摘要 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖具有抗剪強(qiáng)度較高、孔隙度相對(duì)較高、含水率較低等特性，且具有較高的硬度，取樣時(shí)對(duì)工具的要求較高。旁壓試驗(yàn)是一種可用于評(píng)估強(qiáng)風(fēng)化花崗巖性質(zhì)的原位試驗(yàn)方法，被廣泛用于工程、地質(zhì)和環(huán)境研究中。文章基于池黃鐵路工程，闡述了旁壓試驗(yàn)應(yīng)用在該地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)勘察中的廣泛性，通過(guò)對(duì)旁壓試驗(yàn)所得力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在深層和淺層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層進(jìn)行旁壓試驗(yàn)時(shí)旁壓曲線有著不同的特點(diǎn)；旁壓試驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)還能夠反映同一土體對(duì)于不同巖土深度土體指標(biāo)的變化情況，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖土體性質(zhì)隨巖土深度變化而有所不同。該分析結(jié)果很好地驗(yàn)證了旁壓試驗(yàn)在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)勘察應(yīng)用的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 旁壓試驗(yàn)；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；地質(zhì)勘察；旁壓模量

中圖分類號(hào) P624文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0066-03

0 引言

受氣候因素的長(zhǎng)期影響，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)層，逐漸形成了大量的地貌特征，包括但不限于河道、峽谷以及高原臺(tái)地等地形特征。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖在我國(guó)分布廣泛，是一種經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間自然風(fēng)化作用的花崗巖巖石，通常表現(xiàn)為高強(qiáng)度、壓縮模量大、孔隙度較高、含水率較低的特性，選用合適的試驗(yàn)方式對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)進(jìn)行取樣成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。旁壓試驗(yàn)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)評(píng)估土體的物理性質(zhì)、力學(xué)特性和水文特性，并能模擬不同的荷載條件和土壤特性，幫助評(píng)估土體的承載力、沉降性能和穩(wěn)定性等。學(xué)者鄧東等[1]有針對(duì)性地將旁壓試驗(yàn)運(yùn)用在了不同地質(zhì)條件城市地質(zhì)勘察中，為城市地質(zhì)勘察調(diào)查提供了一種方法。學(xué)者王曉兵等[2]將旁壓試驗(yàn)運(yùn)用到某核電廠巖土工程勘察中，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，考慮旁壓試驗(yàn)更適用的場(chǎng)合，得出旁壓試驗(yàn)結(jié)果受成孔的質(zhì)量和加壓速率影響較大。學(xué)者唐偵湛[3]基于長(zhǎng)沙市地鐵3號(hào)線，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)分析來(lái)研究旁壓參量之間的關(guān)系，結(jié)果表明：利用旁壓試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行地質(zhì)勘察，其水平基床系數(shù)、旁壓模量和地基承載力三者成正比例相關(guān)，該試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也可以為城市地鐵地質(zhì)勘察提供參考。學(xué)者李君韜[4]對(duì)旁壓試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)兩種原位測(cè)試方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)有著不會(huì)破壞土層的原位應(yīng)力，即所得到的力學(xué)參數(shù)更加符合實(shí)際情況的優(yōu)勢(shì)，闡述了旁壓試驗(yàn)的試驗(yàn)流程和注意事項(xiàng)，并且基于北京某大型巖土勘察的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)利用有限元仿真模擬軟件進(jìn)一步對(duì)比說(shuō)明旁壓試驗(yàn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值。學(xué)者馮宇等[5]對(duì)旁壓試驗(yàn)的使用方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，分析了在潮汐影響下如何進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，基于旁壓試驗(yàn)對(duì)蘇通大橋的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，為同類工程提供了參考。

1 旁壓試驗(yàn)介紹

旁壓試驗(yàn)是一種常見的原位測(cè)試技術(shù)，在巖土勘察等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。可以在不破壞土層原位應(yīng)力狀態(tài)的情況下得到土體的各項(xiàng)參數(shù)，因此在一定條件下，旁壓試驗(yàn)所得到的參數(shù)更符合實(shí)際地質(zhì)情況，旁壓試驗(yàn)技術(shù)可以極大提高地質(zhì)勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)是一種通過(guò)在地下提前鉆孔并安裝壓力計(jì)來(lái)進(jìn)行的旁壓試驗(yàn)，其原理是在地下鉆孔的過(guò)程中，先安裝一個(gè)壓力計(jì)設(shè)備，然后通過(guò)在壓力計(jì)內(nèi)施加穩(wěn)定的壓力來(lái)測(cè)量土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，以評(píng)估土體的力學(xué)性質(zhì)。預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)的步驟大概為鉆孔、安裝壓力計(jì)、施加壓力、測(cè)量壓力和變形、數(shù)據(jù)分析。

完整的旁壓曲線分為初始、似彈性和塑性階段，其中，初始階段反映孔壁受擾后土的壓縮與恢復(fù)過(guò)程。似彈性階段：在旁壓試驗(yàn)的初始階段，加載施加在試樣上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)線性彈性變形。當(dāng)施加的應(yīng)力移除時(shí)，試樣將恢復(fù)到初始狀態(tài)。塑性階段：當(dāng)施加的應(yīng)力超過(guò)試樣的彈性極限時(shí)，試樣會(huì)進(jìn)入塑性階段。在這個(gè)階段，試樣會(huì)出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)變不再與應(yīng)力成正比。試樣會(huì)發(fā)生永久性變形，而且應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系不再是線性的。試樣會(huì)沿著一條曲線進(jìn)行塑性變形，這條曲線稱為塑性應(yīng)變曲線。典型旁壓曲線示意圖見圖1。

2 場(chǎng)地概況

此次勘察位置為池州至黃山鐵路（池黃鐵路），池黃鐵路位于安徽省南部皖南山區(qū)，經(jīng)由池州市、黃山市，通過(guò)九華山、太平湖、黃山等風(fēng)景名勝區(qū)。在該次旁壓試驗(yàn)之前，已通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等方法對(duì)該工程巖土強(qiáng)度以及其變形參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。但對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)來(lái)說(shuō)，該巖體極易破碎，采集樣品十分困難，采用上述方法土體原位應(yīng)力已經(jīng)被破壞，所獲得的土層承載力和變形能力不能很好地反映實(shí)際情況，故采用旁壓試驗(yàn)對(duì)該工程再次勘察。該次勘察目的主要是利用旁壓試驗(yàn)方法對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖承載力以及變形能力進(jìn)行勘察，該工程地貌分布見圖2。

3 旁壓試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 旁壓試驗(yàn)曲線分析

對(duì)池州至黃山鐵路（池黃鐵路）工程進(jìn)行了12個(gè)孔的旁壓試驗(yàn)，這些孔的區(qū)間深度為[?20 m，?65 m]，對(duì)旁壓試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析并計(jì)算對(duì)應(yīng)地基承載力特征值和土體的旁壓模量，采用公式（1）：

fak=Pf?P0 （1）

式中，fak——地基承載力特征值；Pf ——臨塑壓力；P0——初始水平土壓力。

土體的旁壓模量可根據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

（2）

式中，——似彈性階段的直線斜率；μ——泊松比；Ve——初始體積；V0——初始水平土壓力對(duì)應(yīng)體積；Vf ——臨塑壓力對(duì)應(yīng)體積。

如圖3所示，為旁壓試驗(yàn)在測(cè)點(diǎn)深度為35 m時(shí)的一條旁壓曲線，該旁壓曲線可很好符合典型旁壓曲線的三個(gè)階段。根據(jù)圖3可得：深度25 m時(shí)土層的初始?jí)毫ξ?00 kPa，小于800 kPa時(shí)，位于初始階段；深度25 m時(shí)土層的臨塑壓力為2 800 kPa，處在800 kPa和2 800 kPa之間，土體位于似彈性階段；當(dāng)超過(guò)2 800 kPa時(shí)，土體會(huì)處于破壞狀態(tài)。

如圖4所示，為旁壓試驗(yàn)在測(cè)點(diǎn)深度為33 m時(shí)的一條旁壓曲線，該曲線僅出現(xiàn)典型旁壓曲線的初始階段和似彈性階段。根據(jù)圖4分析該深度的土體沒(méi)有出現(xiàn)塑性階段的原因，可能是由于隨著勘察深度的增加，巖土的風(fēng)化程度會(huì)降低，其相應(yīng)的強(qiáng)度會(huì)增大，所以土體還未達(dá)到塑性階段。

將兩種不同測(cè)點(diǎn)深度的旁壓曲線進(jìn)行對(duì)比，可以得出，在不改變其他條件時(shí)，在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層不同深度進(jìn)行旁壓試驗(yàn)時(shí)旁壓曲線有著不同的特點(diǎn)。具體而言，對(duì)于淺層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層來(lái)說(shuō)，旁壓曲線很好地符合了典型旁壓曲線的三個(gè)階段，但是對(duì)于深層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層來(lái)說(shuō)，由于深度太大，存在使臨塑壓力超過(guò)量程的可能，但這種情況下巖層的承載能力已經(jīng)非常高，證明了旁壓試驗(yàn)在對(duì)深層地質(zhì)勘察的優(yōu)越性。

3.2 旁壓模量隨深度變化分析

如圖5所示，為旁壓模量隨深度變化曲線。從圖5可得：深度小于41 m時(shí)，旁壓模量隨著深度的變化為不均勻分布，未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，旁壓模量的激增和驟減可能是由于地層中存在不同的土層所導(dǎo)致的；深度大于41 m時(shí)，旁壓模量隨著深度的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

如圖6所示，為旁壓模量隨深度變化曲線。從圖6可得：旁壓模量隨著深度的變化為不均勻分布，旁壓模量隨深度的變化大致呈Z形分布，深度為53～62 m時(shí)旁壓模量差值較大是在較深處，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖不單單只有一個(gè)巖土層，不同巖土層的力學(xué)性質(zhì)也有著明顯的區(qū)別。

根據(jù)圖5和圖6的旁壓模量隨深度變化曲線圖可知，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖來(lái)說(shuō)土體性質(zhì)變化很大，對(duì)同一鉆孔而言，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的旁壓模量隨深度變化最大值與最小值之間的差異非常大。很明顯，在采樣困難的情況下，室內(nèi)試驗(yàn)等方法難以獲得各個(gè)深度土層力學(xué)性質(zhì)準(zhǔn)確、全面的信息。相比之下，旁壓試驗(yàn)更容易滿足試驗(yàn)條件，因此其結(jié)果更可靠。

3.3 根據(jù)旁壓試驗(yàn)計(jì)算的土層參數(shù)

采用公式（1）和（2）結(jié)合旁壓試驗(yàn)所得旁壓曲線和旁壓模量隨深度變化關(guān)系得到不同土層深度下各參數(shù)（承載力標(biāo)準(zhǔn)值、旁壓模量和抗剪強(qiáng)度），計(jì)算所得土層參數(shù)見表1。

經(jīng)對(duì)該地質(zhì)土層調(diào)研得出，根據(jù)旁壓試驗(yàn)所計(jì)算的土層參數(shù)與該地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層力學(xué)參數(shù)較為符合。該地區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]。

4 結(jié)論

為了探究旁壓試驗(yàn)在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地質(zhì)勘察中的實(shí)際應(yīng)用，該研究首先對(duì)國(guó)內(nèi)旁壓試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，簡(jiǎn)單地介紹了旁壓試驗(yàn)的全過(guò)程和注意事項(xiàng)，以及對(duì)比其他原位試驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)，并基于池州至黃山鐵路（池黃鐵路）工程利用旁壓試驗(yàn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了地質(zhì)勘察，最終得出以下結(jié)論：

（1）在深層和淺層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層進(jìn)行旁壓試驗(yàn)時(shí)旁壓曲線有著不同的特點(diǎn)。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層深度較大并且到達(dá)一定界限時(shí)，存在會(huì)使臨塑壓力超過(guò)量程的情況，無(wú)法對(duì)其計(jì)算。同時(shí)，旁壓試驗(yàn)的結(jié)果還能夠反映對(duì)于同一土體材質(zhì)在巖土深度變化時(shí)土體指標(biāo)的變化情況。然而對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，獲得足夠的樣本來(lái)反映土體指標(biāo)隨著巖土深度變化的情況是十分困難的。

（2）對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖來(lái)說(shuō)土體性質(zhì)隨巖土深度變化有所不同，對(duì)同一鉆孔而言，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的旁壓模量隨深度變化最大值與最小值之間的差異非常大。在土體采樣困難的情況下，室內(nèi)試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入等方法難以對(duì)各個(gè)深度土層力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的勘察。因此，相比之下旁壓試驗(yàn)所獲得土體指標(biāo)更可靠。

參考文獻(xiàn)

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[5]馮宇. 低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 建材與裝飾， 2017（16）： 68-69.

[6]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）局部修訂通過(guò)審查[J]. 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化， 2022（4）： 23.

收稿日期：2023-11-22

作者簡(jiǎn)介：李磊（1992—），男，本科，工程師，研究方向：工程地質(zhì)。