旁壓試驗在晉中至太原城際鐵路勘察工程中的應(yīng)用

劉如太

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊，山西 太原 030031）

旁壓試驗是巖土工程勘察中的一種原位測試方法，具有測試深度大，不受地下水影響的特點，適用于粘性土、粉土、砂土、碎石土或軟巖等。與室內(nèi)試驗相比，具有快捷、測試指標(biāo)可靠和能夠反映地基土原始應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)點。旁壓試驗經(jīng)過多年的完善和推廣，已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路和工民建等重要工程的巖土工程分析評價中，為地基基礎(chǔ)方案的設(shè)計提供了可靠的參數(shù)。

本文介紹了在晉中至太原城際鐵路勘察中的旁壓試驗和試驗結(jié)果的處理方法。地基土為沖洪積成因的粉土、粉質(zhì)粘土和砂土，通過試驗獲得了各測試點的旁壓試驗數(shù)據(jù)，通過試驗成果分析得到了地基的力學(xué)和變形參數(shù)，并與室內(nèi)土工試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗得到的強度指標(biāo)進行了對比，為工程的巖土工程分析及地基基礎(chǔ)設(shè)計提供了土性參數(shù)， 可以為類似地基的原位試驗提供參考。

1 旁壓試驗的原理

旁壓儀由旁壓器、加壓穩(wěn)壓裝置和量測裝置等部件組成，并配試驗成孔設(shè)備。其原理是利用加壓穩(wěn)壓裝置所加的氣壓傳導(dǎo)測管水面，產(chǎn)生氣壓和水壓傳到旁壓器三個腔，使彈性膜受壓膨脹，旁壓器在預(yù)先打好的鉆孔中對孔壁施加橫向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，其壓力值由壓力表讀出，變形量由測管水位下降值測得，根據(jù)所測結(jié)果繪制出壓力和變形量的關(guān)系曲線(即旁壓曲線)，據(jù)此確定土體的強度參數(shù)、變形參數(shù)和地基承載力等[1]。

2 試驗過程

該旁壓試驗場地位于晉中市迎賓東街，測試段線路總長度約5km。本次旁壓試驗儀器為溧陽市戴埠儀器廠生產(chǎn)的PY-4型預(yù)鉆式三腔式旁壓儀，旁壓器總長度為500mm，測試段長度為250mm，旁壓器外徑為57mm，中腔原始體積為491cm3。

本次試驗進行了6個孔的測試，測試深度約30m。試驗壓力增量采用多級逐次加載的方法，各級壓力下的觀測時間，按30s、60s順序記錄測管水位下降值。當(dāng)測管水位下降剛超過36cm(絕對不能超過40cm)時，立即中止試驗，此時土體已產(chǎn)生破壞。

試驗前對儀器進行了兩種標(biāo)定[2]：彈性膜的約束力標(biāo)定和儀器綜合變形標(biāo)定。彈性膜的約束力標(biāo)定是用來扣除由于彈性膜自身體積膨脹的壓力損耗和在一定壓力下儀器水位下降值損耗。方法是將旁壓器豎立于測試現(xiàn)場的地面上，打開旁壓器三個腔的閥門使其充水，當(dāng)水充滿旁壓器并回返至規(guī)定刻度時，將旁壓器中腔的中點位置放在與量管水位相同的高度，記下初讀數(shù)。隨后逐級加壓，每級壓力增量為10kPa，使彈性膜自由膨脹，量測每級壓力下的測管水位下降值，直至測管水位下降值S達36cm時停止加壓。根據(jù)記錄繪制壓力P與測管水位下降值S的關(guān)系曲線，即為彈性膜約束力標(biāo)定曲線。儀器綜合變形標(biāo)定是在接長或縮短導(dǎo)壓管和注水管時在測試現(xiàn)場進行的，目的在于確定測管中的液體在到達旁壓器的主腔之前的液面損失值。方法是將旁壓器放在標(biāo)定筒內(nèi)，然后將旁壓儀逐級加壓，壓力增量為100kPa，一般加到800kPa以上終止試驗。根據(jù)記錄的壓力P和測管水位下降值S繪制P-S曲線，曲線上直線段的斜率ΔS/ΔP，即為儀器綜合變形系數(shù)a。

3 資料整理及試驗成果分析

3.1 壓力和測管水位下降值的校正

壓力的校正，按公式P=Pm＋Pw－Pi計算[3]。式中：P為校正后的壓力(kPa)；Pm為壓力表讀數(shù)(kPa)；Pi為彈性膜約束力(kPa)，由各級總壓力(Pm＋Pw)所對應(yīng)的測管水位下降值查彈性膜約束力校正曲線取得。

測管水位下降值的校正，按公式S=Sm－a(Pm＋Pw)計算。

式中：S為校正后的測管水位下降值(cm)；Sm為測管讀數(shù)(cm)；a為儀器綜合變形系數(shù)。

3.2 繪制旁壓試驗曲線

以校正后測管水位下降值S為縱坐標(biāo)，校正后壓力P為橫坐標(biāo)繪制曲線，繪制出的P－S曲線即為旁壓曲線。典型的旁壓曲線可劃分為3個區(qū)：恢復(fù)區(qū)、似彈性區(qū)和塑性發(fā)展區(qū)，根據(jù)該曲線特征可以確定土體的特征值[4]：初始壓力P0、臨塑壓力Pf和極限壓力Pl，進而確定地基土的強度變形參數(shù)。

3.3 旁壓強度參數(shù)特征值的確定

將旁壓曲線直線段延長相交于縱軸，由交點作平行于橫軸的直線相交于曲線，其交點所對應(yīng)的壓力為初始壓力P0，旁壓曲線直線段的終點所對應(yīng)的壓力為臨塑壓力Pf

[5]，將曲線用曲線板加以延伸，延伸的曲線應(yīng)與實測曲線光滑自然地連，取S=2S0+Sc所對應(yīng)的壓力為極限壓力Pl或把臨塑壓力Pf以后曲線部分各點的S取倒數(shù)1/S，作P－1/S曲線(近似直線)，在直線上取1/(2S0+Sc)所對應(yīng)的壓力為極限壓力Pl。P0之前的曲線形態(tài)反映了成孔質(zhì)量的好壞，其變形量越大，成孔質(zhì)量越差；P0-Pf直線段，巖土體以壓縮變形為主，反映了巖土體的彈性變形特點；Pf以后以剪切變形為主，隨壓力增大至Pl，變形劇增，表明孔壁周圍土體開始破壞。

3.4 地基強度參數(shù)的確定

(1) 旁壓剪切模量Gm。

式中：P0為靜止土壓力(kPa)；Pf為臨塑壓力(kPa)；Sc為旁壓器中腔原始體積Vc所對應(yīng)的測管水位下降值(為33.8cm)；S0為初始壓力P0對應(yīng)的測管水位下降值(cm)；Sf為臨塑壓力Pf對應(yīng)的測管水位下降值(cm)。

(2) 旁壓模量Em、變形模量E0和壓縮模量Es。

旁壓模量Em=2(1+μ)Gm，其中μ為泊松比[6]，砂土取0.3，粉土取0.35，可塑—堅硬狀態(tài)的粘性土取0.38。

變形模量E0=Em/a，其中a為土的結(jié)構(gòu)系數(shù)，與土的類型和固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，計算時對粉土、粘性土取2/3，砂土取0.5。

壓縮模量Es=(1.5～2)Em

(3) 地基土承載力特征值fak。fak=Pf－P0

3.5 試驗成果和對比分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到鉆孔的P－S曲線，各測點的曲線基本完整，包括初始階段、似彈性階段、塑性變形階段，曲線有明顯的拐點，說明試驗數(shù)據(jù)較可靠。表1列出了具有代表性鉆孔和測點的特征值參數(shù)和強度參數(shù)，表2列出了由旁壓試驗得出地基土的壓縮模量和地基土承載力特征值統(tǒng)計結(jié)果與室內(nèi)土工試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果對比。表2中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗確定粉土和砂土的壓縮模量采用經(jīng)驗關(guān)系式Es=(1～1.2)得出[2]，地基土的承載力特征值采用規(guī)范DBJ04-258-2008中附錄J查表得出[3]。根據(jù)室內(nèi)土工試驗成果直接得出粉土和粉質(zhì)粘土的壓縮模量，根據(jù)孔隙比和含水量查表得出粉土的承載力特征值，根據(jù)孔隙比和液性指數(shù)查表得出粉質(zhì)粘土的承載力特征值。三種方法得出的壓縮模量和天然地基承載力特征值對比可知：由室內(nèi)土工試驗得出的結(jié)果偏低，由旁壓試驗和標(biāo)貫試驗得出的結(jié)果比較接近，也更接近實際情況。

4 試驗影響因素分析[7]

4.1 成孔質(zhì)量

成孔質(zhì)量是影響旁壓試驗測試精度的關(guān)鍵因素。鉆孔要直、孔壁要光滑，防止孔壁坍塌。在穿越易發(fā)生縮孔的軟弱土層和易發(fā)生塌孔的砂性土層時應(yīng)采用泥漿護壁，泥漿配比一般為1∶0.2～0.4，泥漿泵壓力要控制好，壓力過大會對孔壁造成沖刷，鉆到試驗土層時，要保持緩慢而穩(wěn)定的鉆進，盡量減少對孔壁土體的擾動，鉆孔直徑要比旁壓器外徑大2～8mm。

表1 旁壓試驗計算成果

表2 旁壓試驗參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果與室內(nèi)土工試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果對比

4.2 旁壓膜約束力

旁壓試驗時，克服旁壓膜的約束力要消耗一定的壓力，致使施加于土體的實際壓力小于壓力表壓力和靜水壓力之和。故旁壓儀首次使用、使用次數(shù)大于20次、環(huán)境溫度有較大變化和放置較長時間使橡膠制成的彈性膜老化等情況時，旁壓膜應(yīng)進行校正或更換新彈性膜，減小壓力誤差對試驗結(jié)果的影響。

4.3 試驗時間

對于同一個孔，應(yīng)每鉆進一段進行一次試驗，由上而下逐次進行。試驗段成孔后應(yīng)盡快進行，防止縮徑和塌孔影響試驗成果的準(zhǔn)確性。因此，鉆頭提出后要盡快放下旁壓器，并盡量縮短旁壓試驗的時間。在P-S曲線中發(fā)現(xiàn)有壓力較大而測管水位下降很小時，說明鉆孔縮徑或砂土顆粒淤積的原因，旁壓器已被土顆粒抱緊，此時應(yīng)及時停止加壓試驗。

4.4 試驗點選擇和加荷等級

旁壓試驗點應(yīng)布置在有代表性的位置和深度進行。為了避免相鄰試驗點的應(yīng)力影響范圍互相重疊，兩試驗點間的豎向間距應(yīng)不小于1.0m或不小于旁壓器膨脹段長度的1.5倍。旁壓器的量測腔應(yīng)在同一土層內(nèi)，當(dāng)上下兩層土的軟弱相差很大時，會造成試驗中彈性膜的破裂。應(yīng)根據(jù)已有鉆孔的地層資料，選擇代表性的土層進行旁壓試驗，在土質(zhì)不均和夾層較薄時，不宜進行旁壓試驗。

加載等級的大小影響測試點的多少和試驗成果的精度。在試驗中，在不同土類的地基中選擇合適的加載等級是十分重要的，一般宜取預(yù)估臨塑壓力的1/5～1/7，在加荷初始階段加載等級可相對密一些，土體發(fā)生破壞后加載等級可相對較稀，這樣可以提高試驗效率和試驗精度。

5 結(jié)論

旁壓試驗具有快捷、測試指標(biāo)可靠和能夠反映地基土原始應(yīng)力狀態(tài)的特點，能夠較為客觀地反應(yīng)地基土的強度和變形指標(biāo)，其成果可用于評價地基土的承載力、壓縮模量和變形模量等。同時旁壓試驗成果受成孔質(zhì)量、旁壓膜約束力、試驗時間、試驗點選擇和加荷等級等因素的影響也比較大，在試驗過程中應(yīng)嚴(yán)格按照試驗規(guī)程，確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

【參考文獻】

[1]楊期祥，巫錫勇，廖昕，等.貴州軟土地基中旁壓試驗的應(yīng)用及成果分析[J].公路，2016(2)：34-40.

[2]代衛(wèi)強.旁壓試驗在蘇通大橋詳勘工程中的應(yīng)用[J].水運工程，2006，9(9)：100-101.

[3]汪稔，胡建華.旁壓試驗在蘇通大橋地質(zhì)勘察工程中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2003，24(6)：888.

[4]余剛.旁壓試驗在深圳地鐵巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].四川建材，2010，36(1)：253.

[5]朱碧輝.第七章 旁壓試驗[M/OL][2017-04-26]http://wenku.baidu.com/view/2ebaba212f60ddccda38a0eb.html.

[6]孫敬，詹松，鐘嘉高.旁壓試驗在地鐵工程勘察中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程，2016，20(5)：527-528.

[7]趙明強，馬軍鵬，羊小云.預(yù)鉆式旁壓試驗在某板樁碼頭工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].港口技術(shù)，2012，49(2)72-73.