旁壓試驗(yàn)在軌道交通卵石層勘察中的應(yīng)用

李建宏，魏 峰

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

旁壓試驗(yàn)（PMT）是近幾十年來在國(guó)內(nèi)外巖土工程中得到迅速發(fā)展并成為成熟的一種原位測(cè)試手段和方法。由于其試驗(yàn)方法具有簡(jiǎn)單、靈活、方便、準(zhǔn)確等特性，其試驗(yàn)成果在國(guó)外工程設(shè)計(jì)中已被廣泛應(yīng)用。我國(guó)自八十年代以來，旁壓試驗(yàn)也得到了較為廣泛的應(yīng)用，至今已積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，也逐漸成為巖土工程勘察中的主要方法之一。

旁壓試驗(yàn)分為預(yù)鉆式、自鉆式和壓入式三種旁壓儀，國(guó)內(nèi)目前以預(yù)鉆式為主，其原理是通過旁壓腔對(duì)孔壁施加橫向均勻壓力，使孔壁土體發(fā)生徑向變形直至破壞，利用量測(cè)儀器量測(cè)壓力與徑向變形關(guān)系，推求地基土力學(xué)參數(shù)。預(yù)鉆式旁壓儀適用于孔壁能保持穩(wěn)定的粘性土、粉土、砂土、碎石土、風(fēng)化巖和軟巖。

旁壓試驗(yàn)的成果應(yīng)用：

（1）旁壓試驗(yàn)可用于確定土的臨塑壓力Pf和極限壓力PL，以評(píng)定地基土的承載力fk。

（2）確定土的旁壓剪切模量GM和旁壓模量Em，用以估算土的壓縮模量ES。

（3）確定靜止土壓力P0和靜止土壓力系數(shù)K0。

（4）估算軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度以及估算地基土強(qiáng)度、單樁承載力和基礎(chǔ)沉降量等。

近年來，國(guó)內(nèi)研究表明：采用旁壓試驗(yàn)成果確定地基土承載力、估算單樁極限承載力與基礎(chǔ)沉降量，其計(jì)算精度和安全度與現(xiàn)有其他方法相當(dāng)或更接近與工程實(shí)測(cè)值[1，2]。

1 目前卵石層勘察現(xiàn)狀

在工程勘察中，由于卵石層難以采取原狀樣進(jìn)行試驗(yàn)，目前在工程勘察中獲取較為準(zhǔn)確參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試方法較少，手段較為單一，一般采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)以及動(dòng)力觸探試驗(yàn)的方法來判定、估算卵石層的有關(guān)力學(xué)參數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確的了解淺層卵石層的有關(guān)力學(xué)參數(shù)，但其費(fèi)用較高，工期較長(zhǎng)，施工難度較大，在現(xiàn)場(chǎng)工程勘察過程中考慮勘察費(fèi)用及工期的要求，目前在蘭州地區(qū)開展的較少。

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)（DPT）是目前卵石勘察中使用較為普遍也較為成熟的一種現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試手段，根據(jù)圓錐動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)，可以估算承載力以及變形模量等指標(biāo)。但根據(jù)我們多年已有經(jīng)驗(yàn)，蘭州市七里河盆地卵石層動(dòng)探（N63.5）一般貫入較為困難，大多數(shù)情況下打不動(dòng)，采用N120效果也不是很好。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，蘭州市七里河盆地地區(qū)卵石層厚度一般達(dá)2～300 m，卵石層是該地區(qū)各種建筑物的主要基礎(chǔ)持力層，如何在勘察中現(xiàn)場(chǎng)獲得較為準(zhǔn)確的卵石層的力學(xué)參數(shù)為設(shè)計(jì)服務(wù)，而不是靠查表借鑒經(jīng)驗(yàn)值甚至勘察人員拍腦袋的辦法提出參數(shù)建議值，是七里河卵石層工程勘察中需要解決的主要問題。

本文主要根據(jù)蘭州市城市軌道交通一號(hào)線馬灘車站—七里河車站段巖土工程勘察實(shí)際，介紹旁壓試驗(yàn)在蘭州市七里河盆地內(nèi)卵石層工程勘察中的具體應(yīng)用，為以后卵石層中工程勘察積累經(jīng)驗(yàn)。

2 旁壓試驗(yàn)在蘭州市七里河盆地卵石層勘察中的應(yīng)用

2.1 儀器設(shè)備

本次勘察中旁壓試驗(yàn)采用江蘇省溧陽(yáng)市天目?jī)x器廠生產(chǎn)的PM-1B型預(yù)鉆式旁壓儀，最大試驗(yàn)壓力3.0 MPa，采用自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄儀，見表1。

表1 PM-1B型預(yù)鉆式旁壓儀主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 旁壓試驗(yàn)曲線的繪制

試驗(yàn)得到的土體壓力與變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系,用曲線有幾種表示方法。即壓力孔壁土被壓縮的體積變化量，P-V曲線；壓力孔徑徑向變化值，P-r曲線；壓力表示孔壁土體積壓縮的測(cè)管水位下降值，P-S曲線。這些曲線所表示的含義是一樣的，它們之間有固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。本次勘察時(shí)采用P-V曲線與P-S曲線進(jìn)行表示，見圖1、圖2。

圖1 卵石層P-S曲線

圖2 卵石層P-V曲線

2.3 特征值的確定和計(jì)算（以圖2曲線為例）

利用旁壓試驗(yàn)確定地基土參數(shù),首先要從旁壓試驗(yàn)的P-V曲線求取特征值。這里:P0地層原始水平壓力；Pf臨塑荷載；PL極限荷載。

（1）V0為P-V曲線的直線段延長(zhǎng)與V軸相交,其交點(diǎn)定義為V0；

（2）P0為從V0引水平線與P-V相交,交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力為P0；

（3）Pf相應(yīng)于P-V曲線的直線段末端的臨塑荷載；

（4）Vf為相應(yīng)于P-V曲線的直線段末端的體積；

（5）PL為極限荷載,孔穴原來的體積增加一倍所對(duì)應(yīng)的壓力；

（6）VL為 PL對(duì)應(yīng)的體積，VL=2V0+Vc，Vc—旁壓器固有體積；

（7）ΔP旁壓試驗(yàn)直線段壓力增量，ΔP=Pf-P0；

（8）ΔV為旁壓曲線直線段體積增量，ΔV=Vf-V0。

利用試驗(yàn)曲線確定的基本數(shù)據(jù)見表2。

表2 利用試驗(yàn)曲線確定的基本數(shù)據(jù)

2.4 旁壓試驗(yàn)成果計(jì)算

（1）確定旁壓剪切模量Gm

圖2計(jì)算得Gm=50.2 MPa。

（2）確定旁壓模量Em

圖2計(jì)算得Em=121.5 MPa。

式中:μ為土的泊松比，按工程地質(zhì)手冊(cè)查表:碎石土0.15～0.25，本次勘察中卵石土一般取0.2；ΔP/ΔV為旁壓曲線直線段的斜率。

（3）確定地基土承載力

根據(jù)旁壓試驗(yàn)特征值計(jì)算地基土承載力：

a.臨塑荷載法:

b.極限壓力法:

式中:fak為地基土承載力特征值（kPa）；Fs為承載力安全系數(shù)，應(yīng)綜合考慮工程地質(zhì)條件和建筑物特點(diǎn)，一般情況下可取2。本次勘察中承載力取值原則是取兩種方法中的小值。

在現(xiàn)場(chǎng)勘察中我們?cè)诼咽瘜又胁煌疃葍?nèi)共累計(jì)完成現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)61組，其承載力隨深度變化散點(diǎn)見圖3。

圖3 承載力隨深度變化散點(diǎn)圖

分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖可知：

七里河盆地卵石層承載力隨深度增加而增大，一般從400 kPa變化到800 kPa。

從散點(diǎn)圖上可以看出，約卵石層頂板以下2 m以內(nèi)一般承載力較低，一般最小為280 kPa，最大為868 kPa，平均值為611 kPa，變異系數(shù)為0.35，數(shù)據(jù)離散性很大；2～10 m內(nèi)承載力逐漸增大，一般最小為523 kPa，最大為983 kPa，平均值為779 kPa，變異系數(shù)為0.16，數(shù)據(jù)離散性較大；10m以下承載力一般最小為858 kPa，最大為993 kPa，平均值為934 kPa，變異系數(shù)為0.06，數(shù)據(jù)離散性較小。（10 m以下數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)較少，有待進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)）

（4）確定地基土水平基床系數(shù):

式中:Δr=r1-r0；r1為臨塑壓力時(shí)鉆孔空腔的半徑；r0為初始?jí)毫r(shí)鉆孔空腔的半徑；a為孔隙壓力系數(shù)，卵石土取0。

在現(xiàn)場(chǎng)勘察中我們?cè)诼咽瘜又胁煌疃葍?nèi)共累計(jì)完成現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)61組，其水平基床系數(shù)隨深度變化散點(diǎn)見圖4。

由試驗(yàn)資料及圖4可知：

圖4 水平基床系數(shù)隨深度變化散點(diǎn)圖

七里河盆地卵石層水平基床系數(shù)一般隨深度增加而略有增大，但從圖上可以看出，增大趨勢(shì)不是太明顯，有待于進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。

根據(jù)本次由旁壓試驗(yàn)得出的61組水平基床系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最小值為229MPa/m，最大值為1353 MPa/m，平均值為715 MPa/m，變異系數(shù)為0.49，數(shù)據(jù)整體上偏大，經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)基床系數(shù)（K30）試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)乘以0.2～0.3的修正系數(shù)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)將更接近于基床系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 水平基床系數(shù)修正比對(duì)圖

3 應(yīng)用的效果及需要注意的問題

我們?cè)谔m州市城市軌道交通一號(hào)線馬灘-七里河段巖土工程勘察中，在卵石層中采用了現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)，獲得了一些力學(xué)參數(shù)，通過室內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理，由旁壓試驗(yàn)得出的承載力等指標(biāo)和其他試驗(yàn)得出的指標(biāo)基本是一致的，我們認(rèn)為旁壓試驗(yàn)在卵石層勘察中應(yīng)用是可行的，可以在很大程度上縮短勘察工期，節(jié)約成本。但仍存在一些問題：

（1）目前僅在卵石層中做了較少的試驗(yàn)，僅對(duì)現(xiàn)有的61組數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，需要在將來的工作中繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，成熟的東西有待進(jìn)一步的積累、完善。

（2）需要注意的是旁壓試驗(yàn)對(duì)成孔質(zhì)量要求較高，成孔較差的鉆孔其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散型較大，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，因此現(xiàn)場(chǎng)勘察鉆探成孔時(shí)要嚴(yán)格控制成孔質(zhì)量，鉆孔成孔孔徑要與旁壓器探頭相配套，同時(shí)采取有效地護(hù)壁措施。