對旁壓試驗(yàn)用于河床深厚覆蓋層勘察的探討

楊文鵬

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院新疆烏魯木齊830091）

對旁壓試驗(yàn)用于河床深厚覆蓋層勘察的探討

楊文鵬

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院新疆烏魯木齊830091）

在河床深厚覆蓋層的勘察過程中，為了得到較為準(zhǔn)確的地基土承載力以及變形情況，經(jīng)常借助于載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等。本文在介紹了旁壓試驗(yàn)的主要原理及設(shè)備，并討論重要特征值與參數(shù)的選取基礎(chǔ)上。以拉西瓦水電站為例分析了試驗(yàn)取樣過程中可能存在的問題，并具體分析旁壓試驗(yàn)在河床深厚覆蓋層勘察中的應(yīng)用。

河床；旁壓試驗(yàn)；覆蓋層；勘察

1　旁壓試驗(yàn)

1.1旁壓試驗(yàn)原理

旁壓試驗(yàn)屬于原位測試方法，可具體反映出于土體的原位應(yīng)力狀態(tài)，于同一土層內(nèi)展開試驗(yàn)，其離散性較低；在試驗(yàn)土層內(nèi)的適應(yīng)度高，能夠于同一鉆孔中展開不同土層的持續(xù)試驗(yàn)，存在適用度、安全系數(shù)大、操作簡易等優(yōu)勢。最初應(yīng)用在國外的外巖土工程中，在國內(nèi)的應(yīng)用時間較短。伴隨工程施工經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，旁壓試驗(yàn)的理論和實(shí)踐得到完善，并且以靈活、準(zhǔn)確的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。我國真正開始普及旁壓試驗(yàn)是從上世紀(jì)80年代開始，在巖土工程勘察工作中的應(yīng)用較為集中。旁壓試驗(yàn)需要首先打好鉆孔，并利用旁壓器在孔壁上加載一個橫向的壓力，導(dǎo)致土體發(fā)生徑向的形變量。然后通過旁壓器測量該形變量，并分析形變量與壓力兩個參數(shù)得到地基土的力學(xué)參數(shù)，可以在粘性土、風(fēng)化巖、碎石土等多種情況下發(fā)揮測量成效［1］。我國工程普遍采用的旁壓儀為PM型旁壓儀，這種儀器具備加壓裝置，可借助增壓缸面積變換的方式，將氣壓轉(zhuǎn)換成水壓，利用高壓導(dǎo)管將其導(dǎo)入旁壓器，產(chǎn)生膜膨脹，使地基孔壁位置因壓力產(chǎn)生形變，該變形量的確定可以通過活塞位移進(jìn)行推算。與此同時，其壓力可通過壓力傳感器獲取。

1.2旁壓試驗(yàn)設(shè)備

國內(nèi)開展的旁壓試驗(yàn)多采用PM型旁壓儀，其中PM-2B型預(yù)鉆式旁壓儀包括了注水系統(tǒng)、旁壓器、測量系統(tǒng)、壓力激勵產(chǎn)生設(shè)備等共同構(gòu)成。在評價旁壓試驗(yàn)儀器時往往會用到以下技術(shù)指標(biāo)：旁壓器總長、膠膜公稱外徑、位移量、可承受的最大壓力、增壓缸直徑。

1.3明確特征值與參數(shù)

為保證力學(xué)參數(shù)的精準(zhǔn)度，首先需繪制出旁壓曲線，通過旁壓曲線得到特征值。在旁壓試驗(yàn)中關(guān)鍵性的特征值主要為初始壓力、極限壓力、臨塑壓力。其中初始壓力通過將旁壓曲線中的直線段進(jìn)行延長，使其和S軸有一交點(diǎn)，通過此交點(diǎn)做一條和P軸相互平行的直線，該平行線和曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的壓力值，即初始壓力；臨塑壓力，即旁壓曲線的直線段末端對應(yīng)的壓力；極限壓力是旁壓曲線經(jīng)過臨塑壓力后，所對應(yīng)的S軸漸近線壓力［2］。

2　試驗(yàn)過程中面臨的問題

2.1工程案例

拉西瓦水電站位于青海省境內(nèi)，為黃河上游龍羊峽到青銅峽河段規(guī)劃的第二座大型電站。該電站壩址河谷十分狹窄，為“V”形，河床覆蓋層厚度在60m～72m內(nèi)。河床覆蓋層內(nèi)主要分為混合土塊石層、粉土質(zhì)砂層、塊石層、粉土質(zhì)砂層、混合土卵石層、粉土質(zhì)砂層、混合土卵石層。這七層均處于水面之下，不同層之間的厚度和成分存在差異。本次工程中，試驗(yàn)取樣主要針對粉土質(zhì)砂層。

2.2試驗(yàn)取樣時面臨的問題

本次工程對河床鉆孔取樣質(zhì)量要求極高，然而鉆探過程中難免由于各種因素導(dǎo)致取樣質(zhì)量下降。本試驗(yàn)中使用了SM植物膠鉆進(jìn)結(jié)合套管護(hù)壁，以達(dá)到強(qiáng)化取芯質(zhì)量的目的。但該施工方法，容易受到植物膠沖洗液流速的制約，孔底清洗情況不理想，對試驗(yàn)取樣的準(zhǔn)確度造成負(fù)面影響。此外，套管護(hù)壁將不可避免地對孔底土層產(chǎn)生一定擾動，進(jìn)而惡化取樣質(zhì)量。河床位置所受應(yīng)力情況相當(dāng)復(fù)雜，室內(nèi)試驗(yàn)很難及時反映每一個取樣點(diǎn)的原位應(yīng)力，所以得到的力學(xué)參數(shù)不夠精確。

2.3測試時面臨的問題

原位試驗(yàn)結(jié)果容易受地層、地下水、測試條件的影響，因此，拉西瓦水電站工程在進(jìn)行河床地層力學(xué)特性分析時采用了螺旋板載荷試驗(yàn)與淺層平板載荷試驗(yàn)，以保障所獲取河床地層地基承載力特性的精準(zhǔn)度。螺旋板載荷試驗(yàn)在地下水位以下、深層中的應(yīng)用優(yōu)勢顯著，但是因砂層涌沙容易產(chǎn)生孔底沉沙隱患，多次試驗(yàn)所得結(jié)果偏差值過大，存在較大制約性；淺層平板載荷試驗(yàn)，僅適用于混合土卵石層，無法滿足深度需求［3］；除此之外，分析拉西瓦水電站工程河心灘處的三個試驗(yàn)點(diǎn)，淺層平板載荷試驗(yàn)受地層成分影響，所得載荷結(jié)果的離散性較大。

3　論述旁壓試驗(yàn)對河床深厚敷蓋層的勘察

旁壓試驗(yàn)作為一種逐漸發(fā)展成熟的原位測試手段和方法，分為預(yù)鉆式和自鉆式兩種，均具有方法簡單、靈活快捷的特點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代發(fā)展以來，逐步成為我國巖土工程勘察中的原位測試方法之一。旁壓試驗(yàn)的應(yīng)用價值主要表現(xiàn)在以下幾個方面：反映土體原位力學(xué)性狀、判斷旁壓試驗(yàn)對土層的適應(yīng)性、旁壓試驗(yàn)是否受地下環(huán)境制約、實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確真實(shí)性等。下文闡述了該試驗(yàn)在拉西瓦水電站工程中的應(yīng)用。

3.1土體原位應(yīng)力狀態(tài)的勘察

旁壓試驗(yàn)于鉆孔內(nèi)展開，可最大程度保證土地原位應(yīng)力狀態(tài)、土體力學(xué)參數(shù)的精準(zhǔn)性。一旦在鉆探過程中出現(xiàn)砂層涌沙、卵粒石層塌孔等現(xiàn)象，可通過改變鉆孔孔徑，來合理控制孔深，降低涌沙、塌孔對孔壁造成的安全隱患。因控制孔底涌沙影響試驗(yàn)取樣的技術(shù)并不全面，使得拉西瓦水電站工程沒有較好的設(shè)備可對卵礫石層加以原狀取樣。

因試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度取決于鉆孔成孔質(zhì)量的高低與否，旁壓試驗(yàn)對鉆孔成孔質(zhì)量提出的標(biāo)準(zhǔn)較高。在進(jìn)行試驗(yàn)前，要先將φ110mm的鉆頭鉆孔到旁壓試驗(yàn)點(diǎn)以上2m處，再用φ94mm的鉆頭鉆進(jìn)1m～2m處。注意，若孔內(nèi)需要連續(xù)進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，相鄰兩個試驗(yàn)點(diǎn)的間距必須保持在1m以上，以防止試驗(yàn)點(diǎn)之間互相影響。在進(jìn)行旁壓試驗(yàn)時，如果鉆探過程中稍有不慎，就會破壞某些薄弱地層的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體原始結(jié)構(gòu)受損，這將大大降低結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以，旁壓試驗(yàn)中最重要的一個要求就是不能干擾孔壁土層，要確?？妆谕翆拥脑夹浴Ｔ囼?yàn)時，要保證試驗(yàn)點(diǎn)狀態(tài)最大程度地接近土地原位狀態(tài)。

土體結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到旁壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。通常情況下，同一土層的土體結(jié)構(gòu)相似，土層原位應(yīng)力狀態(tài)較接近。如果在試驗(yàn)中，土體結(jié)構(gòu)受到干擾，則旁壓試驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生很大的離散性。即使是同一土層，也有可能會產(chǎn)生差異很大的結(jié)構(gòu)。反之，如果試驗(yàn)中注意保護(hù)土體結(jié)構(gòu)，則試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性較高。如在土層類別為粉土質(zhì)砂層中進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。在該試驗(yàn)中，土體結(jié)構(gòu)沒有受到太大干擾，只是鉆孔編號、試驗(yàn)深度、初始水平壓力、臨塑壓力、極限壓力、承載力基本值等數(shù)據(jù)的不同。最后，所得試驗(yàn)結(jié)果可以較好地反映土體的原位力學(xué)狀態(tài)。

3.2地層適應(yīng)度的勘察

旁壓試驗(yàn)對地層的適應(yīng)度較高，即可以在單一地層中進(jìn)行，也能在不同地層中做試驗(yàn)。對土層的要求較低，如粘性土、粉土、砂土、碎石層、軟巖等。各地層中均可采用旁壓器進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。旁壓試驗(yàn)在地下水環(huán)境中進(jìn)行時，會因水壓力的不同對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。但要注意，淺層平板載荷試驗(yàn)只能在地下水位以上進(jìn)行。在拉西瓦水電站工程中，將鉆孔編號為ZK05的鉆孔分別于卵礫石、砂卵礫石、粉土質(zhì)砂層此三類試驗(yàn)土層中展開深度試驗(yàn)。分析初始水平壓力、臨塑壓力、極限壓力、地基承載力基本值發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)叵滤惶幱?3.0m以下時，不影響旁壓試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性，但需要參考水壓力的變化來整改試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化試驗(yàn)內(nèi)容。

在進(jìn)行螺旋板載荷試驗(yàn)旁壓試驗(yàn)時，需要注意以下幾點(diǎn)：1.試驗(yàn)段砂層和卵礫石層孔壁的完整與否；2.孔徑大小是否合適；3.控制孔底沉砂、塌孔以及涌沙等情況的出現(xiàn)，防止對試驗(yàn)產(chǎn)生不良影響。為了避免孔壁發(fā)生不穩(wěn)塌孔現(xiàn)象，在進(jìn)行試驗(yàn)前，要用鉆具在易塌孔地層鉆進(jìn)1m左右。

通過在拉西瓦水電站內(nèi)所有河床覆蓋層、同一鉆孔內(nèi)的不同地層、同一鉆孔的不同深度土層的大量旁壓試驗(yàn)，不難發(fā)現(xiàn)，旁壓試驗(yàn)均適用于拉西瓦水電站中的每一河床覆蓋層，能準(zhǔn)確反映每一土層的力學(xué)特征，可以在拉西瓦水電站工程中勘察河床深厚覆蓋層中廣泛應(yīng)用。

3.3控制成孔質(zhì)量

對成孔質(zhì)量的控制要求兩個方面：鉆孔孔徑和旁壓器的直徑匹配；孔壁的要求。PM-2B型旁壓器帶鎧保護(hù)套公稱外徑94mm，成孔直徑一般大于旁壓器公稱外徑2mm～5mm，不宜過大或過小?？妆谝蟠怪?、光滑。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)減小對孔壁土體的干擾?？刹扇〉拇胧┤缦拢恒@進(jìn)前，仔細(xì)檢查鉆桿，防止鉆孔引起擺動；鉆進(jìn)過程中保持速度均勻不變，采用套管進(jìn)行護(hù)壁；確保旁壓器有足夠的膨脹空間［4］。

3.4操作方便，勘察數(shù)據(jù)精確

在進(jìn)行旁壓器對河床深厚敷衍蓋層的試驗(yàn)時，要注意以下幾點(diǎn)：試驗(yàn)前全面檢查儀器是否完好無損；測試時保證旁壓試驗(yàn)段始終在同一土層；為保證實(shí)驗(yàn)過程中彈性膜不受損，應(yīng)選擇在彈性膜外側(cè)加保護(hù)鎧；實(shí)驗(yàn)過程中要注意嚴(yán)格按照操作流程，如遇水量過大的情況，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

以拉西瓦水電站某鉆孔10.8m深度的旁壓試驗(yàn)為例，根據(jù)記錄儀記錄的位移數(shù)據(jù)對壓力位移進(jìn)行校正，繪制校正后的各級壓力和位移值曲線。在壓力分別為178kPa、344kPa、545kPa、861kPa、1000kPa、1300kPa、1400kPa時，位移數(shù)據(jù)分別為8.0cm、94.cm、10.3cm、11.5cm、11.9cm、12.9cm、13.4cm。之后對壓力進(jìn)行校正，校正后的壓力數(shù)據(jù)分別為262kPa、428kPa、629kPa、945kPa、1084kPa、1384k Pa、1484kPa，此時的位移分別為8.0cm、9.4cm、10.3cm、11.5cm、11.9cm、12.9cm、13.4cm。依據(jù)這些數(shù)據(jù)可以整理出各特征參數(shù)，提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。旁壓試驗(yàn)一個顯著的特點(diǎn)就是操作簡便，不需太多特別的專業(yè)儀器，且試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。旁壓試驗(yàn)對試驗(yàn)鉆孔及鉆孔結(jié)構(gòu)并無特殊要求。將旁壓儀放入孔內(nèi)后即可在孔口處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時，為了確保記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和節(jié)約試驗(yàn)時間，通常采用自動記錄儀記錄數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語

綜上所述，旁壓試驗(yàn)相較于其他試驗(yàn)方法而言，適用優(yōu)勢更為明顯，且操作簡單，可精細(xì)化勘察河床深厚覆蓋層，在實(shí)際工程中有較大應(yīng)用價值。陜西水利

［1］黃文雄，楊紅梅，李持慶等.利用旁壓試驗(yàn)的砂土初始狀態(tài)反演分析［J］.巖土力學(xué)，2012，33（4）:979-985.

［2］石祥鋒，汪稔，張家銘等.旁壓試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（z1）:4442-4445.

［3］孫勇.利用旁壓試驗(yàn)確定抗滑樁地基系數(shù)的研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（3）:699-702.

［4］牛勝軍.旁壓試驗(yàn)在地鐵工程勘察中的應(yīng)用［J］.商品與質(zhì)量，2016，（15）:76-77.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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