浅谈PY—4型预钻式旁压仪的应用及注意事项

王学伟 陈丽萍

摘要：随着我国在境外公路建设项目的逐渐增多，而各国对勘察过程中所采用的原位测试方式侧重点却有所不同，在国内普遍认可的标准贯入试验方法，有时并不能很好地被当地政府或业界很好地接受。文章简要介绍了旁压试验测试技术在加蓬PO项目勘察中的应用，并根据经验，介绍了仪器操作中应注意的事项。

关键词：旁压试验；加压排水；约束膜校正

中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）02-0116-03

1 概述

随着我国境外公路建设项目逐渐增多，而各国对勘察过程中所采用的原位测试方式侧重点却有所不同，在国内普遍认可的标准贯入试验方法，有时并不能很好地被当地政府或业界所接受，反而国内使用相对较少的旁压试验却被推崇，特别是在法语国家。为了更好地开拓海外勘察市场，深入了解和应用旁压试验势在必行。

2 工程概况

拟建项目Port Gentil～Omboue公路（简称PO项目）位于非洲加蓬共和国西南沿大西洋海岸的狭长地带，本项目起点位于Port Gentil南侧约22km，与Port Gentil～Mordorobe公路相接，终点位于Omboue环岛。路线总体为向南偏东方向，跨越Ogooue、Nkomi入河口及粉沙区，至Omboue南侧，设环岛，路线全长约91km。

3 主要地層概况

项目区域内主要出露的地层是第四纪全新世及晚更新世地层。区域内揭露的主要地层有：全新世冲积砂层、全新世海积黏性土层、全新世陆海交互砂层及晚更新世海积胶结及半胶结层等。以下从新到老对沿线地层进行分类描述。

3.1 第四纪全新世冲积砂层

表层土主要由灰白色和褐黄色的细砂及中砂构成，局部路段呈粉砂状，且有部分砂层因含有机质而成灰色或者灰褐色，该层一般厚度在10～20m之间，大多数地段及平均厚度约为15m。

3.2 第四纪全新世海积黏土层

该层普遍分布于第四系冲积砂层以下，揭露的地层岩性主要为粉质黏土、黏土。中间夹有薄层砂类土，见贝壳等海洋生物残体，局部发现接近碳化的植物残体，层理分明，虽多呈灰褐色，但具有一定的强度，并非

软土。

3.3 第四纪全新世陆海交互砂层

根据勘探孔揭露，该层主要成分为砂类土，粉砂至粗砂各种粒径均有分布。该地层形成受陆海交互的影响，密实程度变化较大，松散层与密实层交互穿插，局部夹黏性土层，一般砂质纯净的砂层较为密实，部分成极密实状，部分砂层因混有大量黏性土而呈现松散至稍密状态。该层总体厚度较大，一般埋藏深度为25～60m。

3.4 第四纪晚更新世海积胶结及半胶结层

该海积地层是形成于晚更新世，根据勘探结果，主要呈现为黑灰色至青灰色，黏土及砂类土均有揭露，黏性土多呈黑灰色，含贝壳碎屑，硬塑至坚硬，多呈半胶结状；砂类土多呈青灰色，含大量贝壳，经淋滤作用后与砂砾紧密地胶结在一起，钻探岩芯呈长柱状，质地坚硬，部分地层虽与胶结地层的结构及土质一致，但由于胶结的不均匀性导致其呈半胶结或者散体状，虽强度略有差别，但由于沉积年代相对较久，天然地层总体密实性较好。

4 采用旁压试验的原因

本工程主要的构筑物为2座长度约为5km的特大桥，主桥墩的设计桩长一般在60m，由于钻孔过深，且砂层较厚，为避免振动塌孔，导致常用的标准贯入试验可使用深度有限，因此必须另外选择一种原位测试方式，此外由于加蓬当地较为认可旁压试验，而旁压试验正好弥补标准贯入试验的不足，且能相互作为对比参考，因此最终选择了旁压试验。

5 旁压试验原理

旁压试验是将圆柱形旁压器竖直放入土中，通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜将压力传给周围的土体（岩体），使土体（岩体）产生变形直至破坏，通过量测施加的压力和土变形之间的关系，即可得到地基土在水平方向的应力应变关系。

本项目采用PY-4型预钻式旁压仪，其是在PY-3型的基础上改进而成，其主要特点是加压等级提高到4MPa，由于压力等级的提高，对土层的适用范围扩大，这样在工程孔深要求的特定情况下，配合钻机预成孔，试验深度可达60m左右，仪器的使用范围较广。该仪器加压直感、精度高，注、排水快，故障率低，使用寿命长，操作简便，方便实用。

6 旁压试验的仪器构成

本项目所使用的PY-4型旁压仪分4个部分，分别为旁压器、管路、量测及控制装置、加压装置。

6.1 旁压器

旁压器是对孔壁土（岩）体直接施加压力的部分，是旁压仪最重要的部件。它由金属骨架、密封的橡皮膜和膜外护铠组成。旁压器分单腔式和三腔式两种，本项目采用的是目前常用的三腔式。三腔式旁压器由测量腔（中腔）和上下两个护腔构成。测量腔和护腔互不相通，但两个护腔是互通的，并把测量腔夹在中间。试验时有压介质（水或油）从控制装置通过中间管路系统进入测量腔，使橡皮膜沿径向膨胀，孔周土（岩）体受压呈圆柱形扩张，从而可以量测孔壁压力与钻孔体积变化的关系。其尾部有3个接头，编号分别为1#、2#、3#，与管路的1#、2#、3#管对应相接。

6.2 管路

管路主要由旁压仪导压管和专用接头组成，导压管由3根塑料透明导管整体用红色耐磨胶皮包裹密封而成，一般每段15～20m，可以通过金属接头相接至试验所需长度。最终导管一端与旁压器相接，另一端与控制箱相接，均按编号对接。

6.3 量测及控制装置

控制装置位于地表，通常是设置在三脚架上的一个箱式结构。其功能是控制试验压力和测读旁压器体积（应变）的变化。主要由电测仪（野外作业需配小型发电机）、调压器、测管、水箱、各类阀门、压力表和箱式结构架等组成。

6.4 加压装置

一般由压力源（高压氮气瓶）、解压阀、导压管、金属接头组成。

7 适用范围

旁压试验适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩等，其中最适合在土质均匀的黏性土、粉土砂土、碎石土、残积土、岩石中，由于带棱角的颗粒或石块较多，容易扎破橡胶膜，即便带上金属护铠，也同样容易破损，并影响测试成果的精度，效果

较差。

8 旁压试验的优缺点

旁压试验的优点：可在不同深度上进行测试，适用的岩土类别较多，使用范围较广，所求基本承载力直接、精度高。

旁压试验的缺点：受成孔质量影响大，孔壁扰动大，其精度就会降低，孔壁岩土颗粒较尖锐，测试中便很容易扎破橡皮膜，导致试验夭折，如果孔壁不稳定则会导致塌孔，并将旁压器埋在孔内无法取出，旁压试验操作较为繁琐，占用时间也较长，试验深度原则上没有限制，但是由于导管过长和钻孔质量问题等原因，一般最大深度在60m左右，更深的地层试验条件较为困难。

9 PY-4型预钻式旁压仪使用中应注意的问题

9.1 操作前的准备及注意事项

9.1.1 旁压器在运往工地前的准备及注意事项：

（1）检查加压装置：由于本次勘察所用的旁压仪自带的氮气瓶与加蓬当地的加气站的接口不配套，所以无法使用，因此只能在当地气站租用一个能够配套的氮气瓶，其体积过大，高约1.5m，搬运成了不小的问题，因此在运往工地前，仔细地检查氮气瓶和与之相连的减压阀、导气管、接头等装置有无问题是非常重要的。

（2）发电机：本次采用的电子液位仪需要交流电源，工地附近没有电源，只能自行配备小型的发电机，而发电机的性能是否稳定，是顺利进行试验的重要保障，必须提前检查合格。

（3）根據预计试验的最大深度，准备足够长的试验导管。

（4）因为弹性膜校正试验可以提前做，为了节省现场试验的时间，可以提前将此试验完成。校正过程注意的事项如下：1#、2#管接通，3#管拔出，用3#的专用堵头接入3#孔内（为了阻止加压时气压从3#孔泄掉），这样在加压测试时，只有中腔膨胀，上下腔不膨胀。如3#管正常接通状态下做此校正时，上下腔因为有气压从3#管传导到上下腔，会导致上下腔随中腔一同膨胀，一般上下腔要比中腔膨胀量大，容易爆破，不安全。

9.1.2 现场操作前的准备及注意事项：

（1）做好排气、排水工作，新安装的试验管路中有空气残留，必须做好排气工作，否则在试验过程中会因为气泡的缘故导致体积测量失准。具体的排气排水方法如下：1#、2#为导水管，可将1#、2#接在仪器控制箱上的1#、2#接头，另一头接旁压器上的1#、2#接头，打开注水阀门，水箱加压，水从水箱→1#导管→旁压器中腔→2#导管→测量管→调零阀→排除，当水位升高到零附近，打开排水阀门（调零阀），在仪器箱下面的排水口处用水瓶接水，这样水管和旁压器中的气泡就会随着水流到达测量管，气泡就会被排干净，当确定无气泡时，排水、排气过程完成。3#管为气压管，如里面有水，可将3#接头从仪器控制箱上拔出，用手与气筒相接，另一端从旁压器上取下，手动打气可把管内水排干净，如果有脏东西，可用此方法将脏物与水一起排出。

（2）旁压器上的不锈钢接头，因与3根管斜插，要注意插管的方向，其一侧为圆形，另一侧为扁形，导管应从扁平的一侧穿入，否则会在测试时被孔壁挤压磨损导管。

（3）旁压器与导管相接后，应与第一节细钻杆绑紧，以免提升过程中导管弯折。

（4）有机玻璃的钢护筒，易在暴晒的情况下出现炸裂，在做完综合校正试验后，应放在阴冷处保管。

（5）测量管的使用中应注意当旁压器的中点与零刻度一齐调零后，马上关上测量管阀门，以保证旁压器内水量不变，当旁压器下到试验深度后再打开测量管

阀门。

（6）1#管为水箱与旁压器之间通水的导水管，接中腔。2#管为旁压器与测量管之间连通的导水管，与中腔相接。3#管为氮气压力与旁压器相连通的导压管，与上下腔相连接，不能接错。

（7）旁压试验应在有代表性的位置和深度进行，旁压器的量测腔应在同一土层内。试验点的垂直间距应根据地表条件和工程要求确定，但不宜小于1m，试验孔与已有钻孔的水平距离不宜小于1m。

9.2 测试过程中的注意事项

9.2.1 注意避免导管与细钻杆的变相接头卡磨导管，解决的方式是用粗钻具钻至预定试样深度以上1.0m处，然后用细钻具（专用钻具）钻至预定试验深度以下1.0m处，例如：要在20.0m处做旁压试验，可用粗钻具钻至19.0m，再向下用细钻具从19.0m钻至21.0m。因为一般细钻杆接头到旁压器中间位置（试验深度位置）约1.5m，按以上操作，接头与导管均处于粗孔径钻孔内，可避免卡磨。

9.2.2 试验的终止条件是测量管中的液面下降到36cm或接近36cm，绝对不能超过40cm，原因是超过40cm意味着旁压器的弹性膜已经超过其最大膨胀量，如果最后一级加压时，测量管中水位下降得太快（特别是超过36cm时），应先逆时针快速拧调压阀，同时关闭氮气加压阀，如果不是紧急情况，可先关闭加压阀后再解压，在解压的过程中，要保持测量管阀处于打开状态，调零阀、氮气加压阀、注水阀处于关闭状态。特别注意不要打开注水阀，要保持测量管内的水位回升仅仅是因为旁压器和导管中的水回流所致，一般水位会升到2～6cm刻度之间区域停止，此时旁压器的膨胀量已经很小，可上提旁压器。当提出旁压器后，可打开注水阀，让水位回到0.0cm以上少许，关闭注水阀，然后校正调零，准备进行下一组试验。

9.2.3 试验过程中压力表的使用：松散-稍密土层，一般加压至800～900kPa是可以满足试验的最终压力要求的，低压表的最大量程是1000kPa，此种情况可将压力表控制阀门拧至朝上，在加压过程中，低压表与高压表的指针同时移动，可只观察低压表较为精确，但中密砂层或硬塑土层时，一般终止压力会超过900kPa或1000kPa，此种情况分两个步骤操作：首先，加压在小于900kPa阶段时，开启并观察低压表，当加压至900～1000kPa时，应马上关闭低压表，方法是将压力表控制阀门拧至水平，此时，低压表指针停止移动，高压表会继续随压力增加而动（高压表从始至终会保持开启状态而无法关闭）；其次，仅仅需要观察高压表指针即可，一直到试验终止，注意最大加压不能超过4MPa。试验终止时，首先观察高压表，当压力降至900kPa附近时，将低压表阀门开启，方法是将低压表阀门调至朝上，此时低压表开通，低、高压表同时逆时针旋转减压，最终至0点处。注意不要在压力大于1000kPa时打开低压表，也不要在压力远远小于900kPa时才打开低压表，以免造成低压表损坏或指针反弹变形。

10 结语

由于在国内勘察中很少能用上旁压试验这种原位测试方式，因此以前对此了解甚少，经过本项目的使用和研究，对旁压试验有了一些切身的体会，从中也发现了一些操作中的细节问题，因此通过本文简单地介绍了自己的一些经验，希望对首次使用旁压试验的技术人员起到些许参考作用。

参考文献

[1] PY-4型预钻式旁压仪说明书[S].

[2] 中华人民共和国建设部.PY型预钻式旁压试验规

程（JGJ69-90）[S].

[3] 工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）

[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.