旁压试验在工程勘察中的应用

姚 金

(广州地铁设计研究院有限公司,广东 广州 510010)

旁压试验在工程勘察中的应用

姚 金

(广州地铁设计研究院有限公司,广东 广州 510010)

介绍法国梅纳尔G-AM型旁压仪的工作原理、工作要点。通过选取广州地铁14号线工程上一旁压试验点进行实例分析,详细介绍旁压试验的数据整理和计算方法。实例计算参数与标贯计算结果及规范建议值吻合较好,说明旁压试验能较准确地获取岩土层地基承载力、变形模量及基床系数等工程参数,值得推广。

旁压试验;旁压模量;基床系数;地基承载力

广州地铁从上世纪90年代初期开工建设地铁1号线到现在已历经20多年的发展,地铁勘察积累了丰富的经验。随着线网建设的扩大及建设工艺技术的发展,对工程参数也相应的要求更加准确。如对岩土层的变形模量、基床系数等参数,盲目地采取相关规范的经验值,其结果常偏于保守,甚至与实际情况不符[1]。为此,旁压试验作为岩土工程勘察中的原位测试技术之一已在广州地铁勘察中得到广泛应用,较好地保障了地铁勘察工程参数的准确性。旁压试验广泛适用于粘性土、砂土、碎石土、软质岩石和风化岩石,通过试验可以得到岩土层的初始压力、临塑压力、极限压力以及旁压模量等力学指标。

1 试验原理和工作要点

1.1 试验原理

旁压试验是一种对现场地基土的力学参数进行原位测试的试验,测试原理是借助于旁压器的径向膨胀,中室所在部位能对孔壁产生均匀的压力,此压力按规定的相等时间间隔增加,同时记录下压力和钻孔膨胀量,从而反映出地层土质的工程力学性能[2]。依据试验利用钻孔成孔形式可分为自钻式和预钻式。试验中使用仪器为法国路易斯·梅纳尔公司G-AM型预钻式三腔旁压仪,主要仪器参数包括：旁压器类型为NX型,旁压器中腔长度为20 cm,旁压器半径为3.5 cm,测量水柱截面积为15.3 cm2,固有腔体积为790 cm3。

1.2 工作要点

旁压试验工作为工程勘察现场进行原位测试的手段,测试技术人员必须熟悉所用仪器操作步骤和工作原理,严格按现行规范、规程进行,工作过程稍有疏忽就有可能导致试验的失败而造成不必要的经济损失和时间延误。根据旁压试验特点及工程经验,归纳以下几个工作要点:

(1) 试验钻孔宜选择在离已有技术孔0.5～1.0 m范围内成孔,太近土体可能受原技术孔成孔或其他试验的扰动,离太远可能地层有所变化,试验点的位置选择及质量难以保证。

(2) 试验钻孔要与拟使用的旁压器直径相匹配,要求孔径只能大于旁压器直径3～6 mm。成孔宜采用三翼钻头以回转湿式钻进,地下水位较高时,钻孔成孔时需用膨润土护壁,泵压控制在0.6 MPa左右,使转速控制在30 r/min以内。

(3) 根据旁边技术孔地层情况按规范或工程技术要求选定试验点位置即旁压器中室对应位置,试验点不允许选在地层分层位置,否则易因压力不均而导致中室膜或套膜破裂。根据试验地层情况选择合适的保护套,这样可以减少模套被扎破的危险。一般软、粘土采用橡皮套,而砾砂、含岩块的风化岩层则选用带金属丝的帆布护套。

(4) 试验前根据土的力学特性或者试验经验估算出各层土的极限压力,将其分成8～12个压力阶段,分级加压。在不同分级压力下按15 s、30 s、60 s读数,当体变>700 cm3或压力已达极限时终止试验。

(5) 试验结束后,需先排水后排气,待2～3 min后探头外膜收缩到原始状态,再将探头提出孔外,取探头时需把导管和探头同步向上提,避免导管缠绕在钻杆和探头上而导致导管破损。

2 膜套约束力标定

旁压器外的膜套不仅起到保护内膜的作用,而且更主要的是上室与下室的膨胀延长了中心室的压力区,使中室膨胀的地层处于平面应变状态,从而较好地测出应力与应变指标。理论上，旁压试验时旁压器中室作用在试验土层上的压力应该是水回路的压力加水头压力,但实际上要小于上两项之和,这是因为旁压器膜套本身具有约束力，膜套在膨胀过程中克服约束力要消耗一部分压力。通过约束力标定知道其大小后,从水压回路压力与水头压力之和中减去约束力即是真实作用在试验土层上的压力[3]。

标定膜套约束力时,将旁压器直立于地面,给中室充水,把中室里的空气全部排出,在控制压差为-100 kPa情况下,严格按照旁压试验操作程序进行标定试验。每级加压量要小,一般为20 kPa,等级加压。每加一级压力要在1 min的前15 s内加完,读30 s和60 s时的体积变化量,使用60 s时的读数。到60 s时即加下一级压力,每级压力从加压至下一级加压仅1 min,当充水量达650 cm3左右,即可结束试验,防止膜套因膨胀过大而爆破。新装配的膜套要作两次约束力标定,取后一次标定曲线用于旁压试验[4]。图1为实测膜套约束力标定试验曲线。

图1 实测膜套约束力标定曲线(P-V曲线)Fig.1 Restraint calibration curve of measured membrane set

3 数据整理及实例分析

3.1 数据整理

旁压试验数据整理主要是对野外试验获得的测点各级压力值和对应的15 s、30 s、60 s体积结合钻孔水位深度、旁压器套膜约束力标定曲线进行分析计算,从而得到测点土层的初始压力(P0)、临塑压力(Pf)、极限压力PL。具体步骤如下:

(1) 在P-V曲线上作出与此相应的膜套约束力和P-(V60″-V30″)的蠕变曲线。

(2) 在P-V曲线上确定旁压器紧密接触孔壁点,即土体进入似弹性变形的起始点。此点对应的压力P0,它可近似的表示为原位状态的水平应力,相应的体积变化量为V0。确定P0点的方法有三种:①在P-V曲线上直观地找出明显的第一拐点。②用直尺确定出P-V曲线上的第一直线段,此直线段的起始点。③在P-V曲线上与蠕变曲线的第一折点相对应的点。在确定P0点时要综合考虑以上三方面的因素。

(3) 在P-V曲线上确定蠕变压力Pf,与蠕变曲线的第二折点相对应的压力为Pf,同时还要参考P-V曲线的形态。

(4) 在P-V曲线上V=2V0+VC对应的压力即为Pl,当V值小于V=2V0+VC时,可将P-V曲线按趋势延长,使V=2V0+VC,从而定出Pl值,或在倒数坐标纸上用最后两级压力和体积标出两点,连接两点的直线延长至V=2V0+VC处,此点所对应的横坐标压力即为Pl。

3.2 实例分析

广州市区基岩多为白垩系红层,在广州地铁勘察中红层最为多见,隧道埋深常设计处于红层残积土层或其全、强风化岩层中,勘察、设计单位对于该类岩土层岩土参数尤为关注。以下选取在广州14号线初步勘察阶段MNP2-B52#孔的残积成因粉质粘土(5N-2)层试验的数据来进行数据处理的说明和分析。

MNP2-52#孔地下水位为2.90 m,试验点深度4.5 m。粉质粘土(5N-2)为棕红色,以粉粘粒为主,为粉砂岩风化残积土,含少量、较多细砂,局部残留较多砾石,硬塑,标贯试验击数为21击,层厚为1.8 m。图2为该层旁压试验的P-V曲线及P-(V60″-V30″)的蠕变曲线。

从图中可以很直观地读出各阶段的压力和体积值,特别说明的是图2为利用野外数据直接成图,未进行压力校正,图中读取的数据初始压力、临塑压力需加上静水压力和减去对应体积时的约束标定压力即为对应P0、Pf值。计算后P0=84 kPa,Pf=539 kPa,对应体积为V0=107 cm3,Vf=215 cm3,Vl=275 cm3,采用最后两测点延长直线方法计算Pl=987 kPa。

以上所得结果可利用以下公式计算旁压模量Em、剪切模量Gm、变形模量E0、压缩模量Es和水平基床系数Kh等岩土参数[5]。

图2 P-V曲线和P-(V60″-V30″)的蠕变曲线图Fig.2 P-V curve and P-(V60″-V30″) creep curve

(1) 旁压模量Em计算:

①

(2) 剪切模量Gm计算:

②

(3) 承载力标准值f0计算:

采用临塑荷载法确定,f0=(Pf-P0)。

③

(4) 变形模量E0计算。采用机械部勘察研究院提出的公式④计算:

④

(5) 压缩模量Es计算:

地区经验公式Es=4.78+0.82Em。

⑤

(6) 水平基床系数Kh。采用由王长科等人提出的公式⑥计算：

⑥

式①-⑥中:Em为旁压模量;μ为泊松比(取0.33);Δp为压力增量;ΔV为体积变化的增量;Vc为旁压器本身的固有体积;Vm为平均增加体积；Pf为临塑压力;P0为初始压力;Pl为极限压力;V0为初始体积;r0为钻孔初始半径。

按以上公式计算得该点旁压模量Em=7.63 MPa,剪切模量Gm=4.01 MPa,承载力标准值f0=455 kPa,变形模量E0=31.85 MPa,压缩模量Es=11.04 MPa,水平基床系数Kh=151.79 MPa/m。表1为本次试验所得参数与标准贯入度试验计算值及地区经验值对比表。

从表1可以看出旁压试验计算的侧向基床系数比标贯计算值和规范建议值要大得多,与实际工程也存在巨大的差别。这主要是因为采用公式⑥求出的Kh值为旁压试验弹性阶段的侧向基床系数,而实际工程中的Kh值多处于弹—塑性阶段或塑性阶段,故以此计算出的Kh偏大很多。在该工程中若需应用旁压试验水平基床系数,建议应根据不同的土性、应力条件、工况和变形量或依据其它试验测试成果数据等选择对应的修正系数。建议地铁勘察中,粘性土及全、强风化岩层,其修正系数可采用0.25～0.35;饱和的砂土层,其修正系数采用0.20～0.30,修正后的侧向基床系数值Kh处于规范值范围内,仍能较好地反映出土体参数。据此,该点侧向基床系数值Kh选择系数0.3进行校正后所得值为45.5 MPa/m,符合规范建议值范围,也与标贯计算值相近,可供设计参考使用。

表1 岩土参数对比一览表Table 1 Schedule of geotechnical parameters comparison

4 结论及建议

(1) 旁压试验成果受到诸多因素的影响,如试验钻孔的孔位、成孔质量,技术人员水平,计算公式的选择等,稍有疏忽就有可能导致试验失败,影响试验结果。地下岩土体性质千差万别,单一试验方法或依靠工程经验很难掌握较准确的岩土参数,因此,多种试验方法的对比分析非常重要。

(2) 通过对选取的试验点实例分析,说明旁压试验是能够较准确地获取有关岩土层参数的原位测试方法,值得推广。

(3) 当前被广泛用于参数计算的经验公式不尽完全适应,如计算基床系数时,就需根据不同的边界条件,引入合适的修正参数,这也说明旁压试验方法还需广大技术工作者进一步研究。

[1] 刘志强,刘兴云,谢碧波.旁压试验在地铁勘察中的应用[J].广州建筑,2006(5):37-40.

[2] 李仁美.旁压试验在隧道工程原位测试中的应用[J].路基工程,2008(4):131-133.

[3] 石祥锋,蔡美峰.地铁工程地基的旁压试验研究[J].河南理工大学学报,2007(1):69-72.

[4] 苏兆锋,张辉,谢昭晖,等.旁压试验在滨海相地区港口勘察中的应用研究[J].工程勘察,2010(增1):867-871.

[5] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2007:252-258.

(责任编辑：陈姣霞)

YAO Jin
(GuangzhouMetroDesignandInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510010)

Application of Pressuremeter Test in Engineering Investigation

The paper describes the working principle and key point of France Menar-G-AM side pressure gauge.The paper detailedly introduces data processing and calculation methods of pressuremeter test by an example of study site of pressuremeter test in Guangzhou Metro Line 14.Example calculation parameter are good agreement with standard penetration results and standardizing values.It indicates that pressuremeter test can obtain more accurate subgrade bearing capacity of rock layers,deformation modulus,subgrade coefficient,and other engineering parameters.It is worth popularizing.

pressuremeter test;pressuremeter modulus; subgrade coefficient; subgrade bearing capacity

2014-11-21；改回日期：2015-02-13

姚金(1981-)男,工程师,硕士研究生,地球探测与信息技术专业，从事工程勘察与工程物探工作。E-mail:yaojin_2007@sina.com

TU413； U231+.1

A

1671-1211(2015)02-0198-04

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1045.011.html 数字出版日期:2015-02-04 10:45