趙中華，張 彬,王曉冬，雷 勇

（1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110167；2.華晨寶馬汽車有限公司，遼寧 沈陽 110143；3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 沈陽 110004）

21世紀(jì)是地下空間開發(fā)利用的世紀(jì)，國家“一帶一路”戰(zhàn)略促進(jìn)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大及建設(shè)技術(shù)工藝的發(fā)展，原位測試已成為獲得巖土體參數(shù)重要手段，全國地鐵建設(shè)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，為旁壓試驗(yàn)研究提供了大量的數(shù)據(jù)來源，為進(jìn)行理論和工程應(yīng)用研究提供了可能[1～3]。

旁壓試驗(yàn)在地鐵工程勘察中具有廣闊的應(yīng)用前景，該試驗(yàn)具有操作便捷、經(jīng)濟(jì)可靠、測試準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為國內(nèi)外原位測試中主要勘察手段之一，但目前關(guān)于旁壓試驗(yàn)的理論和工程實(shí)踐方面研究較少，迫切需要對旁壓試驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)行研究，得到適用于地區(qū)旁壓試驗(yàn)的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式，以便更好進(jìn)行技術(shù)推廣。

本文研究成果對地鐵工程的巖土工程勘察工作具有重要意義，可以節(jié)約地鐵工程勘察成本，為今后進(jìn)行旁壓試驗(yàn)技術(shù)方面規(guī)范編制提供依據(jù)。

1 旁壓試驗(yàn)簡介

1.1 旁壓儀

旁壓試驗(yàn)（Pressuremeter Test，PMT），主要試驗(yàn)設(shè)備是旁壓儀，按照不同的成孔方式可分為預(yù)鉆旁壓儀和自鉆旁壓儀兩種。本文主要研究對象是預(yù)鉆旁壓儀，預(yù)鉆旁壓儀在試驗(yàn)開始之前，需在規(guī)定的測試點(diǎn)位提前成孔，成孔深度需要滿足整個(gè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，然后將旁壓器緩慢的放入測試孔內(nèi)到達(dá)測試深度后可開始試驗(yàn)。

成孔質(zhì)量是衡量旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的主要標(biāo)準(zhǔn)，對于不同土質(zhì)及地下水位高低有不同要求，符合質(zhì)量要求的預(yù)鉆孔應(yīng)具備以下特點(diǎn)：無彎曲、側(cè)壁無塌孔粗糙顆粒且孔徑大小必須嚴(yán)格符合規(guī)范，盡可能避免擾動孔壁。

1.2 旁壓試驗(yàn)力學(xué)模型

旁壓試驗(yàn)工作原理是通過使旁壓器探頭側(cè)向膨脹從而對孔的側(cè)壁施加水平方向壓力，一直到孔壁破壞，從中獲得孔的體積增加量和旁壓壓力之間關(guān)系，并且根據(jù)此數(shù)據(jù)來計(jì)算地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的一種巖土工程勘察原位測試方法。由于旁壓儀的旁壓頭長度有限，且旁壓器上下兩端均由輔空腔包覆，使其產(chǎn)生了終端效應(yīng)。除此之外，由于不同地區(qū)的孔壁土體條件不盡相同，要對其進(jìn)行清晰分析存在難度。雖然是圓柱形孔水平方向擴(kuò)張變形，但將其簡化為理想模型仍不能盡數(shù)展示。如果旁壓頭長度能滿足要求，則研究區(qū)間可以把中間一小段看作是平面問題來進(jìn)行簡化處理。理論上圓柱形孔壁受到均勻附加壓力Δp=p-p0(其中p為對孔壁施加的均勻壓力，p0為初始狀態(tài)下的壓力)，假設(shè)孔壁內(nèi)側(cè)土體的初始半徑為r，所對應(yīng)產(chǎn)生的位移為u，那么施加壓力后半徑位移為ρ=r+u，從而產(chǎn)生的應(yīng)力為Δσr和 Δσθ，與之對應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變量是εr和εθ。

2 旁壓試驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

德國工程師Kogler 最早發(fā)明了旁壓儀，隨后歐美一些國家也研制出了類似的原位測試設(shè)備。法國Menard 等為了更好推廣和促進(jìn)旁壓試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展，相繼做了大量研究，形成了相對完整且可應(yīng)用于不同土質(zhì)條件下的旁壓試驗(yàn)成果的相應(yīng)公式、圖表和曲線。加拿大和美國在確定水平基床系數(shù)、估算超固結(jié)比OCR（Overconsolidation Ratio）和飽和黏性土不排水抗剪強(qiáng)度等工程應(yīng)用方面也取得了成果。近年來旁壓試驗(yàn)在國際上備受巖土工程屆關(guān)注，已逐漸成為原位測試重要手段之一。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在旁壓試驗(yàn)技術(shù)理論與工程實(shí)踐方面已日趨完善，積累了大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。旁壓試驗(yàn)在場地工程地質(zhì)條件評價(jià)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，各部門先后制訂了旁壓測試的規(guī)程[4-5]。目前發(fā)展表現(xiàn)在兩方面：一方面是理論上進(jìn)行研究[6]；另一方面是一線工程技術(shù)人員結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理得到相關(guān)規(guī)律[7-10]，獲取準(zhǔn)確的土體參數(shù)。國內(nèi)外的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和儀器均存在著差異且導(dǎo)致土體具有較強(qiáng)的地域性特征，這就要求我國巖土工程工作者在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本地區(qū)旁壓試驗(yàn)的工程實(shí)踐成果，在試驗(yàn)機(jī)理、適用性以及地區(qū)性土的物理力學(xué)指標(biāo)等方面均需做進(jìn)一步深入的研究。

3 旁壓試驗(yàn)成果應(yīng)用研究

3.1 試驗(yàn)場地的地質(zhì)概況

根據(jù)某地鐵工程鉆探呈現(xiàn)的成果并對地層年代分析，試驗(yàn)場地所在區(qū)域的地下土層主要為：第四紀(jì)全新人工堆積層(Q4ml)、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層(Q32hral)、中更新統(tǒng)上荒山組地層(Q22hl)、下荒山組地層(Q21hlal)。

表1 試驗(yàn)場地土層的層厚及選取樣本數(shù)量

3.2 旁壓試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相關(guān)性分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制旁壓試驗(yàn)臨塑荷載法確定的地基承載力pf-p0與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N的回歸曲線圖，如圖1～圖3 所示。

圖1 ③粉質(zhì)黏土層 pf - p0與N 相關(guān)性曲線

圖2 ③2 粉質(zhì)黏土層 pf -p0與N 相關(guān)性曲線

圖3 ④粉質(zhì)黏土層 pf - p0與N 相關(guān)性曲線

通過數(shù)據(jù)分析，某地鐵工程③粉質(zhì)黏土的旁壓試驗(yàn)臨塑法pf-p0與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N擬合的回歸方程如下：

通過數(shù)據(jù)分析，某地鐵工程③2粉質(zhì)黏土的旁壓試驗(yàn)臨塑法pfp0與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N擬合的回歸方程如下：

通過數(shù)據(jù)分析，某地鐵工程④粉質(zhì)黏土的旁壓試驗(yàn)臨塑法pf-p0與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N擬合的回歸方程如下：

分析圖1 ～圖3 可以看出：旁壓試驗(yàn)臨塑法pf-p0求得承載力fak與標(biāo)貫試驗(yàn)的標(biāo)貫擊數(shù)N具有明顯的相關(guān)性，說明利用此方法計(jì)算獲得對應(yīng)土層的標(biāo)準(zhǔn)貫擊數(shù)N是有效的。

3.3 旁壓試驗(yàn)與靜力觸探試驗(yàn)相關(guān)性分析研究

在靜力觸探試驗(yàn)中，應(yīng)以垂直均勻的方式將符合標(biāo)準(zhǔn)的探頭壓入相應(yīng)測試位置，利用多項(xiàng)傳感器在探頭上完成不同參數(shù)轉(zhuǎn)換，由儀器完成記錄工作。為了確定正確的經(jīng)驗(yàn)公式，作者選取了兩種指數(shù)函數(shù)的擬合曲線與擬合直線的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比的方法來確定公式，選用某地鐵工程③粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土兩個(gè)黏土層進(jìn)行分析研究，選取的指數(shù)函數(shù)為：y=Bx和y=a-bcx，擬合曲線見圖4 ～圖5。

圖4 ③粉質(zhì)黏土層 pf - p0與pf - p0與q c相關(guān)性曲線y= 1.002x （標(biāo)準(zhǔn)誤差3.24）； y= 870.5 - 869.6 ×3x（標(biāo)準(zhǔn)誤差3.00）。

圖5③2 粉質(zhì)黏土層pf- p0與qc相關(guān)性曲線y=1.001x（標(biāo)準(zhǔn)誤差1.923）；y=2.85- 1.95 ×0.99x（標(biāo)準(zhǔn)誤差1.003）。

由上圖對比可知，y=Bx與y=a-bcx擬合后的曲線標(biāo)準(zhǔn)的誤差值（1.033～3.24）要比y=a+bx的標(biāo)準(zhǔn)的誤差值（0.08～0.74）大很多，從數(shù)據(jù)上看擬合得出的經(jīng)驗(yàn)式要更為準(zhǔn)確。

統(tǒng)計(jì)某地鐵區(qū)間原位測試數(shù)據(jù)，繪制不同土層旁壓試驗(yàn)和靜力觸探散點(diǎn)圖，圖6～圖8分別為qc和pf-p0在3個(gè)不同土層的相關(guān)性分析曲線以及回歸方程。

圖6 ③粉質(zhì)黏土層 pf - p0與 q c相關(guān)性曲線

圖7 ③2 粉質(zhì)黏土層 pf - p0與 q c相關(guān)性曲線

圖8 ④粉質(zhì)黏土層 pf - p0與 q c相關(guān)性曲線

通過數(shù)據(jù)分析，某地鐵工程③粉質(zhì)黏土的旁壓試驗(yàn)臨塑法pf-p0與靜力觸探錐頭阻力qc擬合的回歸方程如下：

通過數(shù)據(jù)分析，某地鐵工程③2粉質(zhì)黏土的旁壓試驗(yàn)臨塑法pf-p0與靜力觸探錐頭阻力qc擬合的回歸方程如下：

通過數(shù)據(jù)分析，某地鐵工程④粉質(zhì)黏土的旁壓試驗(yàn)臨塑法pf-p0與靜力觸探錐頭阻力qc擬合的回歸方程如下：

由圖4 ～圖8 分析研究可知，利用旁壓試驗(yàn)臨塑法求得承載力特征值pf-p0與靜力觸探錐頭阻力cq相關(guān)性關(guān)系的數(shù)據(jù)分布可以通過線性回歸方程y=ax+b來呈現(xiàn)，觀察③粉質(zhì)黏土和④粉質(zhì)黏土的離散點(diǎn)圖可知，離散點(diǎn)分散布置在直線附近且相關(guān)性指數(shù)小于其它土層，皮爾森指數(shù)均在0.8 以上，有效說明了pf-p0與cq具有較強(qiáng)相關(guān)性且能互相轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語

本文作者對地鐵巖土勘察工程中的旁壓試驗(yàn)進(jìn)行了力學(xué)模型、數(shù)據(jù)分析、工程應(yīng)用研究，根據(jù)研究結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）對地鐵工程勘察中的旁壓試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)相關(guān)性分析研究，得到了回歸方程和皮爾森系數(shù)；

（2）利用旁壓試驗(yàn)臨塑法求得承載力特征值pf-p0與標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)N、靜力觸探錐頭阻力qc相關(guān)性研究，得到皮爾森指數(shù)為正值且大于0.8，說明旁壓試驗(yàn)成果pf-p0與N、qc具有同向變化且相關(guān)性良好等特征，驗(yàn)證了通過旁壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得本地區(qū)粉質(zhì)黏土層標(biāo)貫擊數(shù)和錐頭阻力是切實(shí)可行的。

（3）在地鐵工程中的應(yīng)用研究結(jié)果，說明了旁壓試驗(yàn)與其他試驗(yàn)方法具有較好的相關(guān)性，具有推廣價(jià)值。