成孔质量对预钻式旁压试验结果的影响

张军

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院，陕西西安 710054)

成孔质量对预钻式旁压试验结果的影响

张军

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院，陕西西安 710054)

结合旁压试验的原理，分析了不同地层、不同成孔工艺形成的孔壁质量情况对旁压试验结果的影响，并提出了解决和控制的方法，指出旁压试验具有仪器设备简单、试验方便、适用地层广泛，可对不同深度地层进行试验的优点。

旁压试验，成孔质量，影响，土体

0 引言

20世纪50年代，法国土木工程师Menard发明了旁压仪，并成功应用于岩土工程测试领域。旁压试验作为一种岩土原位测试方法，相较于其他测试方法，如标准贯入试验、十字板试验及静力触探试验等具有仪器简单、操作方便，可对不同深度的粘性土、粉土、砂土、碎石土及软岩进行测试的优点，它可以模拟基础的实际受力状态，测定岩土体天然应力状态下的强度参数、变形参数、基床系数，估算地基承载力，并可利用经验公式估算基础沉降、单桩承载力［1］。

1 旁压试验原理

旁压试验的原理是在钻孔中进行的一种水平向载荷试验，将圆柱形中空旁压器下放至钻孔中预定深度后，利用向测量腔充水使旁压膜膨胀，将旁压膜内压力横向传递给孔壁土体，使土体产生弹塑性变形直至破坏，通过测量旁压膜扩张的体积和压力得出压力—变形曲线，图解得出土体的临塑压力及极限压力，并计算变形模量。

旁压试验简化原理图见图1。

为获得上述测试参数，需要把旁压试验简化为轴对称平面应变状态下的圆柱孔穴扩张问题［2，3］。旁压器在满足一定长径比(l/d=4～10)［1］要求下，且测量腔橡胶膜在旁压器上下护腔的约束下，测量腔充水膨胀后呈一圆柱体，可近似为无限长度下的平面应变状态橡胶膜向孔壁土体施加压力，且仅沿水平方向发生变形。满足以上假定条件后，绘制出的典型旁压试验压力—变形曲线见图2。

图1 旁压试验原理图

图2 旁压试验典型曲线

从曲线形态上可分为三个阶段［4］:0a段:表示旁压膜膨胀的初始阶段，即旁压膜充水膨胀后与孔壁土体接触并将土体压缩推回至孔壁扰动前的状态。该段曲线对应的初始压力p0及初始体积v0反映了孔壁土体的扰动情况，也直接反映出成孔质量的好坏。

ab段:该阶段p—v曲线一般为直线段［3］，反映出孔壁土体受压后的弹性变形过程，其与载荷试验p—s曲线的直线段物理意义相同。该阶段旁压测试数据的好坏，直接关系到是否能计算出符合实际情况的地基土旁压模量Em。

bc段:反映出土体由弹性变形阶段开始向塑性变形阶段发展，b点可看作是试验点土体塑性变形的起始点，其对应的压力为土体临塑压力值pf［3］，其等同于载荷试验的比例界限点。c点表示旁压试验的极限压力，理论上相当于孔穴体积无限大时的试验压力［3］，但受旁压仪加压水箱体积限制，通常取体积变形达到初始状态的2倍(2v0+vc)［2］时所施加的压力值为旁压试验极限压力pl。

2 影响分析

正常成孔情况下，对于使用梅纳型旁压仪NX型旁压器(外径74 mm)，采用 φ72 mm的平头钻头成孔，成孔直径一般为76 mm～78 mm，理论计算的初始体积 v0范围值 150 cm3～200 cm3。由于地基土的不均匀性及不同地层采用的成孔工艺特性，在实际旁压测试工作中，经常会出现如图3所示的旁压试验曲线类型。

通过对试验曲线与理想曲线之间的差异分析，并结合成孔工艺对孔壁土体的扰动情况，作者分析得出不同地层条件下成孔质量对旁压试验曲线的影响。

1)v0过大(孔径过大)。

图3 不同类型旁压试验曲线

图4 v0值过大的异常曲线

旁压曲线如图3中的3，4曲线，产生这种结果的原因，往往是由于钻孔工艺不合适而引起试验点孔壁土体受到严重扰动或孔壁坍塌，不符合旁压试验对孔壁平直、光滑的要求。当孔壁土体为软土时，若钻井液配比不好或压力不足时，孔壁土会向钻孔内侧涌出，旁压膜膨胀后需很大初始变形将涌出的土体推回至原始状态，造成旁压曲线初始段表现为斜率很大，而后续直线段斜率也会增大，从而引起旁压模量Em偏低;同样，若孔壁地层为砂卵石时，因成孔质量不好造成孔壁坍塌，旁压器测量腔开始充水加压时，由于橡胶膜未受到土体约束，导致测量腔需充入大量水后产生膨胀变形才能贴住孔壁，造成的结果是，因旁压仪内水箱容积的限制，又不能再向内注水，而无法加压到极限状态(甚至无法加压达到塑性变形状态)，在旁压曲线初始阶段表现出斜率很大，施加很小的初始压力就会产生很大的测量腔体积变化。图4是某工程砂土及卵石层进行旁压试验的典型曲线。

2)v0接近于0(孔径过小)。

旁压曲线如图3中的1曲线。旁压试验点成孔直径一般要求比旁压器外径大2 mm～5 mm为宜。实际工作中，常因为钻头的磨损导致成孔直径偏小不能达到要求，下放旁压器常常需要施加下压力方可达到测试位置，此时测量腔外膜已紧贴孔壁并对内、外膜施加了横向约束力，开始加压后，需对处于横向约束状态下的内、外膜施加较大的压力才能将周围土体推回至初始状态，表现在旁压曲线上为初始体积v0接近于0，曲线初始段基本与坐标p轴相切，而一旦孔壁土体达到初始状态，因施加于测量腔内膜的水压比较大，若操作不当，往往会达到或超过土体临塑压力pf，同样引起第二阶段直线段不明显或斜率很大，曲线上表现出的pf往往被人为高估，导致提供的地基承载力偏大，而旁压模量Em偏低。

图5中旁压试验曲线是在西安地区某工程黄土状土进行旁压试验的典型曲线，经事后对试验结果的分析，并查看钻头磨损情况，实际测量成孔直径仅达到74 mm。

3)孔壁与旁压器外膜间夹杂其他物质。

这种情况通常不易发生，但当成孔工艺不适宜或成孔时钻具摆动过大时，则会出现这种异常现象。如泥浆护壁钻进时泥浆稠度过大，孔壁附着了一层较厚的泥皮，旁压膜膨胀时，有部分压力消耗在将泥皮挤开的过程中，当旁压膜接触到孔壁原始土体后，旁压曲线又表现为正常状态。

图5 v0值过小的异常曲线

图6 异常曲线

在陕北某项目旁压试验时，因为勘探取样要求，对某层新黄土进行干钻钻进，因该土层属于硬塑状态，在钻进过程中，钻具与土体长时间摩擦发热将孔壁土体烧蚀产生“硬壳”，试验时表现为初始压力p0较大而初始体积v0较小，但是测量腔压力达到一定程度后，曲线形态逐渐恢复正常。以上两种情况，在曲线上均表现出有“两个”初始体积v0值，即曲线初始阶段出现两个转折点，如图6所示。

另外，旁压试验中出现过旁压器下放到试验土层后，上部粉细砂局部塌落夹在旁压器外膜与孔壁之间，在旁压膜加压膨胀过程中将孔壁间粉细砂压密，表现在曲线上为初始段v0很小，而初始压力p0过大，曲线形态与上节中孔径过小造成的异常试验曲线相似，导致临塑压力pf偏大，直线段斜率减小，计算的旁压模量偏大。

3 采取的措施

通过不同成孔质量对旁压试验结果的影响分析，作者认为可从以下几个方面对旁压试验成孔质量进行控制:

1)对旁压测试点深度不大，且地层为可塑状态粘性土或粉土，建议采用旁压试验推荐使用的勺形钻人工钻进。该成孔方法不但可以保证较好的孔壁质量，更主要的是对孔壁土的扰动很小，但缺点是人工钻进效率低，且受人力所限钻进深度较小，对地层成分要求较高。

2)根据使用的旁压器型号，选择合理直径的钻头，且钻探较硬地层时，应经常检查钻头磨损情况，以保证成孔直径大于旁压器直径2 mm～5 mm为宜。

3)在砂类土或卵砾石地层中钻进时，应采取泥浆护壁钻进工艺，并配制合适稠度的泥浆，既要保证孔壁的直立性，又要尽量减少孔壁附着泥皮的厚度。

4)旁压器下孔时，要居中放置，尽量不触碰孔壁，防止将上部土体夹带到旁压器与试验点孔壁之间。

5)对旁压试验孔的钻进，应要求钻机操作人员严格按标准进行操作，相较于其他钻孔更应谨慎操作，尽量降低钻进过程对孔壁土体的扰动。

4 结语

成孔质量的好坏直接关系到旁压试验外业测试能否成功，对测试结果的可靠性有很大影响。作者利用实际工作经验并结合旁压试验原理，分析总结了不同孔壁状态下对试验结果的影响，并提出有效措施避免该影响，以保证旁压试验结果的可靠。

［1］ 林宗元.岩土工程试验监测手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［2］ 弗·巴居兰.旁压仪和基础工程［M］.卢世深，译.北京:人民交通出版社，1984.

［3］ 王长科.用旁压试验原位测定土的强度参数［J］.勘察科学技术，1992(6):25-27.

［4］ YS 5224—2000，旁压试验规程［S］.

The influence of pore form ing quality on the results of preboring pressuremeter test

Zhang Jun

(Xi’an Engineering Investigation and Design Research Institute of China NonferrousMetals Industry，Xi’an 710054，China)

Combining with the principle of pressuremeter test，this paper analyzed the influence of hole wall quality situation to pressuremeter test results from different stratum，different pore forming process，and put forward the solution and controlmethods，pointed out the pressuremeter test had simple equipment，easy to test，applied board formation，could made test to different depth stratum and other advantages.

pressuremeter test，pore forming quality，influence，soil

TU411

A

1009-6825(2015)29-0063-02

2015-08-02

张 军(1973-)，男，工程师