摘要：為保證超百米深厚細(xì)砂覆蓋層的注漿加固效果，保障工程長期安全運(yùn)行，在對國內(nèi)外現(xiàn)有旁壓試驗規(guī)范剖析的基礎(chǔ)上，提出超百米旁壓試驗的測試方法和參數(shù)取值存在的問題和不足，后以某超百米深厚細(xì)砂覆蓋層中的旁壓試驗為應(yīng)用實例，對其注漿加固效果做了深入比較分析。結(jié)果表明：① 因原始水平地應(yīng)力復(fù)雜且試驗成孔不能保證，超百米深厚細(xì)砂覆蓋層旁壓試驗特征參數(shù)初始壓力P0的取值不能簡單以作圖法或計算法獲取，需進(jìn)一步深入研究；② 可以利用旁壓特征參數(shù)旁壓模量（EM）、臨塑壓力（Pf）作為超百米深厚細(xì)砂覆蓋層注漿效果評價的關(guān)鍵指標(biāo)；③ 經(jīng)袖閥管注漿加固超百米擾動細(xì)砂層后，承載特性指標(biāo)Pf提高約4.7倍，變形特性指標(biāo)EM提高約7.3倍。

關(guān)鍵詞：旁壓試驗； 深厚覆蓋層； 注漿加固； 效果評價

中圖法分類號：TU413

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.014

文章編號：1006-0081（2024）09-0079-06

0 引 言

20世紀(jì)30年代，Kgler發(fā)明了第一臺旁壓儀，至今旁壓試驗（PMT）已成為了最重要的原位測試方法之一，國外巖土工程師將PMT視為首選的巖土勘察手段，大量應(yīng)用于工程設(shè)計領(lǐng)域。國內(nèi)PMT經(jīng)過近60 a的發(fā)展，也獲得了成熟的工程經(jīng)驗。作為一種測試深度大、加載壓力高且具有一定成熟地區(qū)經(jīng)驗的原位測試方法，PMT在許多大型工程的深厚覆蓋層中得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，一批超大型工程不斷涌現(xiàn)，巖土工作者面臨的工程地質(zhì)問題更加嚴(yán)峻，對旁壓測試技術(shù)及其理論研究提出了更高的要求。受旁壓儀設(shè)備本身技術(shù)性能提升不足的限制，同時缺少對PMT成果的深入研究探討［4］，PMT的發(fā)展有所滯后。

常規(guī)PMT測試深度僅為0～70 m。長江科學(xué)院從事PMT研究近50 a，通過對旁壓儀及其試驗方法進(jìn)行長期研究，目前試驗深度已超過百米［5］，最大實測深度已達(dá)175 m。隨著測試深度的突破，PMT可服務(wù)于更多更復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，應(yīng)用場景也隨之拓展［6-8］。

本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有PMT規(guī)范剖析的基礎(chǔ)上，指出超百米PMT的測試方法和參數(shù)取值存在的問題和不足，并以某超百米深厚細(xì)砂覆蓋層中的PMT為應(yīng)用實例，對其注漿加固效果進(jìn)行深入比較分析。

1 PMT規(guī)范剖析

旁壓壓力-體變（P-V）曲線是PMT最直接的成果。從旁壓曲線中可直接得到對應(yīng)的旁壓特征參數(shù)：初始壓力P0、臨塑壓力Pf和極限壓力PL。利用這些旁壓特征參數(shù)可計算旁壓模量EM、地基承載力特征值fak，測求軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度Cu、砂土有效摩擦角φ′、側(cè)向基床系數(shù)Km等。其中，旁壓模量EM和地基承載力fak是支撐巖土工程設(shè)計及研究地基工程特性最直接的參量。

旁壓模量EM是根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論，在一定的假定前提下，利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式推導(dǎo)而來：

EM=2（1+μ）（Vc+Vm）ΔPΔV（1）

式中： μ為泊松比；ΔP/ΔV為PMT曲線直線段斜率；Vc為旁壓探頭（中腔）固有體積；Vm為PMT曲線直線段中點所對應(yīng)的體積。

地基承載力特征值fak按相關(guān)規(guī)范直接取值。國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對比見表1。

表1中，作圖法即將旁壓P-V曲線直線段延長相交于V軸，由交點作平行于P軸的直線相交于曲線的一點，該點對應(yīng)的壓力即為初始壓力P0。計算法則按式（2）～（3）計算初始壓力P0：

P0=K0γZ+u（2）

u=γwZ－h(huán)w（3）

式中：K0為試驗深度處靜止土壓力系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗確定；γ為試驗深度以上土的重度，地下水以下取有效重度；Z為孔口至試驗段中點的深度；u為試驗深度處土的孔隙水壓力；hw為孔口距孔內(nèi)地下水位的深度。

通過對比分析可知，國內(nèi)相關(guān)規(guī)范計算旁壓地基承載力特征值均推薦了臨塑壓力法和極限壓力法兩種，主要區(qū)別在于初始壓力P0的取值方法和修正系數(shù)λ、安全系數(shù)F的取值有所區(qū)別。如GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》選用了簡潔求取P0的方法；TB 10018-2018《鐵路工程原位測試規(guī)程》推薦在受成孔直徑和孔壁擾動等影響較大的黏性土和砂類土中使用計算法，而在風(fēng)化巖和軟巖等地層中，因其受原始水平地應(yīng)力的影響，推薦采用作圖法；JGJ/T 69-2019《地基旁壓試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》則規(guī)定當(dāng)試驗成孔較好、土層擾動小、測試數(shù)據(jù)完整且旁壓P-V曲線有明顯的初始段時，采用作圖法確定P0，否則采用計算法。相比于國內(nèi)相關(guān)規(guī)范對于旁壓地基承載力fak取值的規(guī)定，歐洲則利用旁壓特征參數(shù)初始壓力P0、臨塑壓力Pf和極限壓力PL，結(jié)合具體工程背景，采用經(jīng)驗公式計算。

據(jù)此可知，對于淺基礎(chǔ)或試驗成孔較好、土層擾動小的深埋風(fēng)化巖、軟巖等基礎(chǔ)，規(guī)范推薦的地基承載力特征值計算公式尚能滿足要求。但是，對試驗成孔差、埋深較大、原始水平地應(yīng)力復(fù)雜的黏性土或砂類土，計算法或作圖法確定的初始壓力P0均有較大誤差，造成現(xiàn)行規(guī)范不能滿足該類地層確定承載力特征值的精度要求，且相關(guān)規(guī)范也未對地基承載力在深度方向上的修正給出明確的建議。

2 超百米PMT測試技術(shù)

隨著工程建設(shè)難度加大，超百米級深厚覆蓋層已屢見不鮮，對PMT測試技術(shù)提出了更高要求，隨著測試深度的不斷增大，面臨的測試技術(shù)問題更加突出。因此，針對超百米深旁壓試驗，有必要對旁壓測試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行完善，以求獲取土體更加真實的旁壓P-V曲線。

2.1 鉆孔垂直度

根據(jù)DZ/T 0017-2023《工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》要求，地質(zhì)鉆孔100 m垂直度應(yīng)小于2°。實際鉆探過程中，經(jīng)驗豐富的勘察隊伍可控制在1°以內(nèi)，但當(dāng)試驗深度超過100 m，每1°的鉆孔偏差造成的鉆孔底部偏移為1.74 m，而PMT對試驗成孔質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，因此鉆孔垂直度是超百米PMT試驗時的重難點問題。試驗時應(yīng)嚴(yán)格控制試驗成孔質(zhì)量，根據(jù)鉆孔進(jìn)度實時校正鉆孔垂直度，必要時應(yīng)配置鉆孔垂直度檢測儀，保證鉆孔垂直度。

2.2 泥漿濃度

常規(guī)PMT并未考慮鉆孔泥漿濃度的問題，但當(dāng)PMT試驗深度超過100 m時，由此帶來的測試誤差則不容忽視，見圖1。

旁壓曲線中P的求解公式：

P=Pm+Pw－Pi（4）

Pw=H1+H2ρwg-H2ρng（5）

式中：P為校正后的壓力；Pm為記錄儀或壓力表讀數(shù)；Pw為靜水壓力；Pi為彈性膜約束力；H1為旁壓儀水腔中點到鉆孔內(nèi)水位深度；H2為鉆孔內(nèi)水位到測試點深度；ρw為水的密度；ρn為泥漿密度，1.15～1.20 g/cm3；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

當(dāng)不考慮泥漿濃度的影響時，靜水壓力Pw=H1ρwg，但隨著測試深度變大，100 m深的泥漿在測點處將產(chǎn)生1 150～1 200 kPa的泥漿壓力，對P值造成的誤差可達(dá)150～200 kPa。

試驗時應(yīng)配置泥漿濃度檢測儀，以測定PMT測試過程中的泥漿濃度，對壓力進(jìn)行修正，確定測點深度處土體的實際試驗壓力P。

2.3 試驗時間間隔

PMT要求成孔后應(yīng)立即進(jìn)行試驗，但當(dāng)試驗深度超過100 m，從試驗段成孔到旁壓探頭就位開始試驗，需經(jīng)過上百米的上拔鉆桿和上百米的旁壓探頭下放。經(jīng)過測算，該工序至少需要1 h，無疑造成了PMT的不及時性，甚至因為時間間隔太長，伴隨著孔壁軟化、坍塌、縮頸等難以計算的影響，造成試驗誤差。

因此，應(yīng)盡量縮短旁壓試驗段成孔到旁壓探頭就位的時間差，如采用大功率卷揚(yáng)機(jī)提升鉆桿、增加鉆桿長度，或當(dāng)全孔跟進(jìn)套管時，可采用鋼絲繩連接，下放旁壓探頭。

2.4 壓力滯后效應(yīng)

隨著PMT深度超過百米，PMT氣、水管路也隨之增長，壓力表不能及時反映旁壓探頭處的壓力，特別是三腔旁壓探頭中，氣路的壓力滯后往往比水路大，會導(dǎo)致探頭處氣水壓力差不平衡，影響測試精度。此外，壓力滯后效應(yīng)隨試驗壓力的增大而增大。

因此，應(yīng)適當(dāng)延長試驗分級加載時間，即將試驗分級加載時間由1 min改為3 min甚至更長，以減小滯后效應(yīng)帶來的影響。

3 工程應(yīng)用

本節(jié)結(jié)合某沉井工程中超百米深厚細(xì)砂覆蓋層PMT測試的實際情況，對深層PMT試驗數(shù)據(jù)整理和成果分析進(jìn)行探討。

3.1 工程背景

某沉井基礎(chǔ)，沉井高度115 m，沉井底部位于標(biāo)高-107 m的細(xì)砂層，前期勘察揭露該細(xì)砂呈灰色，飽和，密實狀，粒不均，多夾粉砂、中砂薄層；局部含少量1～5 cm圓礫，呈層狀分布于河槽段，高程范圍-87～-147 m，層厚1.2～34 m。因該細(xì)砂層在沉井施工過程中發(fā)生擾動，需對其進(jìn)行加固，見圖2。

加固方案采用袖閥管注漿，注漿施工前，對擾動細(xì)砂層及周邊原狀細(xì)砂層進(jìn)行PMT檢測，注漿完成后7 d再次進(jìn)行PMT檢測。通過3種不同狀態(tài)的超百米深厚細(xì)砂覆蓋層的旁壓特性參數(shù)，對注漿加固效果進(jìn)行評價。

3.2 試驗結(jié)果

考慮前述4種超百米PMT因素影響后，按照第2章所述注意事項，完成超百米深厚細(xì)砂覆蓋層PMT。其中：擾動細(xì)砂層PMT分3孔/5點，測試高程-106.0～-111.4 m；原狀細(xì)砂層2孔/5點，測試高程-101.8～-110.0 m；注漿后的擾動細(xì)砂層PMT分3孔/10點，測試高程-102～-110 m。旁壓P-V曲線見圖3～5。

按作圖法求得初始壓力P0，按規(guī)范法得到臨塑壓力Pf，并計算出旁壓承載力特征值fak=Pf-P0以及旁壓模量EM，如表2所示。如按計算法得出初始壓力P0gt;1 000 kPa，擾動細(xì)砂層和部分注漿后的擾動細(xì)砂層計算得出的旁壓承載力特征值fak將出現(xiàn)小于0的情況，采用計算法是不切實際的。

3.3 規(guī)范適應(yīng)性分析

對典型P-V曲線（-110.0 m原狀土）進(jìn)行分析，如圖6及表3所示。

不同初始壓力P0取值方法及承載力計算方法得出的旁壓特征參數(shù)、旁壓模量以及地基承載力特征值均有較大的差別，作圖法與計算法得出的旁壓模量EM相差24%，承載力特征值fak相差31%。究其原因，是因為規(guī)范推薦的計算方法建立在淺埋基礎(chǔ)上，未考慮到超百米PMT的深度效應(yīng)問題［5］，導(dǎo)致超百米深厚細(xì)砂覆蓋層用計算法得出的初始壓力遠(yuǎn)大于作圖法得出的初始壓力，計算結(jié)果很難直接應(yīng)用于工程實際。

以規(guī)范計算結(jié)果獲得的旁壓特征參數(shù)，換算成土體的物理力學(xué)參數(shù)來評價注漿加固效果，顯然是不實際的。正確的方法應(yīng)該是選用同一種旁壓特征參數(shù)取值方法，對注漿前后的土體進(jìn)行測試，以同一種旁壓特征參數(shù)為依據(jù)直接對注漿效果進(jìn)行評價，既避免了不同計算方法產(chǎn)生的差異，也避免了以旁壓特征參數(shù)換算成土體的物理力學(xué)參數(shù)過程中產(chǎn)生的問題。

3.4 對比分析

由表2可知：擾動細(xì)砂層的承載力較小，Pf=280～411 kPa，均值為362 kPa；旁壓變形值較小，旁壓模量EM=1.33～2.29 MPa，均值為1.82 MPa。原狀細(xì)砂層承載特性較穩(wěn)定且值最大，Pf=2 088～3 319 kPa，均值為2 601 kPa，旁壓變形值較大，旁壓模量EM=15.56～24.43 MPa，均值為20.64 MPa。注漿后的擾動細(xì)砂層旁壓承載特性及旁壓變形特性較為離散，Pf=1 015～2 503 kPa，均值為1 699 kPa，旁壓模量EM=6.54～31.99 MPa，均值為13.32 MPa。

此外，根據(jù)表2的統(tǒng)計結(jié)果，不同狀態(tài)的細(xì)砂層旁壓承載力特征值fak=Pf-P0的變異系數(shù)也比臨塑壓力Pf的大2%～3%；羅晶［10］對比了靜載試驗和旁壓試驗結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)fak=Pf-P0的離散性比Pf要大，靜載試驗得出的承載力與Pf線性相關(guān)。因此，本文以Pf作為評價注漿加固效果承載特性的參數(shù)，以EM作為評價注漿加固效果變形特性的參數(shù)。

將3種不同狀態(tài)細(xì)砂層的Pf和EM沿深度進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)注漿后PMT參數(shù)提高顯著，Pf提高約4.7倍，EM提高約7.3倍，但仍未達(dá)到原狀細(xì)砂層的承載和變形能力，僅為原狀細(xì)砂層的65%，見圖7～8。

考慮到注漿加固后短期內(nèi)便開始進(jìn)行PMT，細(xì)砂層注漿加固體在注漿漿液膠凝反應(yīng)、地下水環(huán)境、施工擾動等復(fù)雜因素影響下，其力學(xué)性能并未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100%，且注漿后短期內(nèi)不能恢復(fù)原狀細(xì)砂層的結(jié)構(gòu)性。因此，隨著時間推移，擾動細(xì)砂層注漿加固后，變形和承載性能還會持續(xù)提高。

4 結(jié) 論

本文針對超百米深層旁壓試驗，通過規(guī)范對比分析，結(jié)合工程實際，指出了當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題。利用旁壓特征參數(shù)評價深埋細(xì)砂覆蓋層的注漿加固效果，有如下結(jié)論。

（1） 旁壓試驗是一種切實可行且有效的超百米深埋地層原位測試方法，能夠滿足類似工程評價的需求。

（2） 通過對比擾動細(xì)砂層、原狀細(xì)砂層以及注漿后的擾動細(xì)砂層的旁壓試驗成果，提出以臨塑壓力Pf、旁壓模量EM作為注漿加固效果的評價指標(biāo)。

（3） 現(xiàn)行規(guī)范推薦的承載力取值方法并不適用于超百米旁壓試驗，特別是對于旁壓初始壓力P0的取值；與砂層相同，深厚軟黏土、砂卵石等成孔質(zhì)量難以保證的地層同樣存在類似問題，而對于成孔質(zhì)量較好的深厚硬黏土、軟巖等地層，采用作圖法求得的初始壓力P0是否與地層原始水平應(yīng)力相同仍然值得商榷。旁壓試驗作為有效的深厚覆蓋層勘察手段，對其成果應(yīng)用方面的研究有待進(jìn)一步深入。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on pressuremeter test of grouting effect of deep overburden with fine sand over 100 meters

WANG Hanwu，WANG Tiancheng，HU Shenggang，HUANG Hongyang

（Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering ofthe Ministry of Water Resources，ChangJiang River Scientific Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

To ensure the grouting reinforcement effect of deep fine sand overburden layers，ensuring the long-term safety and stability of the construction.After analyzing the existed international and domestic side pressure test standards，the shortcomings and issues in test methods and parameter selection for pressuremeter tests exceeding a hundred meters in depth was proposed，then a specific case of deep overburden with fine sand over 100 meters was taken into account to make an in-depth comparative analysis for the grouting reinforcement effect.The results showed that：① Due to the complexity of the original horizontal stress and uncertainties in borehole creation，the initial pressure value P0 for pressuremeter tests in deep overburden with fine sand over 100 meters cannot be simply obtained through the methods like graphical or calculational，and further research should be conducted.② The characteristic parameters of lateral pressure-bearing capacity，such as the plastic limit pressure （Pf） and lateral pressure modulus （EM），could be used as the primary indicators to evaluate the effectiveness of grouting reinforcement in thick overburden layers.③ After reinforcement with sleeve-valve pipe grouting in the disturbed thick overburden layers，the characteristic parameter Pf increased by approximately 4.7 times，and the deformation characteristic parameter EM would increased by approximately 7.3 times.

Key words：

pressuremeter test； deep overburden； reinforcement effect of grouting； effect assessment