旁壓試驗(yàn)等體積增加測(cè)試方法研究

王 福 高 敬 趙艷良 陳志英

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251;2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300251)

1 概述

德國(guó)工程師1930年發(fā)明了第一臺(tái)旁壓儀，由于當(dāng)時(shí)材料科學(xué)的制約(半剛性塑料和人造橡膠尚未發(fā)明)，在旁壓試驗(yàn)技術(shù)上遇到了很多問(wèn)題。1955年，法國(guó)道橋工程師梅納(Ménard)制造了三腔式旁壓儀的初型，后來(lái)發(fā)展為今天在國(guó)際上廣為使用的法國(guó)梅納旁壓儀。我國(guó)于二十世紀(jì)六七十年代仿制旁壓儀，并取得了成功，后來(lái)發(fā)展為國(guó)內(nèi)普遍采用的PY型和較新的PM型旁壓儀[1-3］。PY型旁壓儀因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便在國(guó)內(nèi)使用較廣。

上述旁壓設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)旁壓測(cè)試的初衷，即原位橫向載荷試驗(yàn)，但在旁壓儀結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法方面存在差異。ASTM標(biāo)準(zhǔn)在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中充當(dāng)了國(guó)內(nèi)規(guī)范的作用，它是由美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials)發(fā)布的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)和要求。在ASTM D4719—07中，對(duì)預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)測(cè)試方法做出了明確規(guī)定，即:A.等壓力增加法(以下均簡(jiǎn)稱A方法)，B.等體積增加法(以下均簡(jiǎn)稱B方法)。通過(guò)對(duì)比研究，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行旁壓試驗(yàn)規(guī)程中，普遍采用的是壓力控制的測(cè)試方法，其實(shí)質(zhì)與ASTM中規(guī)定的方法A相同。對(duì)于ASTM中規(guī)定的B測(cè)試方法，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和研究中均未見提及。出現(xiàn)上述現(xiàn)象一方面的原因是國(guó)內(nèi)通用的旁壓儀受設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響，不易實(shí)現(xiàn)等體積增加測(cè)試;另一方面的原因是國(guó)內(nèi)同行對(duì)該測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)尚未充分認(rèn)識(shí)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，筆者對(duì)旁壓試驗(yàn)等體積增加測(cè)試方法進(jìn)行了一些思考和探索，并通過(guò)設(shè)備改進(jìn)和操作調(diào)整在國(guó)產(chǎn)PY－4型旁壓儀上實(shí)現(xiàn)了該測(cè)試方法。最后，對(duì)旁壓測(cè)試成果進(jìn)行了分析。

2 ASTM標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于B方法的規(guī)定

在ASTM D4719－07中詳細(xì)闡述了預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、儀器設(shè)備、試驗(yàn)程序、數(shù)據(jù)整理與計(jì)算、試驗(yàn)報(bào)告等相關(guān)內(nèi)容，其中在試驗(yàn)方法上特別區(qū)分了等壓力增加和等體積增加兩種試驗(yàn)方法。在6.3條中，對(duì)B方法的儀器設(shè)備規(guī)定如下:使旁壓探頭增加等量體積，并通過(guò)液壓裝置測(cè)讀旁壓探頭的壓力變化;在9.5條中，對(duì)B方法的試驗(yàn)程序做出規(guī)定:等量增加旁壓探頭的體積，增量體積為大氣壓力作用下探頭初始膨脹體積的0.05到0.1倍。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，筆者找到了實(shí)現(xiàn)B方法的管路示意(見圖1)。

圖1 旁壓試驗(yàn)B方法管路示意

分析ASTM中B方法的規(guī)定及管路圖，不難發(fā)現(xiàn)，該方法的工作原理是利用定量注水裝置，使旁壓探頭增加體積，進(jìn)而使孔壁土體發(fā)生變形;通過(guò)探頭內(nèi)的壓力傳感器記錄壓力變化，進(jìn)而計(jì)算出作用在土體上的壓力值。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，方法A是在不變壓力下，記錄體積隨時(shí)間變化情況，一定程度反應(yīng)測(cè)試土體蠕變特性;而方法B是在不變體積下，記錄壓力變化情況，一定程度反應(yīng)測(cè)試土體松弛特性。

上述方法明顯區(qū)別于國(guó)內(nèi)旁壓測(cè)試方法，在ASTM中提出來(lái)，其優(yōu)點(diǎn)在于何處?能否在國(guó)產(chǎn)常用PY型旁壓儀上實(shí)現(xiàn)?第一個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單分析后發(fā)現(xiàn)，該方法的首要優(yōu)點(diǎn)就是不必在旁壓試驗(yàn)前預(yù)估臨塑壓力或極限壓力[4］，這一點(diǎn)對(duì)在不同地區(qū)、不同深度土層開展旁壓測(cè)試工作非常有益，對(duì)形成標(biāo)準(zhǔn)化的旁壓試驗(yàn)方法提供了基礎(chǔ)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以使孔穴體積增大，保持恒定的速率，使排水條件可控，這對(duì)于進(jìn)行旁壓試驗(yàn)機(jī)理分析和對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)成果有積極意義。第二個(gè)問(wèn)題，筆者通過(guò)一定的設(shè)備改進(jìn)和操作得以解決。

3 國(guó)產(chǎn)PY-4型旁壓儀的設(shè)備改進(jìn)及操作調(diào)整

國(guó)產(chǎn)旁壓儀在二十世紀(jì)六七十年代仿制完成后，一直沿用至今，其管路示意如圖2所示。

圖2 國(guó)產(chǎn)PY-4型旁壓儀改進(jìn)后管路示意

其工作原理是通過(guò)水箱注水，使旁壓探頭充水，調(diào)節(jié)地上測(cè)量管水柱至0刻度，達(dá)到管路內(nèi)水體體積恒定;采用高壓氮?dú)馄拷M合調(diào)壓閥的方法加壓，保持輸入端壓力穩(wěn)定。試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，使得作用在測(cè)量管液面上的壓力等量增加。通過(guò)計(jì)算測(cè)試點(diǎn)到地上測(cè)試設(shè)備的靜水壓力和旁壓膜膨脹一定體積下的約束力，進(jìn)而可得到作用在土體上的真實(shí)壓力。通過(guò)計(jì)算旁壓儀的綜合變形系數(shù)，求出特定壓力下儀器的變形體積，進(jìn)而得到作用土體的真實(shí)體積膨脹量。

對(duì)比B方法的測(cè)試要求，在PY-4型旁壓儀上進(jìn)行改進(jìn):首先，在水箱注水管路上加設(shè)三通壓力表，具體位置在注水閥和旁壓儀器之間的地上管路部位。在關(guān)閉注水閥后，通過(guò)壓力表和管路內(nèi)的靜水壓力，可以得到旁壓探頭測(cè)量腔內(nèi)的壓力值，達(dá)到圖1中壓力傳感器相同的作用。然后，對(duì)加壓操作進(jìn)行調(diào)整。緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，使測(cè)量管內(nèi)水柱緩慢下降至需要體積，迅速關(guān)閉測(cè)量管下方的測(cè)量管閥門，實(shí)現(xiàn)圖1中定量注水的效果。至此，通過(guò)以上設(shè)備改進(jìn)和操作調(diào)整，使得在PY－4型旁壓儀上進(jìn)行B方法測(cè)試得以實(shí)現(xiàn)。

4 對(duì)比分析

為了測(cè)試設(shè)備改進(jìn)后的效果，同時(shí)對(duì)兩種測(cè)試方法的測(cè)試成果進(jìn)行比較，在某工地，開展了旁壓試驗(yàn)B方法測(cè)試和對(duì)比試驗(yàn)工作。設(shè)計(jì)旁壓試驗(yàn)孔2個(gè)，2孔相距2 m。其中一孔采用國(guó)內(nèi)規(guī)程規(guī)定測(cè)試方法，即ASTM標(biāo)準(zhǔn)中A方法;另一孔采用B方法進(jìn)行。兩試驗(yàn)孔分別在規(guī)定的相同深度做對(duì)比試驗(yàn)，共計(jì)完成對(duì)比試驗(yàn)24組(如圖3、圖4所示)。

圖3 旁壓試驗(yàn)22 m處A方法試驗(yàn)曲線

圖4 旁壓試驗(yàn)22 m處B方法試驗(yàn)曲線

取兩孔上部22 m深度內(nèi)土層兩種測(cè)試方法得到的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在不考慮鉆機(jī)成孔質(zhì)量、人為操作等因素的影響下，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:B方法相對(duì)常規(guī)測(cè)試方法(A方法)得到的壓力界限值偏小，而旁壓剪切模量偏大(如表1所示)。

表1 旁壓試驗(yàn)A方法和B方法成果對(duì)比分析

5 結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)規(guī)程中規(guī)定的旁壓試驗(yàn)測(cè)試方法和ASTM中規(guī)定的等壓力增加測(cè)試方法相同，是在不變壓力下，記錄體積隨時(shí)間變化情況，一定程度反應(yīng)測(cè)試土體蠕變特性;而ASTM中規(guī)定的等體積增加測(cè)試方法是在不變體積下，記錄壓力變化情況，一定程度反應(yīng)測(cè)試土體松弛特性。

(2)通過(guò)進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)和操作調(diào)整，在國(guó)產(chǎn)PY-4型旁壓儀上實(shí)現(xiàn)了ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定旁壓試驗(yàn)等體積增加測(cè)試方法。

(3)旁壓試驗(yàn)B方法的優(yōu)勢(shì)在于:不必在旁壓試驗(yàn)前預(yù)估臨塑壓力或極限壓力;可以使孔穴增大體積保持恒定的速率，使排水條件可控。

(4)對(duì)兩種測(cè)試方法得到的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后發(fā)現(xiàn)，B方法相對(duì)常規(guī)測(cè)試方法(A方法)得到的壓力界限值偏小，而旁壓剪切模量偏大。其原因可能與測(cè)試過(guò)程中穩(wěn)定時(shí)間、旁壓膜材料特性等因素有關(guān)，尚待進(jìn)一步分析研究。

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