旁压试验在炭质软岩强度和变形参数测试中的应用

唐晓玲，袁永洪，刘宗祥

（四川省地质工程勘察院，成都 610072）

旁压试验在炭质软岩强度和变形参数测试中的应用

唐晓玲，袁永洪，刘宗祥

（四川省地质工程勘察院，成都 610072）

本文介绍了岷江庙子坪特大桥工程地质勘察中的难点，阐明了采用旁压试验测试含炭质软岩各项强度和变形参数的可行性，以及取得的实际效果。

旁压试验；含炭质软岩；变形参数；强度参数

DO I：10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.026

岷江庙子坪特大桥位于四川省都江堰市和阿坝藏族羌族自治州汶川县映秀镇交界处，紫坪铺水库库区中段，横跨岷江，岷江江面宽1 200m左右。桥梁设计采用简支梁引桥+预应力混凝土刚构主桥+简支梁引桥结构。设计桥梁长1 436m，主跨220m，其余桥跨50m，因紫坪铺水库水库设计蓄水深度85m，主墩高102.47m，采用桩基埋深约60m，该桥是都汶高速公路第一大桥，也是2004年国内在建的内河单跨最大、最高的桥梁。该桥于2007年12月建成通车，期间经历2008年“5.12”汶川特大地震的考验，仅一跨桥墩结构受损，整体情况良好，经修复后为地震灾区恢复重建的交通运输发挥了重要作用。

桥梁建设场地地层为三叠系须家河组，岩性为砂岩夹炭质页岩、煤层等，地质构造复杂、岩性软弱不均。工程地质勘察中，由于炭质软弱岩层（炭质页岩、煤层）因构造挤压破碎难以获取原状样、或难以制样等因素，使室内试验难以获取相应参数，为提供准确的基础设计参数，在设计阶段的详勘中尝试采用旁压试验的原位测试手段，对炭质软弱破碎岩层的承载力、变形性质进行评价，取得了良好的效果。

1 工程地质条件

桥位区所在岷江段河谷宽阔，河道蜿蜒曲折，勘察期间岷江水面高程在769～771米左右，主流靠右岸（为一河曲顶部），河谷两侧山体浑厚呈垅脊状，山顶海拔1 500～1 800m余，受坡表流水侵蚀，多梁子、山包、溪沟。

勘察场地内，岷江右岸为一下陡上缓的折线状斜坡地形，发育多条宽浅不一的冲沟，坡形完整性较差；左岸为一多级台状地形，发育有四级阶地，受后期冰水、江水及阶面流水剥蚀、侵蚀，各级阶面、阶坡完整性差，呈多级平台、宽坦坳沟与斜坡相间的地貌形态。

桥位区地层以第四系冰水堆积、冲洪积粘性土、砂土、漂石、砂卵砾石层构成松散覆盖层，下伏三叠系须家河组岩屑石英细砂岩、粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、炭质页岩夹煤层互层状岩层。

构造上位于龙门山断褶带中段，映秀断裂与二王庙断裂控制的断块上（彭灌脆性逆冲断裂构造带）。新构造运动以大面积的间歇性抬升和地震为主，岷江岸边发育四级阶地，Ⅳ级阶地阶面与江水高差达140米。场区有两条隐伏逆断层，断层破碎带厚度约10m，由炭质页岩和煤构成，夹少量钙质泥岩、粉砂岩，带内炭质页岩、煤已成碎屑状，钙质泥岩、粉砂岩成碎块状和少量构造角砾岩形态，并与炭质页岩、煤相互包裹、弯曲混杂。受挤压作用影响，断层破碎带周围夹层也异常破碎，岩石呈碎屑～碎石状。

由于荷载要求高，变形要求严格，桥梁设计以基岩为持力层，采用桩基。然而因桥位区受构造影响严重，岩体结构复杂，极为破碎，故勘探深度最深达70m余。勘察过程中揭露的基岩中炭质页岩、煤层等软弱岩层因构造挤压破碎，类似于碎石土等土体，难以获取原状样、或难以制样，室内试验难以获取相应参数，故尝试采用旁压试验的原位测试手段，获取其强度及变形参数。

2 仪器和试验方法

试验仪器为国产PM-2型预钻式旁压仪。其结构由3个部分组成，即读数箱、管路和旁压器。设备规格如下：

旁压器测量腔外径为88mm，测量腔长度为356mm，初始体积2165cm3。最大工作压力可达4.0MPa，旁压器径向位移≤0.1mm。

试验用工程钻机在岩层中采用φ91钻头成孔至试验深度，采取泥浆护壁。旁压试验前采取了试验前后量测孔内水位，了解水位变化带来的水压力对土体试验压力的变化；进行旁压膜约束力的校正；严格控制钻孔质量，保证孔径等一系列措施控制试验的精度。

由于无法预估试验的加荷等级，现场采用200～300kPa一级试探性加荷，直到获取理想的P—S曲线。

3 试验数据的分析

3.1 变形参数的确定方法

根据似弹性阶段直线的斜率,由轴对称平面应变问题的弹性解可得旁压模量Em、旁压剪切模量Gm。

按照《岩土工程勘察规范》，旁压模量按式（1）进行计算：

试验过程中以测管水位下降值近似代替体积V，根据获得的P（压力）—S（测管水位下降值）曲线，则旁压模量按公式（2）、旁压剪切模量按式（3）计算：

式中：

Em—旁压模量(MPa)；Gm—旁压剪切模量 (MPa)；μ—泊松比，试验建议值，由于炭质软弱岩层为固结岩石，构造影响破碎具有碎石土相似性质，故试验取0.25；Vc—初始压力P0对应的体积(cm3)；

V0—初始压力P0对应的体积，(cm3)；Vf—临塑压力Pf对应的体积，(cm3)；ΔP/ΔV—似弹性阶段直线段的斜率(kPa/cm3)；Pf—临塑压力，(kPa)；Sc—初始压力 P0对应的测管水位值，(cm)；S0—初始压力P0对应的测管水位下降值(cm)；Sf—临塑压力Pf对应的测管水位下降值，(cm)。

根据《铁路工程地质旁压测试技术规则》，地基承载力R值，可以用式（4）关系确定：

软弱岩层的弹性模量，按经验采用式（5）关系确定：

旁压试验孔周围土体受到的作用是以剪切为主，与桩的作用机理相似，可以利用旁压试验极限压力Pl与桩的极限摩阻力建立相关关系。可用式（6）估算桩的桩侧摩阻力qsik：

3.2 旁压试验结果

旁压试验在XZK5、XZK7、XZK8、XZK12、XZK36、XZK37、XZK40钻孔7个钻孔内进行了17次。试验岩性主要包括炭质页岩、炭质页岩夹煤层、煤层。试验曲线如图（图1、图2）。

通过相关计算，得到炭质软弱岩层的相关强度与变性参数（表1）。

图1 炭质页岩、煤层实测旁压P-S曲线

图2 炭质页岩夹煤层实测旁压P-S曲线

表1 炭质软弱岩层旁压试验计算结果

4 试验结果分析与应用

旁压试验在XZK5、XZK7、XZK8、XZK12、XZK36、XZK37、XZK40钻孔7个钻孔内进行了17次。试验岩性主要包括炭质页岩、炭质页岩夹煤层、煤层、泥岩夹炭质页岩。

1）旁压试验的曲线，均包括3个阶段,即初始阶段、弹性阶段和塑性阶段。曲线显示，因不同土层强度参数与变形参数的差异，试验的直线段斜率和长度都不一致。

2）统计试验结果可发现，各岩性未随深度变化其强度和变形参数存在相关性，但三类软弱层具有变异大的相似性。

3）从平均变形指标分析，按照炭质页岩—炭质页岩夹煤层—煤层的顺序依次降低，这与岩石本身强度相一致。

4）同类软弱岩层的承载力及变形指标的变异性大，主要与岩体的破碎程度，以及破碎后的密实度相关。

基于在实际勘察过程中，炭质软弱层难以获取岩样、取得样品难以制样进行相应的试验，即便取得样品进行室内试验其实验值严重偏低的现状，通过旁压等原位测试获取其强度和变性参数即显得十分重要（表2）。岷江庙子坪特大桥勘察过程中即将上述试验值通过修正后作为建议值提供给设计，弥补了以往凭经验任意提供建议值的缺陷。

表2 旁压试验计算结果统计参数

5 结论

1）预钻式旁压仪在工程勘察中广泛用于对松散土体等强度、变性参数的测试，但没有见诸于测试破碎含炭质软岩的实例。

2）本文介绍了应用旁压仪对岷江庙子坪特大桥桥墩含炭质软弱岩层的原位测试成果，为工程设计提供了基础数据，取得了较好的效果，也可为类似工程提供参考。

[1] 林宗元. 岩土工程试验监测手册[M]. 辽宁科学技术出版社，1994, 12.

[2] 汪稔，胡建华. 旁压试验在苏通大桥地质勘察工程中的应用[J]. 岩土工程学报，2003,24（6）：887～891.

[3] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（GB50021-2001）(2009年版)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] 中华人民共和国建设部. PY型预钻式旁压试验规程(JGJ69-90)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，1991.

The App lication of PMT to the Determ ination of Deformation Parameters of Soft Carbonaceous Rock

TANG Xiao-ling YUAN Yong-hong LIU Zong-xiang
(Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072)

This paper deals w ith difficulties of engineering geological exploration for the M iaoziping Bridge in the M injiang River valley, feasibility and practice results of the application of PMT to the determination of deformation parameters of soft carbonaceous rock.

PMT; soft carbonaceous rock; deformation parameter; intensity parameter

P642[.3]

A

1006-0995（2014）01-0109-04

2013-07-17

唐晓玲（1967-），女，高级工程师，长期从事水工环地质调查、勘察、科研及技术质量管理