旁壓試驗(yàn)在廣州地鐵勘察工程中的應(yīng)用

馬宗利，黃佳銘，樓康明，周明，鄭先昌

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引言

旁壓試驗(yàn)(PMT)是工程地質(zhì)勘察原位測試中的其中一種方法，1957年由法國道橋工程師Menard發(fā)明，它可以在指定深度的土層或軟巖中進(jìn)行水平方向加載試驗(yàn)，得到相應(yīng)巖土體的臨塑壓力和極限壓力，以此來評價(jià)地基承載力，還可以用來確定土或軟巖的原位水平應(yīng)力或靜止側(cè)壓力系數(shù)，估算土或軟巖的旁壓模量、旁壓剪切模量以及側(cè)向基床反力系數(shù)［1］。

對于地鐵設(shè)計(jì)而言，為了確保工程安全可靠，要求勘察單位提供準(zhǔn)確、可靠的土層或巖層的物理力學(xué)參數(shù)。在實(shí)際勘察中往往缺乏對這些相關(guān)參數(shù)行之有效的測試方法，通常采用相關(guān)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)值，其取值偏于保守，如何應(yīng)用有效的勘察方法來獲得地鐵所通過土層或者巖層的可靠的物理力學(xué)參數(shù)，這是在地鐵勘察中的一個(gè)需要。此外，現(xiàn)在地鐵建設(shè)廣泛應(yīng)用盾構(gòu)法施工，可靠的土層或者巖層參數(shù)為盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定施工參數(shù)、推進(jìn)速度、切口水壓等設(shè)定提供資料。

2 旁壓儀的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

本次旁壓試驗(yàn)采用溧陽市天目儀器廠生產(chǎn)的PM－2型中壓級(jí)預(yù)鉆式旁壓儀，其結(jié)構(gòu)分別由加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、壓力與變形測量系統(tǒng)和旁壓器三部分組成。其中加壓由氮?dú)馄繅毫κ┘?，迫使增壓缸?nèi)的水進(jìn)入旁壓器，進(jìn)而對孔壁土體施加側(cè)向壓力。旁壓器的測量腔外徑為90 mm，有效長度為335 mm，固有腔體積為2130 cm3，其測量壓力可達(dá)6 MPa，適用于強(qiáng)度較高的地層。

此型號(hào)旁壓儀是預(yù)鉆式的，需要工程鉆機(jī)配合，在指定的地層深度形成垂直、光滑、規(guī)則的圓孔，盡量減少對原位地層的擾動(dòng)，成孔孔徑控制在比旁壓探頭大2 mm～3 mm，再將旁壓器至于測試深度進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)的本質(zhì)是在鉆孔中施加水平荷載，通過至于鉆孔中的圓型探頭膨脹對孔壁的擠壓至使土體產(chǎn)生變形，從而確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)。旁壓器在逐級(jí)加載下，孔壁土體經(jīng)歷三個(gè)變形階段，即為恢復(fù)階段、類彈性階段與塑性發(fā)展階段，其變形曲線(P－V曲線)如圖1，根據(jù)曲線特征確定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，即靜止水平總壓力P0，臨塑壓力Pf和極限壓力

圖1 旁壓特征曲線

3 工程概況

3.1 場地工程地質(zhì)概述

廣州市軌道交通廣從線整體呈南北走向，從廣州市中心向北部地區(qū)放射，經(jīng)過廣州市越秀區(qū)、白云區(qū)、從化市(太平鎮(zhèn)、中心城區(qū)、溫泉鎮(zhèn)及良口鎮(zhèn))，知識(shí)城支線從新和引出，經(jīng)中新知識(shí)城至蘿崗區(qū)鎮(zhèn)龍鎮(zhèn)。本次進(jìn)行旁壓試驗(yàn)的某段支線(如圖2所示)工程長約22 km，起點(diǎn)于白云區(qū)新和站，終點(diǎn)于蘿崗區(qū)鎮(zhèn)龍站，全線采用地下線，采用盾構(gòu)施工，隧道底板多數(shù)設(shè)置在20～35 m之間，地貌屬于典型的珠三角第四紀(jì)海陸交互沖積平原，勘察范圍內(nèi)的地層自上而下典型分布為:人工填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、中粗砂、殘積粉質(zhì)黏土、花崗巖殘積土、全風(fēng)化礫砂巖、強(qiáng)風(fēng)化礫砂巖。隧道通過的地層主要為花崗巖殘積土和強(qiáng)風(fēng)化礫砂巖以及部分中風(fēng)化、微風(fēng)化帶。

圖2 廣州地鐵某支線線路圖

3.2 旁壓試驗(yàn)中的要點(diǎn)［3］

儀器操作參照《PM－2型操作說明書》與《PY型預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ69－90)中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，其具體要點(diǎn)如下:

(1)在地鐵沿線分為若干個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)選擇具有代表性的鉆孔中進(jìn)行試驗(yàn)，力求控制場地所在區(qū)域的典型地層。

(2)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)濕式鉆進(jìn)，采用合適直徑巖芯管(忌貪圖方便使用三翼鉆頭，容易造成成孔不規(guī)則)，控制轉(zhuǎn)速低于60轉(zhuǎn)/min，進(jìn)尺小于1 cm/轉(zhuǎn)，根據(jù)土層情況采取適當(dāng)泥漿護(hù)壁，確保成孔垂直、光滑、圓整。

(3)采用高壓氮?dú)饧訅海骷?jí)觀測時(shí)間為30 s、60 s、120 s。

(4)每級(jí)加壓操作時(shí)間盡量短，控制在15 s以內(nèi)為宜。

(5)當(dāng)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)入明顯塑性區(qū)域或者達(dá)到旁壓器加載峰值(6MPa)時(shí)，終止實(shí)驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

4.1 旁壓試驗(yàn)P－V曲線分析

沿勘察沿線等距離分為若干個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)選擇控制代表性地層的鉆孔進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)校正后得到各測試孔的P－S曲線。由這些曲線可以看到，各測點(diǎn)的曲線基本完整，跟理想曲線線型接近，孔壁巖土體變形的三個(gè)階段，即恢復(fù)階段、類彈性階段、塑性發(fā)展階段表現(xiàn)明顯，各拐點(diǎn)較清晰，說明測試是理想的。但在測試孔2#與測試孔4#中的砂層中測試的時(shí)，曲線不是很理想，與實(shí)際有所偏差，是由于工程鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)對沙層擾動(dòng)過大，較大程度地改變了沙層的原有性狀。因此，在砂層中做旁壓試驗(yàn)，預(yù)鉆式旁壓儀不適合，應(yīng)選擇自鉆式旁壓儀。在測試孔4#的16.0 m深度處極限承載力過大，與該層土層性質(zhì)有較大出入，推測測試腔置于孤石中，在之后鉆進(jìn)中得到證實(shí)。

在P－S曲線中某些恢復(fù)區(qū)曲線較長，這是由于鉆機(jī)成孔時(shí)擺動(dòng)過大，所成孔徑略大于試驗(yàn)要求孔徑，致使前期需要注入較多水旁壓器才能與孔壁接觸產(chǎn)生作用的緣故。

各測試孔的P－V曲線基本反映了巖土體在水平荷載下的力學(xué)特征，在淺層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化沙礫巖、花崗巖殘積土中測試，曲線很快就進(jìn)入塑性發(fā)展階段，并達(dá)到屈服極限，臨塑壓力值和極限壓力值都相對較小;對于全風(fēng)化花崗巖，比較明顯出現(xiàn)類彈性階段，呈現(xiàn)出一定的直線區(qū)域，并隨著臨塑壓力的到來進(jìn)入塑性發(fā)展階段，臨塑壓力值和極限壓力值相對較大;在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中測試，類彈性階段曲線很長，臨塑壓力值和極限壓力值都很大，這與該巖層特性相匹配。

圖2 測試孔1#的P－S曲線

圖3 測試孔2#的P－S曲線

圖4 測試孔3#的P－S曲線

圖5 測試孔4#的P－S曲線

圖6 測試孔5#的P－S曲線

圖7 測試孔6#的P－S曲線

4.2 地層物理力學(xué)參數(shù)

由旁壓試驗(yàn)P－S曲線可以確定靜止水平總壓力P0，臨塑壓力Pf和極限壓力PL。再對數(shù)據(jù)做處理，得到巖土體的旁壓模量、旁壓剪切模量、水平基床系數(shù)等力學(xué)參數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果如下各表:

測試孔1#力學(xué)參數(shù) 表1

測試孔2#力學(xué)參數(shù) 表2

測試孔3#力學(xué)參數(shù) 表3

測試孔4#力學(xué)參數(shù) 表4

測試孔5#力學(xué)參數(shù) 表5

測試孔6#力學(xué)參數(shù) 表6

從結(jié)果上可以看出同一地層，深層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)普遍高于淺層巖土體;不同地層，中密砂高于淤泥質(zhì)黏土，全風(fēng)化礫砂巖又高于中密砂，全風(fēng)化花崗巖高于全風(fēng)化礫砂巖;本次旁壓試驗(yàn)基本反映了地層的力學(xué)性質(zhì)。此外，跟規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值對比，試驗(yàn)值多數(shù)偏大，可見經(jīng)驗(yàn)取值是比較保守的，在以后不斷積累相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)后，地鐵的設(shè)計(jì)完全可以設(shè)計(jì)的更經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

旁壓試驗(yàn)作為工程勘察中的一種原位測試技術(shù)，具備完善的彈、塑性理論支持，可以在不同深度的土層或軟巖中進(jìn)行測試，確定相應(yīng)巖土體的有效力學(xué)參數(shù)，與室內(nèi)試驗(yàn)相比有測試時(shí)間短、土層擾動(dòng)小、操作方便、結(jié)果可靠、受地下水影響小等諸多特點(diǎn)，尤其面對復(fù)雜地層難于取得原狀土情況，其意義尤為重大。廣州地鐵勘察引入旁壓試驗(yàn)，對原有的勘察技術(shù)作了有效的補(bǔ)充，特別對盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)的選定提供了一定的幫助。此外，現(xiàn)階段的旁壓更多參照國外公式和國內(nèi)其他地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，在以后勘察實(shí)踐中需要結(jié)合廣州地區(qū)實(shí)際地層情況積累相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，以發(fā)揮旁壓試驗(yàn)更重要的作用。

［1］孟高頭.土體原位測試機(jī)理、方法及工程應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1997.

［2］石祥鋒，汪稔，張家銘等.旁壓試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(增刊):4442 －4445.

［3］JGJ69－90.PY型預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］TB10046－96.鐵路工程地基土旁壓試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］胡建華，汪稔，周平等.旁壓儀在地基工程原位測試中的應(yīng)用及其成果分析［J］.巖土力學(xué)，2003，24(增刊):418－422.