摘 要：為了有效計(jì)算深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的地基承載力，本次研究過(guò)程分析了旁壓試驗(yàn)的原理和關(guān)鍵技術(shù)，在其基礎(chǔ)上獲取此類(lèi)地基的旁壓模量，再計(jì)算地基承載力特征值，并且與室內(nèi)土工試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，旁壓試驗(yàn)求出的地基承載力特征值、地基變形模量明顯高于室內(nèi)土工試驗(yàn)，能夠更好地反映深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的地質(zhì)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；旁壓試驗(yàn)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 45" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層屬于不良的地質(zhì)條件，傳統(tǒng)的室內(nèi)土工試驗(yàn)方法難以有效檢測(cè)此類(lèi)地基的承載力。旁壓試驗(yàn)是典型的原位測(cè)試方法，能夠滿(mǎn)足較大埋深的地質(zhì)檢測(cè)工作要求，可分層測(cè)試地基的承載力特征值、抗剪強(qiáng)度以及旁壓模量，其結(jié)果更加接近實(shí)際情況，因此對(duì)其進(jìn)行研究。

1 深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的特點(diǎn)

某地區(qū)年平均降水量為1300～2500mm，年平均氣溫約為22.7℃，夏季歷史最高氣溫為39.1℃，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。受到降雨、季風(fēng)、環(huán)境溫度等諸多因素的影響，該地區(qū)巖石出現(xiàn)強(qiáng)烈風(fēng)化。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，該地區(qū)分布著大量的花崗巖，其風(fēng)化巖層的厚度可達(dá)到10～55m，為深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。

2 旁壓試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)

旁壓試驗(yàn)是一種地基原位測(cè)試方法，主要的技術(shù)依據(jù)為《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 69—2019），常用的實(shí)施方法分為預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)和自鉆式旁壓試驗(yàn)，此次研究采用預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)法。

2.1 試驗(yàn)儀器及率定

試驗(yàn)儀器：預(yù)鉆式旁壓儀是預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)由水箱、測(cè)管、精密壓力表、數(shù)據(jù)測(cè)記裝置、控制閥門(mén)、調(diào)壓閥、旁壓器、加壓穩(wěn)壓、高壓氣源裝置組成，整體呈圓柱狀，根據(jù)腔體的數(shù)量，可分為單腔式和三腔式[1]。

率定方法：為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性和可靠性，必須校準(zhǔn)儀器，主要包括綜合變形率定和彈性膜約束力率定。綜合變形率定主要用于校準(zhǔn)儀器的整體性能，而彈性膜約束力率定則用于檢查儀器承受壓力時(shí)的性能。為了檢查儀器在長(zhǎng)時(shí)間使用后的性能以及保證儀器承受壓力時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性，根據(jù)規(guī)定，旁壓儀初次使用時(shí)或長(zhǎng)期放置后重新啟用前，應(yīng)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。如果旁壓儀使用次數(shù)達(dá)到20次，就應(yīng)進(jìn)行彈性膜約束力率定。為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性和可靠性，除了儀器校準(zhǔn)外，還須注意其他因素。例如，操作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，避免人為誤差，同時(shí)，也需要定期進(jìn)行儀器維護(hù)和保養(yǎng)，以保證儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，需要進(jìn)行多次測(cè)量并取平均值。以綜合變形率定為例，實(shí)施方法如下。

將旁壓器放置在率定管內(nèi)，在彈性膜的徑向形成剛性限制力，率定時(shí)逐級(jí)加壓，下一級(jí)對(duì)上一級(jí)的壓力增量為儀器額定壓力的1/10，加壓時(shí)的最高限制為額定壓力的80%。測(cè)量每一級(jí)壓力對(duì)應(yīng)的位移或體積數(shù)值，繪制相關(guān)曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)壓力軸的斜率即為綜合變形率定系數(shù)[2]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)流程

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是獲取地下工程地質(zhì)參數(shù)的主要方式之一，其基本流程包括預(yù)鉆式旁壓儀定位、調(diào)節(jié)水平、連接主機(jī)與旁壓器、調(diào)整高壓氣源瓶上的減壓閥、注水、調(diào)零、將旁壓器放至試驗(yàn)深度、測(cè)量記錄試驗(yàn)深度及地下水位等步驟。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，加壓操作應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖來(lái)說(shuō)，達(dá)到臨塑壓力前的壓力增量為200kPa～500kPa，臨塑壓力后的壓力增量應(yīng)≥500kPa。預(yù)鉆式旁壓儀定位，決定了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。在定位過(guò)程中，需要充分考慮地層條件、試驗(yàn)?zāi)康暮同F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素，以保證旁壓儀能夠正確放置在所需的位置。如果旁壓儀放置存在水平誤差，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，從而影響整個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果。因此，在試驗(yàn)前需要對(duì)旁壓儀進(jìn)行仔細(xì)調(diào)平，以保證其水平度滿(mǎn)足要求。在連接主機(jī)與旁壓器過(guò)程中，施工人員需要保證連接的緊密性和穩(wěn)定性，防止在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)漏氣或壓力損失等問(wèn)題。減壓閥的作用是控制高壓氣源的輸出壓力，從而對(duì)旁壓器進(jìn)行加壓操作。在這個(gè)步驟中，施工人員需要保證減壓閥的調(diào)節(jié)精度以及穩(wěn)定性，避免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。注水、調(diào)零試驗(yàn)旨在讓旁壓器與地層充分接觸，并排除地層中的氣體、水分。當(dāng)施工人員執(zhí)行這兩個(gè)步驟時(shí)，需要特別注意注水量和調(diào)零操作的準(zhǔn)確性。在測(cè)量記錄試驗(yàn)深度及地下水位過(guò)程中，施工人員需要使用準(zhǔn)確的測(cè)量工具以及記錄方法，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的技術(shù)要點(diǎn)

注水和調(diào)零實(shí)施要點(diǎn)：注水和調(diào)零是旁壓試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，將清潔的冷水注入旁壓儀的水箱內(nèi)，結(jié)束后旋緊水箱蓋，注水時(shí)應(yīng)保持旁壓儀垂直于地面，并保證基礎(chǔ)可靠、平穩(wěn)，管路中有可能殘存一定量的空氣，注水時(shí)應(yīng)保證旁壓器和導(dǎo)壓管充滿(mǎn)清水，因此可通過(guò)持續(xù)抖動(dòng)排除滯留的空氣。觀(guān)察目測(cè)管內(nèi)的水位，當(dāng)其水位上升或者略高于“0”時(shí)，即可停止注水操作，再將水箱蓋打開(kāi)[3]。在旁壓器恢復(fù)原狀后，將其提升至一定高度，排出多余的水，最終使目測(cè)管的“0”刻度線(xiàn)與測(cè)量腔保持平齊。

試驗(yàn)加壓方法：試驗(yàn)過(guò)程采用逐級(jí)加壓法，將壓力差設(shè)計(jì)為預(yù)估臨塑區(qū)壓力的1/5～1/7，亦可按照表1確定每次的壓力增量，加壓穩(wěn)壓以及變形量測(cè)量時(shí)間見(jiàn)表2。

試驗(yàn)加壓靜水壓力計(jì)算方法：試驗(yàn)的第一級(jí)壓力載荷會(huì)在旁壓器內(nèi)產(chǎn)生一定的靜水壓力，可根據(jù)孔口至試驗(yàn)段中點(diǎn)的深度計(jì)算靜水壓力。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

旁壓試驗(yàn)可得到一系列現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)校正后，可通過(guò)這些數(shù)據(jù)建立旁壓曲線(xiàn)，其作用是表征巖體應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系之間的關(guān)聯(lián)變化規(guī)律，從而通過(guò)該曲線(xiàn)計(jì)算巖土的模量和承載力，為工程建設(shè)提供理論依據(jù)。以旁壓模量Em為例，其計(jì)算方法分為兩種，用方法一計(jì)量數(shù)據(jù)是位移量，用方法二計(jì)算數(shù)據(jù)是體積。旁壓試驗(yàn)的目的是通過(guò)其結(jié)果計(jì)算地基的承載力，相應(yīng)的計(jì)算方法分為兩種：根據(jù)巖土體的臨塑壓力計(jì)算承載力；根據(jù)巖土體的極限壓力計(jì)算承載力[4]。

3 深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖旁壓試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

3.1 勘察場(chǎng)地基本情況

本次研究以辦公樓場(chǎng)地項(xiàng)目為研究對(duì)象，由工程技術(shù)人員對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)勘察，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50213—2019）檢測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的巖土強(qiáng)度，在具體實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層遇水后易崩壞，難以有效取樣，導(dǎo)致其檢測(cè)獲得的巖土強(qiáng)度值不能反映巖土層的實(shí)際承載力，因此采用旁壓試驗(yàn)檢測(cè)地基巖土層的強(qiáng)度及變形參數(shù)[5]（巖土強(qiáng)度測(cè)試項(xiàng)目及適用標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3）。

經(jīng)過(guò)地質(zhì)鉆探，獲得施工場(chǎng)地的地層結(jié)構(gòu)，按照從上到下的順序，分別為含卵石砂礫（厚度約為14.7m）、粗砂（厚度約為2.6m）、砂質(zhì)性黏土（厚度約為5.9m）、全風(fēng)化花崗巖（厚度約為5.6m）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（厚度約為18.7m）。

3.2 旁壓試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 典型旁壓試驗(yàn)分析

基于典型旁壓曲線(xiàn)的旁壓模量計(jì)算結(jié)果：試驗(yàn)場(chǎng)地的面積約為3000㎡，試驗(yàn)過(guò)程利用梅納G-AM型高壓旁壓儀進(jìn)行鉆孔，數(shù)量為13個(gè)，旁壓試驗(yàn)的深度為-26～-70m。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到兩種典型的旁壓曲線(xiàn)，圖1為第一種典型旁壓曲線(xiàn)的示意圖，該曲線(xiàn)的測(cè)點(diǎn)在地下41m處，土層的初始?jí)毫0=800kPa，臨塑區(qū)壓力pf=2800kPa。利用相應(yīng)的計(jì)算公式，求出旁壓模量Em=112MPa。

當(dāng)旁壓試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)深度達(dá)到地下60m處時(shí)，得到另一種典型的旁壓試驗(yàn)曲線(xiàn)，其特點(diǎn)為幾乎無(wú)法觀(guān)察到塑性階段，造成這種現(xiàn)象的原因是在這個(gè)深度，花崗巖的風(fēng)化程度降低，巖土層的強(qiáng)度有所提升，在試驗(yàn)壓力下并未引發(fā)塑性變形，因此對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，計(jì)算該深度的旁壓模量為441MPa。

3.2.2 典型地塊旁壓模量隨深度的變化

表4為旁壓試驗(yàn)中典型地塊旁壓模量隨深度的變化情況，當(dāng)深度為34.5m、38.0m、42.0m時(shí)，旁壓模量明顯提高，分析地質(zhì)調(diào)查的資料，造成這種現(xiàn)象的主要原因是地層中出現(xiàn)了風(fēng)化花崗斑巖，此類(lèi)巖石硬度較大，導(dǎo)致Em檢測(cè)值驟增，試驗(yàn)結(jié)果符合地質(zhì)資料。

3.3 基于旁壓試驗(yàn)的地基勘察成果分析

3.3.1 土工試驗(yàn)的結(jié)果

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50213—2019），通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)勘察，并且采集土樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。結(jié)果顯示，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的承載力特征值fak=800kPa，變形模量E0=150MPa，內(nèi)摩擦角ψ=32°，凝聚力c=50kPa。當(dāng)獲取fak時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊次數(shù)超過(guò)50次。E0的計(jì)算方法為E0=αN'，其中N'是未修正的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)，N'=50，α=30。

3.3.2 旁壓試驗(yàn)的結(jié)果

根據(jù)旁壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分層計(jì)算巖土層的承載力特征值、旁壓模量以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在土工試驗(yàn)中，強(qiáng)風(fēng)化巖層的承載力特征值為800kPa，旁壓試驗(yàn)計(jì)算的平均承載力特征值為2742.93kPa，為前者的3.42倍。在土工試驗(yàn)中，測(cè)得巖層的變形模量E0=150MPa，旁壓模量與變形模量存在一定的差異，二者之間具有轉(zhuǎn)換關(guān)系，通常按照E0=kEm進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系數(shù)kgt;1。但是實(shí)測(cè)的旁壓模量均值為190.66MPa，大于E0，說(shuō)明通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)量的變形模量偏小。

利用旁壓試驗(yàn)測(cè)量地基抗剪強(qiáng)度的理論模型尚不完善，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，此次研究過(guò)程采用一種反推的計(jì)算方法，根據(jù)已知數(shù)據(jù)計(jì)算抗剪強(qiáng)度中的凝聚力，過(guò)程如下。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的埋置深度可達(dá)到數(shù)十米，采用試驗(yàn)方法求出地基承載力特征值后，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修正，將修正后的地基承載力特征值記為fa，則fa的計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5） （1）

式中：ηb為基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)；ηd為埋置深度的地基承載力修正系數(shù)；b為基礎(chǔ)底面寬度；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度；d為基礎(chǔ)的埋置深度。若b=3，d=0.5，則有fa=fak。當(dāng)偏心距e小于或等于0.33倍基礎(chǔ)底面寬度時(shí)，可采用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算地基承載力特征值，如公式（2）所示。

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck （2）

式中：Mb、Md、Mc均為承載力系數(shù)，可根據(jù)土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值確定這3個(gè)參數(shù)的取值；ck為基底下一倍短邊寬度對(duì)應(yīng)深度范圍內(nèi)的土黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值。將b=3和d=0.5代入公式中，再綜合公式（1），即可得到公式（3）。

fa=fak=3Mbγ+0.5Mdγm+Mcck （3）

式中：令γ=γm=20kN/m3，Mb、Md、Mc的取值與巖土內(nèi)摩擦角的關(guān)系見(jiàn)表6。在計(jì)算過(guò)程中，內(nèi)摩擦角為32°，對(duì)應(yīng)的Mb=2.60，Md=6.35，Mc=8.55。因此公式（3）中僅剩的未知量為ck，從而可推導(dǎo)各地質(zhì)層的黏聚力。綜合對(duì)比土工試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)的結(jié)果，后者求出的地基承載力特征值、風(fēng)化巖層變形模量以及抗剪強(qiáng)度均大于土工試驗(yàn)。

3.3.4 深層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖旁壓試驗(yàn)注意事項(xiàng)

體積校正：當(dāng)土層的剛度較大時(shí)，儀器管路在下探過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的變形，在這種情況下，管路自身的變形程度較大，而孔壁的變形量較小，因此儀器管路的變形量成為不可忽視的影響因素，每次測(cè)量時(shí)應(yīng)校正管路的變形量，否則會(huì)干擾旁壓模量的測(cè)量結(jié)果。

嚴(yán)格控制偏壓調(diào)節(jié)的誤差：對(duì)梅納G-AM型高壓旁壓儀來(lái)說(shuō)，當(dāng)試驗(yàn)深度持續(xù)增加時(shí)，探頭內(nèi)空氣腔、水腔的固定壓差與試驗(yàn)深度呈正相關(guān)，導(dǎo)致偏壓調(diào)節(jié)難度增加，有可能產(chǎn)生較大的誤差。因此，可適當(dāng)增加壓差試驗(yàn)的次數(shù)，從1次提升為2次或者3次，將多次測(cè)量的平均值作為結(jié)果。如果2次測(cè)量的結(jié)果基本一致，可直接采納，如果2次測(cè)量結(jié)果的偏差較大，就可進(jìn)行第三次試驗(yàn)，剔除其中的較大值。

4 結(jié)語(yǔ)

深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的結(jié)構(gòu)性、破碎性較為突出，傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)方法需要進(jìn)行取樣，而此類(lèi)巖層的地質(zhì)特點(diǎn)導(dǎo)致取樣困難，計(jì)算結(jié)果也難以反映實(shí)際情況。旁壓試驗(yàn)是一種可行的風(fēng)化巖層地質(zhì)勘察方法，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該方法獲取的地基承載力特征值、抗剪強(qiáng)度以及變形模量都更為可靠，效果強(qiáng)于傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]黃傳寶.福建花崗巖殘積土工程特性的研究[J].四川水泥，2021（11）：255-256.

[2]陳法波，李志云，楊光華，等.福建平潭風(fēng)化花崗巖原位測(cè)試及巖土參數(shù)取值研究[J].水利水電技術(shù)，2020，51（7）：147-153.

[3]沈振，屈鵬飛，孟軻荊，等.旁壓試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與砂土變形模量的相關(guān)性[J].巖土工程技術(shù)，2021，35（6）：416-419.

[4]陳法波，溫勇，楊光華，等.基于自鉆式旁壓試驗(yàn)的花崗巖殘積土原位力學(xué)特性研究[J].水利水電技術(shù)，2019，50（增刊2）：188-192.

[5]張鳳海，徐明江，宋兵.旁壓試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在地基檢測(cè)中的對(duì)比研究[J].廣東土木與建筑，2019，26（2）：26-28.