張鳳海，徐明江，宋 兵

（1、廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司 廣州510440；2、廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司 廣州510440）

0 引言

原位測試是指巖土體在原來所處的位置上或基本上在原位狀態(tài)和應(yīng)力條件下對(duì)巖土性質(zhì)進(jìn)行的測試[1-3]。常用的測試方法有：載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、波速測試及其他現(xiàn)場試驗(yàn)[1]。原位試驗(yàn)對(duì)天然地基巖土體的擾動(dòng)較小，通常能夠比室內(nèi)試驗(yàn)獲得更加可靠的巖土體相關(guān)參數(shù)，從而提高地基檢測的準(zhǔn)確性。旁壓試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是原位試驗(yàn)較為常用的試驗(yàn)方法，兩者應(yīng)用都較為廣泛。旁壓試驗(yàn)適用于粘性土、粉土、砂土、殘積土等[3]，能夠提供較大的試驗(yàn)壓力，但是目前在地基檢測中的應(yīng)用較少；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用于各種土層中，具有價(jià)格低廉、操作簡單等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在地基檢測和巖土工程勘察等領(lǐng)域。本文以廣州某技術(shù)研發(fā)中心天然地基為研究對(duì)象，對(duì)該工程場地進(jìn)行旁壓試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以檢測地基承載力大小和判別巖土性狀，兩種試驗(yàn)相互補(bǔ)充，進(jìn)一步提高地基檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 旁壓試驗(yàn)簡介

旁壓試驗(yàn)是利用可側(cè)向膨脹的旁壓儀，通過對(duì)鉆孔中測試段孔壁施加徑向壓力，量測其變形量，根據(jù)孔壁壓力與變形之間的關(guān)系，計(jì)算地基土承載力、壓縮模量的一種原位測試方法。旁壓儀分為壓入式、自鉆式和預(yù)鉆式三種[4-5]。預(yù)鉆式旁壓儀在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，本次主要采用GeoSPAD2梅納型旁壓儀。

現(xiàn)場旁壓試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)均需進(jìn)行修正，用修正后的壓力值P和修正后的體積變形值V繪制P-V關(guān)系的旁壓曲線，如圖1所示。從繪制的旁壓曲線確定初始水平壓力（P0）、臨朔壓力（Pf）、極限壓力（Pl），繼而根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出地基承載力和旁壓模量。

旁壓曲線主要分為初始階段、似彈性變形階段和塑性變形階段（見圖1）。初始階段是指圓柱形探頭從初始的自然狀態(tài)加壓膨脹到等于原狀土體圍壓的過程，該階段曲線終點(diǎn)為對(duì)應(yīng)深度處的原位水平壓力；似彈性變形階段在曲線上對(duì)應(yīng)直線段，該階段土體處于彈性變形階段，曲線終點(diǎn)為臨朔壓力；塑性變形階段表明土體開始發(fā)生破壞，該曲線段可判斷極限壓力。對(duì)于預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)，旁壓曲線的初始階段可反映其成孔質(zhì)量。對(duì)旁壓曲線的似彈性階段（直線段）的起點(diǎn)作與橫坐標(biāo)的垂線，其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值為初始水平壓力P0；對(duì)旁壓曲線的似彈性階段（直線段）的終點(diǎn)作與橫坐標(biāo)的垂線，其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值為臨塑壓力Pf，該值可以計(jì)算地基巖土體的旁壓模量；塑性變形階段的曲線經(jīng)過臨塑壓力后，趨向于與縱軸平行的漸近線時(shí)，其對(duì)應(yīng)的壓力為極限壓力Pl，它是反映土體破壞的一個(gè)重要階段。

圖1 旁壓曲線三個(gè)階段示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Three Stages of Side Pressure Curve

由P0、Pf、Pl可確定地基承載力的特征值，常用方法主要有臨塑壓力法和極限壓力法兩種。本文主要采用臨塑壓力法來確定地基承載力特征值f0：

式中：Pf為臨塑壓力（kPa）；P0為原位水平土壓力（kPa）。

對(duì)于地基土的旁壓模量Em，可按式⑵計(jì)算：

式中：Em為由旁壓試驗(yàn)確定的模量（kPa）；μ為泊松比；Vc為旁壓器（中腔）初始體積（cm3）；Vm為平均體積增量（取旁壓試驗(yàn)曲線直線段兩點(diǎn)間壓力所對(duì)應(yīng)的體積之和的一半）（cm3）；△P為旁壓曲線上直線變形段的壓力增量（kPa）；△V為相當(dāng)于△P的體積變化增量（cm3）。

2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)簡介

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）是用質(zhì)量為63.5 kg的穿心錘，以76 cm的自由落距，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器打入試驗(yàn)土層中，先對(duì)鉆孔底部預(yù)打15 cm，再記錄打入30 cm的錘擊數(shù)，根據(jù)錘擊數(shù)來推定土的力學(xué)特性的一種原位試驗(yàn)方法[6-8]。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)不僅廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察，在地基檢測中也有較為廣泛的應(yīng)用[9-13]。本次采用自動(dòng)脫鉤的自由落錘法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并保持孔內(nèi)水位略高于地下水位，當(dāng)孔壁不穩(wěn)定時(shí)，用泥漿護(hù)壁，鉆至試驗(yàn)標(biāo)高以上15 cm處，清除孔底殘土后再進(jìn)行試驗(yàn)。采用自動(dòng)脫鉤的自由落錘法進(jìn)行錘擊，并減少導(dǎo)向桿與錘間的摩阻力，避免錘擊時(shí)的偏心和側(cè)向晃動(dòng)，保持貫入器、探桿、導(dǎo)向桿聯(lián)結(jié)后的垂直度，錘擊速率應(yīng)小于30擊/min。貫入器打入土中15 cm后，開始記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)，累計(jì)打入30 cm的錘擊數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N′[7-8]。

當(dāng)錘擊數(shù)達(dá)到50擊，而貫入深度未達(dá)到30 cm時(shí)，記錄50擊的實(shí)際貫入深度，按式⑶換算成相當(dāng)于30 cm的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N′，并終止試驗(yàn)。

式中：N′為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測錘擊數(shù)；△S為50擊時(shí)的貫入度（cm）。

當(dāng)鉆桿長度大于3 m時(shí)，錘擊數(shù)按式⑷進(jìn)行鉆桿長度修正，以確定地基承載力值。

式中：N為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正錘擊數(shù)；α為觸探桿長度校正系數(shù)。

3 旁壓試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)工程實(shí)例

3.1 場地工程概況

本次試驗(yàn)場地位于廣東省廣州市某技術(shù)研發(fā)中心（A-1）、廠房（B-1、B-2）、門衛(wèi)（C-1）、消防水泵房（D-1，D-2）。本場地巖土層包括填土（Qml）、全風(fēng)化花崗巖（γ）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（γ）、中風(fēng)化花崗巖（γ）等，巖土層分布均勻，厚度變化較小。通過對(duì)場地內(nèi)天然地基土（全風(fēng)化花崗巖）進(jìn)行旁壓試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，鑒別試驗(yàn)孔在檢測深度范圍內(nèi)的天然地基的巖土性狀，檢測試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力特征值是否符合設(shè)計(jì)要求[14]。

3.2 旁壓試驗(yàn)結(jié)果分析

旁壓試驗(yàn)在選定的鉆孔中進(jìn)行，在鉆孔深度2.00 m處進(jìn)行試驗(yàn)，以鑒別該深度范圍內(nèi)的地基承載力是否滿足設(shè)計(jì)承載力的要求，確定地基承載力和旁壓模量。

采用GeoSPAD2梅納型旁壓儀，通過現(xiàn)場旁壓試驗(yàn)得出不同試驗(yàn)荷載條件下對(duì)應(yīng)的體積變化數(shù)據(jù)，再經(jīng)過相關(guān)計(jì)算得出修正后的體積和修正后的壓力，如表1所示。

表1 試驗(yàn)荷載與體積變化數(shù)據(jù)表Tab.1 Test Load and Volume Change Data Sheet

根據(jù)修正后的壓力與修正后的體積繪制P-V曲線（見圖2），從中可以明顯看出三個(gè)階段，分別為初始階段、似彈性變形階段和塑性變形。測試點(diǎn)位于鉆孔深度以下2 m，將旁壓曲線直線段延長至縱坐標(biāo)，其交點(diǎn)V0=184 cm3；由V0作與P軸平行線與曲線的交點(diǎn)為原位水平土壓力P0=112.7 kPa；取旁壓曲線直線段的終點(diǎn)為臨朔壓力Pf=823.8 kPa。根據(jù)臨朔壓力法計(jì)算出地基承載力特征值為711.1 kPa，由式⑵計(jì)算出旁壓模量為14.82 MPa。

圖2 全風(fēng)化花崗巖旁壓試驗(yàn)曲線Fig.2 Lateral Pressure Test Curve of Completely Decomposed Granite

本次試驗(yàn)效果較好，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模瑘D2中的曲線為典型的旁壓曲線（三段式），得出的地基承載力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)承載力特征值，滿足場地天然土地基承載力的要求。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果分析

該場地內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的試驗(yàn)孔共6孔，每孔2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，共12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)承載力特征值為350 kPa，試驗(yàn)孔的數(shù)量、位置具有代表性，滿足試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)的6個(gè)孔在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)深度范圍內(nèi)都見全風(fēng)化花崗巖，滿足基礎(chǔ)持力層為全風(fēng)化花崗巖的設(shè)計(jì)要求。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正錘擊數(shù)的最小值36擊，最大值為41擊，標(biāo)準(zhǔn)值為36.4擊。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該場地天然地基土（全風(fēng)化花崗巖）對(duì)應(yīng)的地基承載力特征值為大于660 kPa，滿足設(shè)計(jì)承載力350 kPa的要求。

3.4 旁壓試驗(yàn)成果與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果對(duì)比

本次旁壓試驗(yàn)計(jì)算出的地基承載力特征值是711.1 kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)得出的承載力特征值大于660 kPa。兩者均大于設(shè)計(jì)要求的地基承載力（350 kPa），滿足天然地基設(shè)計(jì)承載力的要求。文獻(xiàn)[1]表4.4.6-4中對(duì)于花崗巖殘積土（全風(fēng)化巖）錘擊數(shù)超過23擊后尚未給出地基承載力特征值，而旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算出地基承載力特征值的具體數(shù)值，兩者相互補(bǔ)充，使得結(jié)果更加可靠，進(jìn)一步提高地基檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與展望

原位試驗(yàn)方法對(duì)巖土體擾動(dòng)較小，獲取結(jié)果準(zhǔn)確可靠，故在地基承載力評(píng)價(jià)方面廣泛應(yīng)用。旁壓試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)均在全風(fēng)化巖中進(jìn)行，對(duì)其地基承載力進(jìn)行檢測。本工程案例表明，旁壓試驗(yàn)計(jì)算出的地基承載力特征值是711.1 kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)得出的承載力特征值為大于660 kPa，滿足設(shè)計(jì)承載力的要求。

旁壓試驗(yàn)技術(shù)較為成熟，可獲得較為準(zhǔn)確的巖土體參數(shù)，但是試驗(yàn)成本較高，操作復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間長。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在推定天然地基的地基承載力、鑒別巖土性狀等方面應(yīng)用較為廣泛，但是其試驗(yàn)原理較為復(fù)雜，該試驗(yàn)多以經(jīng)驗(yàn)公式的形式應(yīng)用，這些經(jīng)驗(yàn)公式通常是根據(jù)不同的地域和巖土類別等得出，具有一定的局限性。因此，將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，相互補(bǔ)充，從而使獲取的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。廣東地區(qū)旁壓試驗(yàn)應(yīng)用在地基檢測領(lǐng)域還較少，推廣其在地基檢測中的應(yīng)用十分重要。