超百米深厚細(xì)砂覆蓋層注漿效果旁壓試驗(yàn)研究

摘要：為保證超百米深厚細(xì)砂覆蓋層的注漿加固效果，保障工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行，在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有旁壓試驗(yàn)規(guī)范剖析的基礎(chǔ)上，提出超百米旁壓試驗(yàn)的測(cè)試方法和參數(shù)取值存在的問(wèn)題和不足，后以某超百米深厚細(xì)砂覆蓋層中的旁壓試驗(yàn)為應(yīng)用實(shí)例，對(duì)其注漿加固效果做了深入比較分析。結(jié)果表明：① 因原始水平地應(yīng)力復(fù)雜且試驗(yàn)成孔不能保證，超百米深厚細(xì)砂覆蓋層旁壓試驗(yàn)特征參數(shù)初始?jí)毫0的取值不能簡(jiǎn)單以作圖法或計(jì)算法獲取，需進(jìn)一步深入研究；② 可以利用旁壓特征參數(shù)旁壓模量（EM）、臨塑壓力（Pf）作為超百米深厚細(xì)砂覆蓋層注漿效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)；③ 經(jīng)袖閥管注漿加固超百米擾動(dòng)細(xì)砂層后，承載特性指標(biāo)Pf提高約4.7倍，變形特性指標(biāo)EM提高約7.3倍。

關(guān)鍵詞：旁壓試驗(yàn)； 深厚覆蓋層； 注漿加固； 效果評(píng)價(jià)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU413

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.014

文章編號(hào)：1006-0081（2024）09-0079-06

0 引 言

20世紀(jì)30年代，Kgler發(fā)明了第一臺(tái)旁壓儀，至今旁壓試驗(yàn)（PMT）已成為了最重要的原位測(cè)試方法之一，國(guó)外巖土工程師將PMT視為首選的巖土勘察手段，大量應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)PMT經(jīng)過(guò)近60 a的發(fā)展，也獲得了成熟的工程經(jīng)驗(yàn)。作為一種測(cè)試深度大、加載壓力高且具有一定成熟地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的原位測(cè)試方法，PMT在許多大型工程的深厚覆蓋層中得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，一批超大型工程不斷涌現(xiàn)，巖土工作者面臨的工程地質(zhì)問(wèn)題更加嚴(yán)峻，對(duì)旁壓測(cè)試技術(shù)及其理論研究提出了更高的要求。受旁壓儀設(shè)備本身技術(shù)性能提升不足的限制，同時(shí)缺少對(duì)PMT成果的深入研究探討［4］，PMT的發(fā)展有所滯后。

常規(guī)PMT測(cè)試深度僅為0～70 m。長(zhǎng)江科學(xué)院從事PMT研究近50 a，通過(guò)對(duì)旁壓儀及其試驗(yàn)方法進(jìn)行長(zhǎng)期研究，目前試驗(yàn)深度已超過(guò)百米［5］，最大實(shí)測(cè)深度已達(dá)175 m。隨著測(cè)試深度的突破，PMT可服務(wù)于更多更復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題，應(yīng)用場(chǎng)景也隨之拓展［6-8］。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有PMT規(guī)范剖析的基礎(chǔ)上，指出超百米PMT的測(cè)試方法和參數(shù)取值存在的問(wèn)題和不足，并以某超百米深厚細(xì)砂覆蓋層中的PMT為應(yīng)用實(shí)例，對(duì)其注漿加固效果進(jìn)行深入比較分析。

1 PMT規(guī)范剖析

旁壓壓力-體變（P-V）曲線是PMT最直接的成果。從旁壓曲線中可直接得到對(duì)應(yīng)的旁壓特征參數(shù)：初始?jí)毫0、臨塑壓力Pf和極限壓力PL。利用這些旁壓特征參數(shù)可計(jì)算旁壓模量EM、地基承載力特征值fak，測(cè)求軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度Cu、砂土有效摩擦角φ′、側(cè)向基床系數(shù)Km等。其中，旁壓模量EM和地基承載力fak是支撐巖土工程設(shè)計(jì)及研究地基工程特性最直接的參量。

旁壓模量EM是根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論，在一定的假定前提下，利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式推導(dǎo)而來(lái)：

EM=2（1+μ）（Vc+Vm）ΔPΔV（1）

式中： μ為泊松比；ΔP/ΔV為PMT曲線直線段斜率；Vc為旁壓探頭（中腔）固有體積；Vm為PMT曲線直線段中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的體積。

地基承載力特征值fak按相關(guān)規(guī)范直接取值。國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)比見(jiàn)表1。

表1中，作圖法即將旁壓P-V曲線直線段延長(zhǎng)相交于V軸，由交點(diǎn)作平行于P軸的直線相交于曲線的一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力即為初始?jí)毫0。計(jì)算法則按式（2）～（3）計(jì)算初始?jí)毫0：

P0=K0γZ+u（2）

u=γwZ－h(huán)w（3）

式中：K0為試驗(yàn)深度處?kù)o止土壓力系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；γ為試驗(yàn)深度以上土的重度，地下水以下取有效重度；Z為孔口至試驗(yàn)段中點(diǎn)的深度；u為試驗(yàn)深度處土的孔隙水壓力；hw為孔口距孔內(nèi)地下水位的深度。

通過(guò)對(duì)比分析可知，國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范計(jì)算旁壓地基承載力特征值均推薦了臨塑壓力法和極限壓力法兩種，主要區(qū)別在于初始?jí)毫0的取值方法和修正系數(shù)λ、安全系數(shù)F的取值有所區(qū)別。如GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》選用了簡(jiǎn)潔求取P0的方法；TB 10018-2018《鐵路工程原位測(cè)試規(guī)程》推薦在受成孔直徑和孔壁擾動(dòng)等影響較大的黏性土和砂類(lèi)土中使用計(jì)算法，而在風(fēng)化巖和軟巖等地層中，因其受原始水平地應(yīng)力的影響，推薦采用作圖法；JGJ/T 69-2019《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》則規(guī)定當(dāng)試驗(yàn)成孔較好、土層擾動(dòng)小、測(cè)試數(shù)據(jù)完整且旁壓P-V曲線有明顯的初始段時(shí)，采用作圖法確定P0，否則采用計(jì)算法。相比于國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范對(duì)于旁壓地基承載力fak取值的規(guī)定，歐洲則利用旁壓特征參數(shù)初始?jí)毫0、臨塑壓力Pf和極限壓力PL，結(jié)合具體工程背景，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

據(jù)此可知，對(duì)于淺基礎(chǔ)或試驗(yàn)成孔較好、土層擾動(dòng)小的深埋風(fēng)化巖、軟巖等基礎(chǔ)，規(guī)范推薦的地基承載力特征值計(jì)算公式尚能滿足要求。但是，對(duì)試驗(yàn)成孔差、埋深較大、原始水平地應(yīng)力復(fù)雜的黏性土或砂類(lèi)土，計(jì)算法或作圖法確定的初始?jí)毫0均有較大誤差，造成現(xiàn)行規(guī)范不能滿足該類(lèi)地層確定承載力特征值的精度要求，且相關(guān)規(guī)范也未對(duì)地基承載力在深度方向上的修正給出明確的建議。

2 超百米PMT測(cè)試技術(shù)

隨著工程建設(shè)難度加大，超百米級(jí)深厚覆蓋層已屢見(jiàn)不鮮，對(duì)PMT測(cè)試技術(shù)提出了更高要求，隨著測(cè)試深度的不斷增大，面臨的測(cè)試技術(shù)問(wèn)題更加突出。因此，針對(duì)超百米深旁壓試驗(yàn)，有必要對(duì)旁壓測(cè)試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行完善，以求獲取土體更加真實(shí)的旁壓P-V曲線。

2.1 鉆孔垂直度

根據(jù)DZ/T 0017-2023《工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》要求，地質(zhì)鉆孔100 m垂直度應(yīng)小于2°。實(shí)際鉆探過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)豐富的勘察隊(duì)伍可控制在1°以?xún)?nèi)，但當(dāng)試驗(yàn)深度超過(guò)100 m，每1°的鉆孔偏差造成的鉆孔底部偏移為1.74 m，而PMT對(duì)試驗(yàn)成孔質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，因此鉆孔垂直度是超百米PMT試驗(yàn)時(shí)的重難點(diǎn)問(wèn)題。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制試驗(yàn)成孔質(zhì)量，根據(jù)鉆孔進(jìn)度實(shí)時(shí)校正鉆孔垂直度，必要時(shí)應(yīng)配置鉆孔垂直度檢測(cè)儀，保證鉆孔垂直度。

2.2 泥漿濃度

常規(guī)PMT并未考慮鉆孔泥漿濃度的問(wèn)題，但當(dāng)PMT試驗(yàn)深度超過(guò)100 m時(shí)，由此帶來(lái)的測(cè)試誤差則不容忽視，見(jiàn)圖1。

旁壓曲線中P的求解公式：

P=Pm+Pw－Pi（4）

Pw=H1+H2ρwg-H2ρng（5）

式中：P為校正后的壓力；Pm為記錄儀或壓力表讀數(shù)；Pw為靜水壓力；Pi為彈性膜約束力；H1為旁壓儀水腔中點(diǎn)到鉆孔內(nèi)水位深度；H2為鉆孔內(nèi)水位到測(cè)試點(diǎn)深度；ρw為水的密度；ρn為泥漿密度，1.15～1.20 g/cm3；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

當(dāng)不考慮泥漿濃度的影響時(shí)，靜水壓力Pw=H1ρwg，但隨著測(cè)試深度變大，100 m深的泥漿在測(cè)點(diǎn)處將產(chǎn)生1 150～1 200 kPa的泥漿壓力，對(duì)P值造成的誤差可達(dá)150～200 kPa。

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)配置泥漿濃度檢測(cè)儀，以測(cè)定PMT測(cè)試過(guò)程中的泥漿濃度，對(duì)壓力進(jìn)行修正，確定測(cè)點(diǎn)深度處土體的實(shí)際試驗(yàn)壓力P。

2.3 試驗(yàn)時(shí)間間隔

PMT要求成孔后應(yīng)立即進(jìn)行試驗(yàn)，但當(dāng)試驗(yàn)深度超過(guò)100 m，從試驗(yàn)段成孔到旁壓探頭就位開(kāi)始試驗(yàn)，需經(jīng)過(guò)上百米的上拔鉆桿和上百米的旁壓探頭下放。經(jīng)過(guò)測(cè)算，該工序至少需要1 h，無(wú)疑造成了PMT的不及時(shí)性，甚至因?yàn)闀r(shí)間間隔太長(zhǎng)，伴隨著孔壁軟化、坍塌、縮頸等難以計(jì)算的影響，造成試驗(yàn)誤差。

因此，應(yīng)盡量縮短旁壓試驗(yàn)段成孔到旁壓探頭就位的時(shí)間差，如采用大功率卷?yè)P(yáng)機(jī)提升鉆桿、增加鉆桿長(zhǎng)度，或當(dāng)全孔跟進(jìn)套管時(shí)，可采用鋼絲繩連接，下放旁壓探頭。

2.4 壓力滯后效應(yīng)

隨著PMT深度超過(guò)百米，PMT氣、水管路也隨之增長(zhǎng)，壓力表不能及時(shí)反映旁壓探頭處的壓力，特別是三腔旁壓探頭中，氣路的壓力滯后往往比水路大，會(huì)導(dǎo)致探頭處氣水壓力差不平衡，影響測(cè)試精度。此外，壓力滯后效應(yīng)隨試驗(yàn)壓力的增大而增大。

因此，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)分級(jí)加載時(shí)間，即將試驗(yàn)分級(jí)加載時(shí)間由1 min改為3 min甚至更長(zhǎng)，以減小滯后效應(yīng)帶來(lái)的影響。

3 工程應(yīng)用

本節(jié)結(jié)合某沉井工程中超百米深厚細(xì)砂覆蓋層PMT測(cè)試的實(shí)際情況，對(duì)深層PMT試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和成果分析進(jìn)行探討。

3.1 工程背景

某沉井基礎(chǔ)，沉井高度115 m，沉井底部位于標(biāo)高-107 m的細(xì)砂層，前期勘察揭露該細(xì)砂呈灰色，飽和，密實(shí)狀，粒不均，多夾粉砂、中砂薄層；局部含少量1～5 cm圓礫，呈層狀分布于河槽段，高程范圍-87～-147 m，層厚1.2～34 m。因該細(xì)砂層在沉井施工過(guò)程中發(fā)生擾動(dòng)，需對(duì)其進(jìn)行加固，見(jiàn)圖2。

加固方案采用袖閥管注漿，注漿施工前，對(duì)擾動(dòng)細(xì)砂層及周邊原狀細(xì)砂層進(jìn)行PMT檢測(cè)，注漿完成后7 d再次進(jìn)行PMT檢測(cè)。通過(guò)3種不同狀態(tài)的超百米深厚細(xì)砂覆蓋層的旁壓特性參數(shù)，對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

考慮前述4種超百米PMT因素影響后，按照第2章所述注意事項(xiàng)，完成超百米深厚細(xì)砂覆蓋層PMT。其中：擾動(dòng)細(xì)砂層PMT分3孔/5點(diǎn)，測(cè)試高程-106.0～-111.4 m；原狀細(xì)砂層2孔/5點(diǎn)，測(cè)試高程-101.8～-110.0 m；注漿后的擾動(dòng)細(xì)砂層PMT分3孔/10點(diǎn)，測(cè)試高程-102～-110 m。旁壓P-V曲線見(jiàn)圖3～5。

按作圖法求得初始?jí)毫0，按規(guī)范法得到臨塑壓力Pf，并計(jì)算出旁壓承載力特征值fak=Pf-P0以及旁壓模量EM，如表2所示。如按計(jì)算法得出初始?jí)毫0gt;1 000 kPa，擾動(dòng)細(xì)砂層和部分注漿后的擾動(dòng)細(xì)砂層計(jì)算得出的旁壓承載力特征值fak將出現(xiàn)小于0的情況，采用計(jì)算法是不切實(shí)際的。

3.3 規(guī)范適應(yīng)性分析

對(duì)典型P-V曲線（-110.0 m原狀土）進(jìn)行分析，如圖6及表3所示。

不同初始?jí)毫0取值方法及承載力計(jì)算方法得出的旁壓特征參數(shù)、旁壓模量以及地基承載力特征值均有較大的差別，作圖法與計(jì)算法得出的旁壓模量EM相差24%，承載力特征值fak相差31%。究其原因，是因?yàn)橐?guī)范推薦的計(jì)算方法建立在淺埋基礎(chǔ)上，未考慮到超百米PMT的深度效應(yīng)問(wèn)題［5］，導(dǎo)致超百米深厚細(xì)砂覆蓋層用計(jì)算法得出的初始?jí)毫h(yuǎn)大于作圖法得出的初始?jí)毫?，?jì)算結(jié)果很難直接應(yīng)用于工程實(shí)際。

以規(guī)范計(jì)算結(jié)果獲得的旁壓特征參數(shù)，換算成土體的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)注漿加固效果，顯然是不實(shí)際的。正確的方法應(yīng)該是選用同一種旁壓特征參數(shù)取值方法，對(duì)注漿前后的土體進(jìn)行測(cè)試，以同一種旁壓特征參數(shù)為依據(jù)直接對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，既避免了不同計(jì)算方法產(chǎn)生的差異，也避免了以旁壓特征參數(shù)換算成土體的物理力學(xué)參數(shù)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。

3.4 對(duì)比分析

由表2可知：擾動(dòng)細(xì)砂層的承載力較小，Pf=280～411 kPa，均值為362 kPa；旁壓變形值較小，旁壓模量EM=1.33～2.29 MPa，均值為1.82 MPa。原狀細(xì)砂層承載特性較穩(wěn)定且值最大，Pf=2 088～3 319 kPa，均值為2 601 kPa，旁壓變形值較大，旁壓模量EM=15.56～24.43 MPa，均值為20.64 MPa。注漿后的擾動(dòng)細(xì)砂層旁壓承載特性及旁壓變形特性較為離散，Pf=1 015～2 503 kPa，均值為1 699 kPa，旁壓模量EM=6.54～31.99 MPa，均值為13.32 MPa。

此外，根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不同狀態(tài)的細(xì)砂層旁壓承載力特征值fak=Pf-P0的變異系數(shù)也比臨塑壓力Pf的大2%～3%；羅晶［10］對(duì)比了靜載試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)fak=Pf-P0的離散性比Pf要大，靜載試驗(yàn)得出的承載力與Pf線性相關(guān)。因此，本文以Pf作為評(píng)價(jià)注漿加固效果承載特性的參數(shù)，以EM作為評(píng)價(jià)注漿加固效果變形特性的參數(shù)。

將3種不同狀態(tài)細(xì)砂層的Pf和EM沿深度進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)注漿后PMT參數(shù)提高顯著，Pf提高約4.7倍，EM提高約7.3倍，但仍未達(dá)到原狀細(xì)砂層的承載和變形能力，僅為原狀細(xì)砂層的65%，見(jiàn)圖7～8。

考慮到注漿加固后短期內(nèi)便開(kāi)始進(jìn)行PMT，細(xì)砂層注漿加固體在注漿漿液膠凝反應(yīng)、地下水環(huán)境、施工擾動(dòng)等復(fù)雜因素影響下，其力學(xué)性能并未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，且注漿后短期內(nèi)不能恢復(fù)原狀細(xì)砂層的結(jié)構(gòu)性。因此，隨著時(shí)間推移，擾動(dòng)細(xì)砂層注漿加固后，變形和承載性能還會(huì)持續(xù)提高。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)超百米深層旁壓試驗(yàn)，通過(guò)規(guī)范對(duì)比分析，結(jié)合工程實(shí)際，指出了當(dāng)前應(yīng)用中存在的問(wèn)題。利用旁壓特征參數(shù)評(píng)價(jià)深埋細(xì)砂覆蓋層的注漿加固效果，有如下結(jié)論。

（1） 旁壓試驗(yàn)是一種切實(shí)可行且有效的超百米深埋地層原位測(cè)試方法，能夠滿足類(lèi)似工程評(píng)價(jià)的需求。

（2） 通過(guò)對(duì)比擾動(dòng)細(xì)砂層、原狀細(xì)砂層以及注漿后的擾動(dòng)細(xì)砂層的旁壓試驗(yàn)成果，提出以臨塑壓力Pf、旁壓模量EM作為注漿加固效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3） 現(xiàn)行規(guī)范推薦的承載力取值方法并不適用于超百米旁壓試驗(yàn)，特別是對(duì)于旁壓初始?jí)毫0的取值；與砂層相同，深厚軟黏土、砂卵石等成孔質(zhì)量難以保證的地層同樣存在類(lèi)似問(wèn)題，而對(duì)于成孔質(zhì)量較好的深厚硬黏土、軟巖等地層，采用作圖法求得的初始?jí)毫0是否與地層原始水平應(yīng)力相同仍然值得商榷。旁壓試驗(yàn)作為有效的深厚覆蓋層勘察手段，對(duì)其成果應(yīng)用方面的研究有待進(jìn)一步深入。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on pressuremeter test of grouting effect of deep overburden with fine sand over 100 meters

WANG Hanwu，WANG Tiancheng，HU Shenggang，HUANG Hongyang

（Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering ofthe Ministry of Water Resources，ChangJiang River Scientific Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

To ensure the grouting reinforcement effect of deep fine sand overburden layers，ensuring the long-term safety and stability of the construction.After analyzing the existed international and domestic side pressure test standards，the shortcomings and issues in test methods and parameter selection for pressuremeter tests exceeding a hundred meters in depth was proposed，then a specific case of deep overburden with fine sand over 100 meters was taken into account to make an in-depth comparative analysis for the grouting reinforcement effect.The results showed that：① Due to the complexity of the original horizontal stress and uncertainties in borehole creation，the initial pressure value P0 for pressuremeter tests in deep overburden with fine sand over 100 meters cannot be simply obtained through the methods like graphical or calculational，and further research should be conducted.② The characteristic parameters of lateral pressure-bearing capacity，such as the plastic limit pressure （Pf） and lateral pressure modulus （EM），could be used as the primary indicators to evaluate the effectiveness of grouting reinforcement in thick overburden layers.③ After reinforcement with sleeve-valve pipe grouting in the disturbed thick overburden layers，the characteristic parameter Pf increased by approximately 4.7 times，and the deformation characteristic parameter EM would increased by approximately 7.3 times.

Key words：

pressuremeter test； deep overburden； reinforcement effect of grouting； effect assessment