旁压试验在广州地铁勘察工程中的应用

马宗利，黄佳铭，楼康明，周明，郑先昌

(1.广州大学土木工程学院，广东广州 510006;2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 引言

旁压试验(PMT)是工程地质勘察原位测试中的其中一种方法，1957年由法国道桥工程师Menard发明，它可以在指定深度的土层或软岩中进行水平方向加载试验，得到相应岩土体的临塑压力和极限压力，以此来评价地基承载力，还可以用来确定土或软岩的原位水平应力或静止侧压力系数，估算土或软岩的旁压模量、旁压剪切模量以及侧向基床反力系数［1］。

对于地铁设计而言，为了确保工程安全可靠，要求勘察单位提供准确、可靠的土层或岩层的物理力学参数。在实际勘察中往往缺乏对这些相关参数行之有效的测试方法，通常采用相关规范的经验值，其取值偏于保守，如何应用有效的勘察方法来获得地铁所通过土层或者岩层的可靠的物理力学参数，这是在地铁勘察中的一个需要。此外，现在地铁建设广泛应用盾构法施工，可靠的土层或者岩层参数为盾构开挖面稳定施工参数、推进速度、切口水压等设定提供资料。

2 旁压仪的基本结构及其工作原理

本次旁压试验采用溧阳市天目仪器厂生产的PM－2型中压级预钻式旁压仪，其结构分别由加压稳压系统、压力与变形测量系统和旁压器三部分组成。其中加压由氮气瓶压力施加，迫使增压缸内的水进入旁压器，进而对孔壁土体施加侧向压力。旁压器的测量腔外径为90 mm，有效长度为335 mm，固有腔体积为2130 cm3，其测量压力可达6 MPa，适用于强度较高的地层。

此型号旁压仪是预钻式的，需要工程钻机配合，在指定的地层深度形成垂直、光滑、规则的圆孔，尽量减少对原位地层的扰动，成孔孔径控制在比旁压探头大2 mm～3 mm，再将旁压器至于测试深度进行试验。该试验的本质是在钻孔中施加水平荷载，通过至于钻孔中的圆型探头膨胀对孔壁的挤压至使土体产生变形，从而确定岩土体物理力学参数。旁压器在逐级加载下，孔壁土体经历三个变形阶段，即为恢复阶段、类弹性阶段与塑性发展阶段，其变形曲线(P－V曲线)如图1，根据曲线特征确定岩土体的物理力学参数，即静止水平总压力P0，临塑压力Pf和极限压力

图1 旁压特征曲线

3 工程概况

3.1 场地工程地质概述

广州市轨道交通广从线整体呈南北走向，从广州市中心向北部地区放射，经过广州市越秀区、白云区、从化市(太平镇、中心城区、温泉镇及良口镇)，知识城支线从新和引出，经中新知识城至萝岗区镇龙镇。本次进行旁压试验的某段支线(如图2所示)工程长约22 km，起点于白云区新和站，终点于萝岗区镇龙站，全线采用地下线，采用盾构施工，隧道底板多数设置在20～35 m之间，地貌属于典型的珠三角第四纪海陆交互冲积平原，勘察范围内的地层自上而下典型分布为:人工填土、淤泥质土、淤泥质砂、中粗砂、残积粉质黏土、花岗岩残积土、全风化砾砂岩、强风化砾砂岩。隧道通过的地层主要为花岗岩残积土和强风化砾砂岩以及部分中风化、微风化带。

图2 广州地铁某支线线路图

3.2 旁压试验中的要点［3］

仪器操作参照《PM－2型操作说明书》与《PY型预钻式旁压试验规程》(JGJ69－90)中的有关规定执行，其具体要点如下:

(1)在地铁沿线分为若干个区间，在每个区间内选择具有代表性的钻孔中进行试验，力求控制场地所在区域的典型地层。

(2)钻机回转湿式钻进，采用合适直径岩芯管(忌贪图方便使用三翼钻头，容易造成成孔不规则)，控制转速低于60转/min，进尺小于1 cm/转，根据土层情况采取适当泥浆护壁，确保成孔垂直、光滑、圆整。

(3)采用高压氮气加压，各级观测时间为30 s、60 s、120 s。

(4)每级加压操作时间尽量短，控制在15 s以内为宜。

(5)当实验曲线进入明显塑性区域或者达到旁压器加载峰值(6MPa)时，终止实验。

4 试验结果处理与分析

4.1 旁压试验P－V曲线分析

沿勘察沿线等距离分为若干个区间，在每个区间内选择控制代表性地层的钻孔进行旁压试验，经过一系列数据校正后得到各测试孔的P－S曲线。由这些曲线可以看到，各测点的曲线基本完整，跟理想曲线线型接近，孔壁岩土体变形的三个阶段，即恢复阶段、类弹性阶段、塑性发展阶段表现明显，各拐点较清晰，说明测试是理想的。但在测试孔2#与测试孔4#中的砂层中测试的时，曲线不是很理想，与实际有所偏差，是由于工程钻机在钻进时对沙层扰动过大，较大程度地改变了沙层的原有性状。因此，在砂层中做旁压试验，预钻式旁压仪不适合，应选择自钻式旁压仪。在测试孔4#的16.0 m深度处极限承载力过大，与该层土层性质有较大出入，推测测试腔置于孤石中，在之后钻进中得到证实。

在P－S曲线中某些恢复区曲线较长，这是由于钻机成孔时摆动过大，所成孔径略大于试验要求孔径，致使前期需要注入较多水旁压器才能与孔壁接触产生作用的缘故。

各测试孔的P－V曲线基本反映了岩土体在水平荷载下的力学特征，在浅层的淤泥质粉质黏土、强风化沙砾岩、花岗岩残积土中测试，曲线很快就进入塑性发展阶段，并达到屈服极限，临塑压力值和极限压力值都相对较小;对于全风化花岗岩，比较明显出现类弹性阶段，呈现出一定的直线区域，并随着临塑压力的到来进入塑性发展阶段，临塑压力值和极限压力值相对较大;在强风化花岗岩中测试，类弹性阶段曲线很长，临塑压力值和极限压力值都很大，这与该岩层特性相匹配。

图2 测试孔1#的P－S曲线

图3 测试孔2#的P－S曲线

图4 测试孔3#的P－S曲线

图5 测试孔4#的P－S曲线

图6 测试孔5#的P－S曲线

图7 测试孔6#的P－S曲线

4.2 地层物理力学参数

由旁压试验P－S曲线可以确定静止水平总压力P0，临塑压力Pf和极限压力PL。再对数据做处理，得到岩土体的旁压模量、旁压剪切模量、水平基床系数等力学参数，具体计算结果如下各表:

测试孔1#力学参数 表1

测试孔2#力学参数 表2

测试孔3#力学参数 表3

测试孔4#力学参数 表4

测试孔5#力学参数 表5

测试孔6#力学参数 表6

从结果上可以看出同一地层，深层岩土体物理力学指标普遍高于浅层岩土体;不同地层，中密砂高于淤泥质黏土，全风化砾砂岩又高于中密砂，全风化花岗岩高于全风化砾砂岩;本次旁压试验基本反映了地层的力学性质。此外，跟规范经验值对比，试验值多数偏大，可见经验取值是比较保守的，在以后不断积累相关试验经验后，地铁的设计完全可以设计的更经济。

4 结语

旁压试验作为工程勘察中的一种原位测试技术，具备完善的弹、塑性理论支持，可以在不同深度的土层或软岩中进行测试，确定相应岩土体的有效力学参数，与室内试验相比有测试时间短、土层扰动小、操作方便、结果可靠、受地下水影响小等诸多特点，尤其面对复杂地层难于取得原状土情况，其意义尤为重大。广州地铁勘察引入旁压试验，对原有的勘察技术作了有效的补充，特别对盾构相关参数的选定提供了一定的帮助。此外，现阶段的旁压更多参照国外公式和国内其他地区经验，在以后勘察实践中需要结合广州地区实际地层情况积累相应经验，以发挥旁压试验更重要的作用。

［1］孟高头.土体原位测试机理、方法及工程应用［M］.北京:地质出版社，1997.

［2］石祥锋，汪稔，张家铭等.旁压试验在岩土工程中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(增刊):4442 －4445.

［3］JGJ69－90.PY型预钻式旁压试验规程［S］.

［4］TB10046－96.铁路工程地基土旁压试验规程［S］.

［5］胡建华，汪稔，周平等.旁压仪在地基工程原位测试中的应用及其成果分析［J］.岩土力学，2003，24(增刊):418－422.