng)價(jià)地基土的承載力、壓縮模量和變形模量等。同時(shí)旁壓試驗(yàn)成果受成孔質(zhì)量、旁壓膜約束力、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)點(diǎn)選擇和加荷等級(jí)等因素的影響也比較大，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

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