旁壓試驗(yàn)在砂卵石地層中的應(yīng)用及改進(jìn)

□魯 輝 □楊紅云 □張 騰（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院）

豫西某水庫采用混凝土面板堆石壩，最大壩高122.5m(趾板處)，壩頂長度530.0m。壩基河床段為砂卵石地層，含有漂石和泥層，基礎(chǔ)均勻性差，為防止大壩填筑后不均勻變形過大，擬對河床段壩基采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理。為論證高壓旋噴樁加固的可行性和加固效果，確定施工工藝和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，在壩基河床段選定一個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行地基加固試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)地基加固前后分別在相同位置布置6個(gè)旁壓試驗(yàn)孔，要求對河床覆蓋層各地層的承載力、變形模量等參數(shù)進(jìn)行測試，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

旁壓試驗(yàn)又叫橫壓試驗(yàn)，它可以對深部地層的承載力、變形模量等物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，是一種不可替代的原位測試技術(shù)。按旁壓器放入土層中的方式，它可分為預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)、自鉆式旁壓試驗(yàn)和壓入式旁壓試驗(yàn)。自20世紀(jì)70年代引入我國以來，旁壓試驗(yàn)已經(jīng)在鐵路、建筑行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并積累了很多工程經(jīng)驗(yàn)。但在水利行業(yè)應(yīng)用還不多，在砂卵石地層中應(yīng)用更是少見，究其原因主要是在砂卵石地層中應(yīng)用還存在下面幾個(gè)問題：一、砂卵石地層承載能力較高，常見旁壓儀很難獲得極限承載力；二、成孔質(zhì)量不易控制。和粘性土層相比，砂卵石地層中鉆孔橫截面難以形成完整的圓形，孔壁也容易受到擾動，導(dǎo)致試驗(yàn)效果差；三、成孔過程中由于鉆頭的切割，孔壁常有鋒利的尖角出露，容易造成旁壓器彈性模破損，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。這些問題都是由砂卵石地層特殊的結(jié)構(gòu)特性造成的。盡管旁壓試驗(yàn)在砂卵石地層中應(yīng)用困難重重，但由于其在工程地質(zhì)勘查中具有不可替代的作用，更需要業(yè)界同仁不斷去探索、去創(chuàng)新。

1. 基本原理

試驗(yàn)時(shí)，由加壓裝置通過增壓缸的面積變換，將較低的氣壓轉(zhuǎn)換為較高壓力的水壓，水壓通過高壓導(dǎo)管傳至旁壓器，使其彈性膜膨脹，導(dǎo)致鉆孔壁受壓而產(chǎn)生相應(yīng)的側(cè)向變形。其變形量由增壓缸的活塞位移值S確定，壓力P由與增壓缸相聯(lián)的壓力傳感器測得。得到壓力P和位移值S經(jīng)過校正后繪制成旁壓曲線，然后即可根據(jù)旁壓曲線的特征值（初始壓力P0、臨塑壓力Pf、極限壓力Pl）進(jìn)一步計(jì)算旁壓模量、地基承載力基本值、變形模量等參數(shù)。

2. 測試技術(shù)改進(jìn)

2.1 儀器的優(yōu)選

進(jìn)口梅納型旁壓儀比較昂貴，不利于推廣應(yīng)用；其他一些常見國產(chǎn)旁壓儀一般加載能力有限。本次試驗(yàn)采用國產(chǎn)PM型預(yù)鉆式旁壓儀，它最大加載能力可達(dá)到5.5MPa，旁壓器外徑為90mm。

2.2 成孔工藝改進(jìn)

泥漿護(hù)壁，二次鉆進(jìn)。即先用130mm鉆頭鉆進(jìn)到預(yù)定試驗(yàn)深度以上0.5m處，再換94mm非標(biāo)鉆頭鉆進(jìn)1.5m，然后提鉆試驗(yàn)。二次鉆進(jìn)為了防止卡孔；94mm非標(biāo)鉆頭每次鉆進(jìn)1.5m為了防止沉渣過厚旁壓器不能及時(shí)到達(dá)預(yù)定深度。鉆進(jìn)過程鉆桿盡量降低壓力，減小轉(zhuǎn)速，這樣既能減小對孔壁的擾動，也可以使孔壁較為圓滑。

2.3 旁壓器彈性膜的保護(hù)

盡管由于成孔工藝的改進(jìn)孔壁已經(jīng)較為圓滑，但試驗(yàn)時(shí)在高壓力下還是經(jīng)常會出現(xiàn)旁壓器彈性膜被扎破的情況。彈性膜一旦被扎破，該段孔壁由于已受擠壓或等待時(shí)間過長不宜再進(jìn)行試驗(yàn)，該點(diǎn)試驗(yàn)失敗，并且還要對彈性模進(jìn)行更換，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。為此利用110mm薄壁PVC管片，簡易粘附在彈性膜上進(jìn)行保護(hù)，它們對彈性膜膨脹沒有附加力，試驗(yàn)結(jié)束自動脫落不影響旁壓器的取出。這樣彈性膜得到了良好保護(hù)，試驗(yàn)效率可大大提高。

3. 資料整理改進(jìn)

3.1 旁壓曲線的甄別取舍

預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)中，成孔質(zhì)量的好壞會對試驗(yàn)結(jié)果造成很大影響，經(jīng)驗(yàn)表明，這些影響往往可以從旁壓曲線上甄別出來。對于成孔質(zhì)量不容易保證的砂卵石地層，非常有必要對旁壓曲線進(jìn)行甄別，因?yàn)橹挥姓５呐詨呵€才能計(jì)算出合理的物理力學(xué)參數(shù)。甄別出的不合理的旁壓曲線的計(jì)算結(jié)果僅供參考，不參與統(tǒng)計(jì)分析。

圖1是各種典型的旁壓曲線，圖中曲線a反映孔壁有縮孔現(xiàn)象，試驗(yàn)前旁壓器彈性膜已受孔壁擠壓，因?yàn)槿鄙倩謴?fù)期，曲線不完全，難以使用。曲線b可能是孔壁被嚴(yán)重?cái)_動形成很厚的擾動圈所致。加載后曲線有一段較長的上凸段，表明擾動土層在加載時(shí)的壓密過程；因受旁壓器膨脹量所限，旁壓曲線不完善，用起來很困難；同時(shí)因擾動，曲線的走向產(chǎn)生偏差，也會使結(jié)果失真。曲線c恢復(fù)區(qū)的范圍大，出現(xiàn)了“鵝脖子”現(xiàn)象，可能是塌孔造成孔徑較大，使旁壓器彈性膜的膨脹量有相當(dāng)大一部分消耗在旁壓器與孔壁之間的孔隙中，最后使曲線很不完善，無法使用。曲線d為正常的旁壓曲線，說明孔壁土擾動小，孔徑也比較規(guī)則。

圖1 典型旁壓曲線圖

3.2 采用中位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

砂卵石地層中進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，由于漂石和難以避免的孔徑影響，試驗(yàn)結(jié)果和粘性土層相比要離散的多，這種情況單獨(dú)研究某個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際意義并不大，最好分層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)也是由于上述原因，采用算術(shù)平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能偏離實(shí)際較大，帶來較大的誤差，可采用中位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。中位數(shù)是指將統(tǒng)計(jì)總體當(dāng)中的各個(gè)變量值按大小順序排列起來，形成一個(gè)數(shù)列，處于變量數(shù)列中間位置的變量值就稱為中位數(shù)，用Me表示。當(dāng)變量值的項(xiàng)數(shù)N為奇數(shù)時(shí)，中位數(shù)為處于中間位置的變量值；當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，中位數(shù)則為處于中間位置的2個(gè)變量值的平均數(shù)。中位數(shù)不受極端變量值的影響，因此對于較為離散的數(shù)據(jù)，用中位數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)要比用算術(shù)平均數(shù)統(tǒng)計(jì)更準(zhǔn)確。

4. 工區(qū)地質(zhì)簡況

河床覆蓋層為夾含漂石和泥層的砂卵石地層，一般厚度30 m，最大厚度41.87m，分述如下：

4.1 卵、礫、砂

卵石成分以石灰?guī)r、白云巖為主，個(gè)別為砂巖和礫巖，蝕圓度中等；礫石成分以灰?guī)r、白云巖為主，砂、頁巖次之。卵礫石一般呈新鮮至微風(fēng)化；砂子粗粒以巖屑為主，中細(xì)粒以石英為主，次為云母及長石。根據(jù)試驗(yàn)和物探資料可分為上、中、下3層，其中上層為含漂石卵石層，厚度10m左右；中層為含漂石細(xì)礫石層，厚度10m左右；下層為含漂石砂礫石層，厚度10～15m。

4.2 漂石

最大直徑5m以上，一般1m左右，蝕圓度差，較大者具原始塌落狀態(tài)，部分表面有鈣質(zhì)薄膜。成分以石英礫巖、灰?guī)r、花崗巖為主。

4.3 泥層

河床覆蓋層內(nèi)分布著面積不等，高程不同的泥層。其巖性變化極大，但80%以上為粉質(zhì)壤土，根據(jù)其分布高程可以概化為4層。

5. 成果分析

地基加固前旁壓試驗(yàn)共完成6個(gè)鉆孔共36個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過對旁壓曲線的甄別取舍實(shí)際參與統(tǒng)計(jì)31個(gè)點(diǎn)，見表1。由于本地區(qū)沒有砂卵石地層旁壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為了對比檢驗(yàn)旁壓試驗(yàn)效果，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)同時(shí)布置3個(gè)淺層平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)。淺層平板載荷試驗(yàn)承壓板采用直徑800mm的鋼性板，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其影響深度約為2.4m。表2為3個(gè)載荷點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果和6個(gè)試驗(yàn)深度均<2.4m的旁壓試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果的對比情況。由表2可以看出，兩種試驗(yàn)結(jié)果相差不大，說明本次旁壓試驗(yàn)取得了成功。

表1 地基加固前6 個(gè)鉆孔旁壓試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表2 載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)成果對比表

地基加固后又布置了6個(gè)旁壓試驗(yàn)孔，加固前后旁壓試驗(yàn)孔孔位一致。本次共完成旁壓試驗(yàn)66個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過對旁壓曲線的甄別取舍實(shí)際參與統(tǒng)計(jì)60個(gè)點(diǎn)。與地基加固前相比，各孔旁壓成果參數(shù)出現(xiàn)了不均勻性提高，其中1#、2#、3#、6#鉆孔提高較大，4#、5#孔旁壓成果參數(shù)提高較小，這種情況可能與高壓旋噴樁布置（見圖2）的疏密有關(guān)。

圖2 試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)孔（點(diǎn)）位及高壓旋噴樁布置圖

6. 結(jié)論與建議

本次試驗(yàn)針對目前砂卵石地層中旁壓試驗(yàn)存在的問題，從測試技術(shù)和資料整理兩方面進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)與淺層平板載荷試驗(yàn)對比，試驗(yàn)取得了成功。這說明如果措施得當(dāng)旁壓試驗(yàn)在砂卵石地層中也能取得較好的效果。

目前個(gè)別旁壓成果參數(shù)計(jì)算中涉及的一些經(jīng)驗(yàn)公式主要在黃土、粘性土和砂類土試驗(yàn)中建立，并不一定完全適合砂卵石地層。建議在砂卵石地層中對旁壓試驗(yàn)進(jìn)行多嘗試，隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累，通過不斷修正最終必定能確定一些較為貼近砂卵石實(shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)公式，為旁壓試驗(yàn)在水利行業(yè)發(fā)揮更大的作用鋪平道路。