何卓名

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

1 概述

近年來，隨著我國(guó)巖土工程的大力發(fā)展，工程勘察的活動(dòng)越來越頻繁，勘察方法越來越多，對(duì)勘察試驗(yàn)方法的精度要求也越來越高。工程設(shè)計(jì)所需要巖土的工程特性參數(shù)大部分是通過室內(nèi)試驗(yàn)得到的，然而，室內(nèi)試驗(yàn)的試樣小且受到一定程度的擾動(dòng)，因此室內(nèi)試驗(yàn)所得參數(shù)的真實(shí)性以及準(zhǔn)確性受到一定程度上的影響[1]。而且，強(qiáng)風(fēng)化巖層具有較發(fā)育的裂隙以及易破碎的特點(diǎn)，勘察取樣工作遇到此類巖層很難保證樣品的完整，導(dǎo)致相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)無法進(jìn)行。原位試驗(yàn)相對(duì)于常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)可以有效減少土層擾動(dòng)，以及取樣過程中的應(yīng)力釋放，在保持土體的原有結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)的條件下獲取土體的物理力學(xué)參數(shù)[2-3]。

本文基于廣東省深圳某工程項(xiàng)目針對(duì)地基巖體風(fēng)化程度高而取樣困難的問題，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位勘察試驗(yàn)。李輝等學(xué)者的研究表明，根據(jù)旁壓試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以確定原狀土體的強(qiáng)度參數(shù)、變形模量和地基土承載力等力學(xué)參數(shù)[4-7]。本文使用加拿大Roctest公司研發(fā)的高精度鉆孔膨脹計(jì)PROBEX來進(jìn)行循環(huán)徑向加壓試驗(yàn)，探討鉆孔循環(huán)加壓試驗(yàn)在勘察強(qiáng)風(fēng)化的地基巖體中的應(yīng)用。另一方面，旁壓試驗(yàn)須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和所用儀器的具體情況來制定試驗(yàn)方案才可使試驗(yàn)順利進(jìn)行從而得到科學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果[8-11]。因此本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，討論了鉆孔膨脹計(jì)PROBEX在使用過程中和數(shù)據(jù)處理時(shí)的步驟及所需要注意的事項(xiàng)。

2 試驗(yàn)依據(jù)與試驗(yàn)計(jì)劃

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

2.2 試驗(yàn)計(jì)劃

2.2.1使用儀器

使用儀器為加拿大Roctest公司研發(fā)的鉆孔膨脹計(jì)PROBEX，該設(shè)備主要由膨脹探頭、交互液壓模塊、傳感器、加壓設(shè)備、數(shù)據(jù)讀出單元以及平板電腦組成，圖1、圖2為鉆孔膨脹計(jì)PROBEX的組成部分。

圖1 加壓與讀數(shù)元件示意

2.2.2試驗(yàn)安排

使用鉆孔膨脹計(jì)PROBEX做原位勘測(cè)試驗(yàn)時(shí)需先用鉆機(jī)鉆探成孔，膨脹計(jì)探頭直徑為73.7 mm，膨脹后探頭直徑最大可達(dá)到83.0 mm，試驗(yàn)孔直徑必須大于探頭直徑而小于膨脹囊最大膨脹直徑，為了膨脹囊能與巖體盡早充分接觸，要求試驗(yàn)孔直徑在75～80 mm之間為宜。

工作井底部的深度為37.0 m。試驗(yàn)平臺(tái)位于工作井底，本文試驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)試驗(yàn)孔，編號(hào)B1、B2，2個(gè)試驗(yàn)孔之間間隔8 m(如圖3所示)。2個(gè)試驗(yàn)孔的外觀及尺寸基本一致，因此下文只展示其中1個(gè)試驗(yàn)孔的外觀圖以供參考(如圖4所示)。

圖3 試驗(yàn)位置示意

圖4 B1孔外觀示意

伍釗源等學(xué)者的工程實(shí)踐表明，單孔旁壓試驗(yàn)中，在保證試驗(yàn)過程中規(guī)范操作的前提下，各試驗(yàn)點(diǎn)深度的間距可以設(shè)計(jì)在2.0～3.0 m之間而不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性[14-17]。本文所使用的儀器膨脹囊長(zhǎng)度為27.0 cm，試驗(yàn)點(diǎn)間距在2.2～2.8 m。

初次勘察時(shí)，B1、B2兩孔鉆探深度分別為43.6 m和43.36 m，鉆孔地質(zhì)柱狀圖顯示巖層交界面的深度在40.0 m左右且深度越大，風(fēng)化程度越小。為了控制不同試驗(yàn)孔的試驗(yàn)點(diǎn)深度的一致性和驗(yàn)證巖體堅(jiān)硬程度隨深度的增加而增大的規(guī)律，本試驗(yàn)在初次勘察的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)孔進(jìn)行加工，使得2個(gè)試驗(yàn)孔的底部試驗(yàn)點(diǎn)在深度43.8m處，位于初勘鉆孔最大深度之下。中部試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置在孔內(nèi)深度41.0 m處，上部試驗(yàn)點(diǎn)在38.8 m處。圖5及圖6從下至上的箭頭分別指示的為B1、B2試驗(yàn)孔底部試驗(yàn)點(diǎn)至上部試驗(yàn)點(diǎn)在地質(zhì)柱狀圖中的位置。B1、B2試驗(yàn)孔在試驗(yàn)深度附近部分的芯樣如圖7～8所示，取外觀尺寸符合要求的芯樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到3個(gè)試驗(yàn)深度附近巖芯的天然單軸抗壓強(qiáng)度以及泊松比，為驗(yàn)證巖體堅(jiān)硬程度和計(jì)算旁壓變形模量及旁壓彈性模量提供數(shù)據(jù)支撐。

會(huì)計(jì)電算化條件下的檔案管理主要是利用計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行會(huì)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)資料的收集、存儲(chǔ)和處理，其中包括會(huì)計(jì)憑證、會(huì)計(jì)賬簿和報(bào)表等，這些會(huì)計(jì)核算相關(guān)檔案信息都是以計(jì)算機(jī)硬件和軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行管理的，這也是電算化會(huì)計(jì)檔案管理與傳統(tǒng)紙質(zhì)檔案管理最大的區(qū)別，同時(shí)對(duì)于電算化會(huì)計(jì)檔案管理而言，復(fù)雜程度相對(duì)較高，所以實(shí)際的檔案管理過程中，需要加強(qiáng)重視力度，提高管理水平，確保電算化會(huì)計(jì)檔案管理工作的有效實(shí)施。

圖5 B1試驗(yàn)孔地質(zhì)柱狀示意

圖6 B2試驗(yàn)孔地質(zhì)柱狀示意

圖7 B1鉆孔巖芯示意

待鉆孔膨脹儀組裝完成，使用鉆機(jī)將其吊裝放進(jìn)預(yù)設(shè)深度，從底部試驗(yàn)點(diǎn)開始試驗(yàn)，每次試驗(yàn)根據(jù)膨脹膜能達(dá)到的最大體積分級(jí)(不少于8級(jí))加載，采集每1級(jí)的體積與壓力原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行4～5次循環(huán)加壓試驗(yàn)。通過修正和計(jì)算原始數(shù)據(jù)后得到試驗(yàn)點(diǎn)的鉆孔旁壓變形模量及旁壓彈性模量后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析。

圖8 B2鉆孔巖芯示意

3 試驗(yàn)原理

3.1 鉆孔膨脹計(jì)PROBEX工作原理

PROBEX工作原理：把探頭放入鉆孔內(nèi)的指定位置，然后開始加壓，通過讀取膨脹量和施加的壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算得到巖體的徑向變形模量，計(jì)算公式為：

E=2(1+μ)(V0+Vm)(ΔP/ΔV)

(1)

式中E為測(cè)試曲線上P1和P2之間的旁壓變形模量或旁壓彈性模量；μ為泊松比；V0為測(cè)量探頭的原始體積，為1 950 cm3；Vm為ΔV中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的校正體積；ΔP為校正后的應(yīng)力增量；ΔV為校正后的體積增量。

測(cè)點(diǎn)所受到的徑向膨脹應(yīng)力P按下式計(jì)算：

P=Pr+Pl-Pc-P水

(2)

式中Pr為壓力表讀數(shù)；Pl為油泵與測(cè)點(diǎn)之間的高度差所產(chǎn)生的油柱壓力；Pc為相應(yīng)容積下膨脹膜剛度修正；P水為測(cè)點(diǎn)處的靜水壓力。

膨脹膜在施加應(yīng)力Pr后的體積V按下式計(jì)算：

V=Vr-Vc

(3)

式中Vr為平板電腦上的體積示值；Vc為膨脹膜體積修正值。

3.2 膨脹膜剛度與體積修正

由于膨脹膜自身有一定的剛度，在自由狀態(tài)下，為了使膨脹膜膨脹到一定的體積，需要給其施加一個(gè)相應(yīng)的壓力Pc，因此鉆孔壁受到探頭的真實(shí)壓力P應(yīng)由壓力表讀數(shù)扣除膨脹膜在該體積下對(duì)應(yīng)的Pc后得到。

剛度Pc的標(biāo)定方法為：組裝完成儀器后加壓，使膨脹膜無阻力下自由膨脹，在不同的體積值下采集膨脹儀的P值，直到體積達(dá)到膨脹儀最大體積。用上述得到的一系列數(shù)據(jù)畫出P～V曲線，即為鉆孔膨脹計(jì)PROBEX的壓力修正曲線。

又因?yàn)榕蛎浤し莿傂圆牧?，在受到膨脹壓力時(shí)，膨脹膜產(chǎn)生壓縮變形，也會(huì)導(dǎo)致體積讀數(shù)增大，所以膨脹膜真實(shí)體積值是平板電腦上體積示值扣除由于膨脹膜自身變形所產(chǎn)生的體積值VC所得到。

體積VC標(biāo)定方法為：將1個(gè)鋼筒套在膨脹膜上，然后給探頭加壓，繪制壓力體積關(guān)系P～V曲線，即為儀器的體積修正曲線(如圖9所示)。

圖9 壓力和體積修正曲線示意

4 徑向加壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

4.1 B1、B2號(hào)孔循環(huán)徑向加壓P～V曲線的繪制與修正

將采集到的B1孔底部試驗(yàn)點(diǎn)的體積與壓力原始數(shù)據(jù)繪制P～V修正前曲線(見圖10)，再結(jié)合圖9修正曲線進(jìn)行擬合修正，得到該試驗(yàn)點(diǎn)的P～V修正后曲線(見圖11)。

圖10 B1號(hào)孔底部試驗(yàn)點(diǎn)修正前P～V曲線示意

圖11 B1號(hào)孔底部試驗(yàn)點(diǎn)修正后P～V曲線示意

通過相同的修正方法處理中部試驗(yàn)點(diǎn)與上部試驗(yàn)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，得到中部試驗(yàn)點(diǎn)修正前后P～V曲線(見圖12～13)，以及上部試驗(yàn)點(diǎn)修正前后P～V曲線(見圖14～15)。

圖12 B1號(hào)孔中部試驗(yàn)點(diǎn)修正前P～V曲線示意

圖13 B1號(hào)孔中部試驗(yàn)點(diǎn)修正后P～V曲線示意

圖14 B1號(hào)孔上部試驗(yàn)點(diǎn)修正前P～V曲線示意

圖15 B1號(hào)孔上部試驗(yàn)點(diǎn)修正后P～V曲線示意

橫向?qū)Ρ壬鲜?個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的修正前及修正后曲線，修正前的曲線在無論壓力數(shù)據(jù)還是體積數(shù)據(jù)都有著一定的誤差，使用修正前的曲線進(jìn)行旁壓變形模量和旁壓彈性模量的計(jì)算會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有著較大的偏差。由此可知，結(jié)合儀器的修正曲線進(jìn)行曲線修正是得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果必須的步驟。

按照上述試驗(yàn)步驟在B2號(hào)孔進(jìn)行加壓試驗(yàn)，擬合修正曲線后，得到B2號(hào)孔底部和中部的P～V修正后曲線如圖16～17所示。

圖16 B2號(hào)孔底部試驗(yàn)點(diǎn)修正后P～V曲線示意

圖17 B2號(hào)孔中部試驗(yàn)點(diǎn)修正后P～V曲線示意

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及旁壓模量的計(jì)算

1)巖體進(jìn)行旁壓試驗(yàn)時(shí)，從加壓開始后會(huì)經(jīng)歷塑性變形階段和彈性變形階段，部分會(huì)達(dá)到彈性變形階段后的破壞階段。塑性變形階段和彈性變形階段分別對(duì)應(yīng)曲線的彎曲部分和直線部分。旁壓變形模量由巖體總體積變量與總應(yīng)力變量推算得出，旁壓彈性模量則由巖體彈性變形階段的體積與應(yīng)力增量計(jì)算得到，二者均是使用公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

2)由4.1節(jié)中各試驗(yàn)點(diǎn)修正后曲線可知，每一次循環(huán)試驗(yàn)的P～V曲線在初始階段會(huì)存在應(yīng)力P為0的水平線段，其原因?yàn)樵囼?yàn)桿膨脹囊未與試驗(yàn)孔壁接觸。在進(jìn)行計(jì)算旁壓變形模量的時(shí)候，應(yīng)選擇膨脹囊與孔壁開始接觸時(shí)的體積讀數(shù)作為計(jì)算的初始體積。

2)各試驗(yàn)點(diǎn)第1次徑向加壓試驗(yàn)得到的體積變化與應(yīng)力變化為試驗(yàn)點(diǎn)的總體積變化與總應(yīng)力變化，因此根據(jù)第一次徑向加壓的數(shù)據(jù)與P～V圖像可得到試驗(yàn)點(diǎn)的旁壓變形模量。

3)選擇每次循環(huán)曲線的直線部分來計(jì)算當(dāng)次循環(huán)的旁壓彈性模量。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，孔壁塑性變形會(huì)逐漸減少，通過多次循環(huán)加壓后的P～V曲線及數(shù)據(jù)計(jì)算得到的旁壓模量會(huì)越來越趨近試驗(yàn)點(diǎn)旁壓彈性模量的真實(shí)值。

4)B1、B2試驗(yàn)孔巖芯的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。依照3.1節(jié)的計(jì)算方法，公式(1)中泊松比μ按表1根據(jù)試驗(yàn)部位取值，結(jié)合各試驗(yàn)點(diǎn)修正后的數(shù)據(jù)，使用第1次加壓的總壓力變化量與總體積變化量來計(jì)算該實(shí)驗(yàn)部位的旁壓變形模量。取其余加壓次數(shù)的修正后曲線的直線部分相鄰3個(gè)點(diǎn)計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)加壓次數(shù)的2個(gè)旁壓彈性模量，結(jié)果見表2。

表1 巖芯室內(nèi)試驗(yàn)成果

表2 旁壓變形模量及旁壓彈性模量結(jié)果 MPa

5)鉆孔時(shí)的操作問題導(dǎo)致B2上部孔徑偏大，以至于膨脹囊膨脹到體積最大時(shí)仍無法與孔壁接觸，所以B2上部旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失。由此可見，為了循環(huán)徑向加壓試驗(yàn)可以順利進(jìn)行，在進(jìn)行預(yù)鉆孔時(shí)，試驗(yàn)孔的直徑須控制一定范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

1)根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)第1次徑向加壓的數(shù)據(jù)與P～V圖像進(jìn)行計(jì)算后可以得到試驗(yàn)點(diǎn)的旁壓變形模量。

2)循環(huán)曲線的直線部分的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出當(dāng)次循環(huán)的旁壓彈性模量，而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，計(jì)算得到的旁壓彈性模量會(huì)越來越趨近試驗(yàn)點(diǎn)旁壓彈性模量的真實(shí)值。表1的數(shù)據(jù)表明，循環(huán)次數(shù)達(dá)到3次以上，旁壓彈性模量的變化就相對(duì)較小，可以選取3次以上循環(huán)試驗(yàn)的旁壓彈性模量作為試驗(yàn)點(diǎn)的旁壓彈性模量。

3)巖體的旁壓變形模量與旁壓彈性模量可反映巖體的堅(jiān)硬程度和承載力性能，旁壓變形模量與彈性模量越大，巖體堅(jiān)硬程度和承載力越高。表1及2的數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)點(diǎn)的旁壓變形模量、旁壓彈性模量以及巖芯的單軸抗壓強(qiáng)度隨著孔深的增加而逐漸增大，即隨著深度的增加，地基巖體的強(qiáng)度和堅(jiān)硬程度在逐漸變大。這一結(jié)論與地質(zhì)柱狀圖及巖芯圖反應(yīng)附近巖層風(fēng)化程度的規(guī)律相符。

4)由本文上述試驗(yàn)得到的結(jié)果可知，鉆孔膨脹計(jì)PROBEX不僅可以用于隱蔽工程的強(qiáng)度檢測(cè)，并且還可以用于地基巖體原位勘測(cè)試驗(yàn)，通過徑向加壓試驗(yàn)以及一些列數(shù)據(jù)處理與計(jì)算能得到設(shè)計(jì)所用的重要參數(shù)。

5)采用預(yù)鉆的方式進(jìn)行徑向加壓試驗(yàn)時(shí)，要注意控制預(yù)制孔的直徑大小。把鉆孔直徑控制在探頭膨脹囊無加壓情況下的直徑和膨脹最大體積下的直徑之間，在循環(huán)加壓試驗(yàn)過程中方可順利采集到巖體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。