一種用于預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)（PMT）的變徑鉆頭研究

李 超，劉 予，何 靜，肖景澤，梁嗣曦

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)適用于確定黏性土、粉土、砂土等的地基承載力與變形參數(shù)。顧名思義，預(yù)鉆式就是在旁壓試驗(yàn)之前先鉆一個(gè)孔徑與旁壓器相匹配的鉆孔，孔周巖土體應(yīng)保持天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)，試驗(yàn)段孔壁應(yīng)豎直、平順、呈圓筒形，然后下放旁壓器進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，成孔深度應(yīng)大于試驗(yàn)深度0.5m，采用鉆機(jī)成孔時(shí)應(yīng)在試驗(yàn)段以上不小于1m處開始按旁壓試驗(yàn)要求成孔。在地表以下可直接鉆一個(gè)與旁壓器適應(yīng)的孔進(jìn)行試驗(yàn)，但往深以后如果仍然采用全孔直徑和旁壓器鉆孔，那么旁壓器不能順利下到試驗(yàn)段，所以需要在試驗(yàn)段以上1m鉆孔直徑必須比試驗(yàn)段大，在旁壓試驗(yàn)測(cè)試段重新?lián)Q小鉆頭鉆進(jìn)，才能順利進(jìn)行試驗(yàn)，這也大大降低了旁壓試驗(yàn)的效率。

為了解決重復(fù)鉆孔問(wèn)題，筆者在北京通州地區(qū)100m深孔進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，采用法國(guó)梅納旁壓儀，試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)一種變徑鉆頭，能夠一次完成預(yù)鉆引導(dǎo)孔和測(cè)試孔，較兩次鉆孔，效率提高一倍，在實(shí)際操作中取得了很好的效果。

1 旁壓試驗(yàn)簡(jiǎn)介

此次試驗(yàn)使用法國(guó)APAGEO公司制造的MENADRD（GA）預(yù)鉆式旁壓儀，其結(jié)構(gòu)由讀數(shù)箱、管路和旁壓器三部分組成。具體設(shè)備規(guī)格：旁壓器為NX型，測(cè)量腔外徑為70mm，底部鋼環(huán)直徑為75mm，固有腔體積Vc為786cm3，測(cè)量腔長(zhǎng)度為210mm，最大工作壓力可達(dá)10MPa，最大測(cè)試深度可達(dá)100m以上。

旁壓試驗(yàn)可理想化為圓柱孔穴擴(kuò)張模型，并簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱平面應(yīng)變問(wèn)題。典型的旁壓曲線（壓力-體積變化量曲線）可分為3個(gè)階段：（1）Ⅰ（初始）階段，為彈性膜自由膨脹階段；（2）Ⅱ（似彈性）階段，壓力與體積變化量大致呈直線關(guān)系；（3）Ⅲ（塑性）階段，隨著壓力的增加，體積變化量也迅速增加（見(jiàn)圖1）。

開始旁壓試驗(yàn)之前要對(duì)旁壓儀校準(zhǔn)，包括旁壓膜約束力的校正（見(jiàn)圖2）和儀器綜合變形的校正（見(jiàn)圖3）。

2 旁壓試驗(yàn)操作步驟

旁壓試驗(yàn)要取得真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，獲取典型的旁壓曲線，需要嚴(yán)格按照以下操作步驟進(jìn)行：（1）安裝監(jiān)測(cè)箱；（2）連接氣瓶減壓閥，連接進(jìn)氣管，打開氣瓶和減壓閥開關(guān)；（3）水路排氣；（4）壓差調(diào)節(jié)；（5）測(cè)試。

圖1 旁壓曲線3個(gè)階段圖示

3 旁壓試驗(yàn)變徑鉆頭設(shè)計(jì)

上述旁壓試驗(yàn)操作步驟中（1）～（4）均為試驗(yàn)之前的準(zhǔn)備工作，在鉆孔的同時(shí)即可完成。步驟（5）為旁壓試驗(yàn)在試驗(yàn)段測(cè)試，在分12級(jí)的情況下，一級(jí)持續(xù)1min，加壓過(guò)程一共12min，然后放氣5min，等待3min，一共20min做完一個(gè)點(diǎn)的測(cè)試。筆者曾經(jīng)在通州地區(qū)進(jìn)行大量的旁壓試驗(yàn)，常規(guī)操作是預(yù)鉆一個(gè)較大孔徑的鉆孔至測(cè)試段以上1m，然后換75mm鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)段2m，再將探頭放入測(cè)試段測(cè)試。第二次鉆孔需要提鉆，并拆卸鉆桿。提鉆完畢然后重新更換鉆頭，再一節(jié)一節(jié)鉆桿下放至孔底開始鉆進(jìn)，然后再提鉆、再拆卸鉆桿，最后才能下放旁壓器測(cè)試。隨著深度的增加，換鉆頭鉆進(jìn)這一過(guò)程的時(shí)間也增加，兩次鉆孔的方法顯然延長(zhǎng)了試驗(yàn)周期。筆者記錄了80m以下這一段時(shí)間大約需要持續(xù)2h，然而整個(gè)測(cè)試時(shí)間才20min，并且這一過(guò)程可以視為“無(wú)用功”。為了提高旁壓試驗(yàn)的效率，筆者針對(duì)梅納旁壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種變徑鉆頭，能夠一次完成預(yù)鉆引導(dǎo)孔和測(cè)試孔，因此可以節(jié)省鉆探工時(shí)和避免反復(fù)提鉆對(duì)孔壁的擾動(dòng)，直接進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，大大提高了旁壓試驗(yàn)的效率。

圖2 旁壓膜約束力的校正

圖3 儀器綜合變形的校正

將外徑為75mm的硬質(zhì)合金鉆頭安裝在長(zhǎng)度3m、外徑73mm的巖芯管底部，在巖芯管頂部套一根長(zhǎng)度1m、外徑89mm的巖芯管，在巖芯管底部安裝外徑為75mm的硬質(zhì)合金鉆頭，然后將兩個(gè)巖芯管頂部焊接在一起，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖4）。在旁壓試驗(yàn)段用這種變徑鉆頭鉆進(jìn)，理想情況下，鉆孔底部以上2m為試驗(yàn)段，鉆孔直徑為75mm，試驗(yàn)段以上鉆孔直徑為91mm。根據(jù)實(shí)際鉆孔經(jīng)驗(yàn)，孔壁均有不同程度的擾動(dòng)，而且鉆孔直徑比鉆頭直徑大。砂土試驗(yàn)段孔徑一般比較大，能達(dá)到78～80mm，砂土自穩(wěn)性差，控制不好容易塌孔，孔徑更大，無(wú)法進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，需采用密度較大的泥漿護(hù)壁；黏性土試驗(yàn)段孔徑一般比鉆頭直徑大1～2mm，土質(zhì)較軟還會(huì)發(fā)生不同程度的縮徑。所以，要鉆出適合旁壓試驗(yàn)的鉆孔孔徑，不僅鉆頭直徑要合適，還要配合適當(dāng)?shù)你@探工藝。

圖4 變徑鉆頭剖面圖

4 旁壓試驗(yàn)變徑鉆頭應(yīng)用

以目標(biāo)試驗(yàn)段地下90m為例，采用DPP100型汽車鉆鉆孔，安裝好變徑鉆頭，用泥漿護(hù)壁，避免塌孔、縮徑，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。采用正循環(huán)鉆進(jìn)，鉆至深度89m時(shí)（常規(guī)操作此處要提鉆，重新?lián)Q鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)），停泥漿泵，加壓低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)至91m，然后原地回轉(zhuǎn)，再緩慢提鉆，過(guò)了試驗(yàn)段可快速提鉆，到孔口以后將土取出，然后直接查看巖土的類別、塑性狀態(tài)、密實(shí)程度等。試驗(yàn)段鉆孔的直徑一般為76～80mm，比旁壓器直徑大1～5mm，一般黏性土孔徑較小，砂土孔徑較大，滿足試驗(yàn)段孔徑的要求。提完鉆需要迅速下放旁壓儀至試驗(yàn)段進(jìn)行旁壓測(cè)試，以免塌孔或縮徑。此次旁壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)間距2m、最深100m，工作量大，設(shè)計(jì)并應(yīng)用這種變徑鉆頭，一次完成預(yù)鉆引導(dǎo)孔和測(cè)試孔，效率有很大程度的提高，在實(shí)際操作中取得了很好的效果，且這種鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)作為一種先進(jìn)的原位測(cè)試技術(shù)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系清晰，可以確定地基承載力及變形等參數(shù)。但旁壓試驗(yàn)過(guò)程還是相對(duì)復(fù)雜，而且成孔以后，需要在旁壓試驗(yàn)測(cè)試段重新?lián)Q小鉆頭鉆進(jìn)，這也大大降低了旁壓試驗(yàn)的效率，以致旁壓試驗(yàn)?zāi)壳霸趪?guó)內(nèi)使用得并不廣泛。為解決這些問(wèn)題，筆者針對(duì)法國(guó)梅納旁壓儀設(shè)計(jì)了一種變徑鉆頭，在實(shí)際操作中取得了很好的效果，相信旁壓試驗(yàn)在以后會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。