旁压试验在砂砾石地层中的应用

李青山

（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队 新疆 昌吉 831100）

1 引言

近年来，新疆现行勘察的大型水利工程大多位于河流上游，深山河谷中。这些坝址的地层特点有：由于坝址在河谷中，覆盖层深度达几十米到上百米；覆盖层中地下水位高，沿河流方向渗流量大，部分河床覆盖层有分层的承压水；覆盖层由碎石土、砂砾、卵砾、漂卵砾石层组成，一般都有深厚的砂砾石或者砂卵砾石层覆盖层覆盖，其特殊性是：结构性弱，很难取得原状样；颗粒分选性差，级配良好，大小不同的砂砾石相互交替，形成水平排列的透镜体或不规则的夹层。其粒径组成颗粒极不均匀，特别是新疆河流中的漂卵砾石含量较大。为了对工程区砂卵砾石的基础力学性质随深度的变化规律进行研究，旁压试验被越来越多的引入水利工程基础勘察研究中。

旁压试验是现场原位测试方法之一，可以直接在土层中进行，具有原位、准确、测试深度大等特点。它是利用可膨胀的圆柱形旁压器在预钻孔内对孔壁施加压力，使孔壁产生变形。通过控制装置测出压力和相应的变形，从而得到土体变形和压力的关系曲线，即旁压曲线，根据旁压曲线计算各岩(土)层的旁压模量值及极限压力。其优点是：可以测定难以取得不扰动土样的有关工程力学性质；避免取样过程中应力释放的影响；测试土样的影响范围比室内试验大，代表性强；缩短地基土层勘察周期；测试方便，不受地下水位限制，与室内试验相比，试样大，扰动小。

2 关于砂砾石进行旁压试验的简要介绍

2.1 测试方法

针对该水利工程中砂砾石覆盖层开展旁压试验的特点，对旁压试验进行了以下改进：

（1）考虑到该工程河床砂砾石层的特性，试验方法采用预钻式。

（2）试验段一般选择在砾径较小的孔段，试验孔采用SM植物胶护壁，钻进中首先以Ф77非标金钢石钻头钻进，每次进尺2.0m。如发现适于试验部位或砂层透镜体，立即下旁压仪探头进行试验，否则对已进尺部位换大一号钻头进行扩孔至距孔底0.5m处，再换Ф77非标金钢石钻头钻进，如此逐米寻找试验部位。试验点的垂直间距不小于2m，试验孔与其它钻孔的水平距离不小于1m。

（3）试验采用法国梅纳尔公司生产的GA型旁压仪，探头用BX型(Ф60mm)，并结合开缝保护钢管 (Ф76mm)，探头初始体积为535cm3。

2.2 旁压试验参数的计算

旁压曲线，即根据弹性膜及开缝钢管标定曲线。对试验的压力和体积修正后，绘制p～V曲线，典型旁压曲线见图1，典型标定曲线见图2。根据旁压曲线可求得旁压曲线的特征值旁压模量Em、原位水平土压力p0、临塑压力pf、极限压力pL。并由此确定旁压模量Em，推算变形模量E0、旁压变形参数Gm和地基土承载力特征值fak等指标。对于未测得极限压力的部分试验点，采用与标准旁压曲线拟合的方法求取极限压力。

3 新疆某水利工程的旁压试验成果

该水利工程是一座以灌溉为主兼顾发电的枢纽性工程，坝址河床砂砾石覆盖层厚度在100m～120m之间，本单位于2011年10月～2012年3月在现场完成了钻孔旁压试验。各钻孔旁压试验成果见表1。

图1 典型旁压曲线（ZK50深31.25m）

图2 1-1#模标定曲线

表1 趾板线覆盖层旁压试验成果表

本次在坝址趾板线河床覆盖层共进行了2个旁压试验钻孔，按地质资料，坝址河床覆盖层由上至下可分为二大层：第Ⅰ层为全新统漂卵砾石层（l）；第Ⅱ层为中更新统冰水沉积卵砾石层l)。

将趾板线河床覆盖层Ⅰ、Ⅱ层的旁压试验测试成果采用SL237-1999《土工试验规程》附录A试验数据的整理规定进行统计，统计分析后的标准值作为推荐值。

第Ⅰ层为全新统冲积漂卵砾石层（Q4al）：共进行2点旁压试验，旁压模量Em为 12258.1kPa～24575.3kPa，平均值为18416.7kPa；变形模量E0为61290.5kPa～122876.7kPa，平均值为 92083.6kPa。因只有两组数据，无法进行标准值计算，故取平均值为推荐值。第Ⅱ层为中更新统冰水沉积卵砾石层(Q2fgl)：共进行40点旁压试验，旁压模量 Em为 6660.7kPa～201903.5kPa,平均值为98440.6kPa，推荐值为81386.9kPa；变形模量E0为33303.5kPa～443241.9kPa，平均值为256160.8kPa，推荐值为222321.6kPa。

4 试验总结及成果分析

（1）成孔的质量对砂砾石中旁压试验的成果准确性有重要影响。如成孔偏大或孔壁沙砾石严重扰动，由于仪器注水体积的限制，试验往往达不到极限压力所需的体积，试验就因探头膨胀体积达到极限而终止，试验无法测出极限压力，进而无法求出其他相关参数。如孔中试验段是穿过沿钻孔轴向50mm的漂卵砾石，则试验很可能由于仪器压力限制，往往发生达到仪器的极限压力而没达到该次旁压试验的极限压力，并且极易发生测试腔因变形不均匀而爆炸。但上述两类情况只要试验超过临塑压力，就可以采用曲线外推法直至最大体积增量值VL（VL=Vc+2V0，Vc为旁压器中腔初始体积，V0为孔穴体积与中腔初始体积的差值）,取对应VL的压力为极限压力pL；有时也可根据经验关系pL=1.8pf～2.0pf来估算。

（3）从旁压试验实例试验成果看，成果的影响因素复杂使得对测定值的准确判断造成一定的困难。如旁压试验数据在部分相邻近的试验点上存在很大差异，所以旁压试验与砂砾石其他物理性之间的关系是建立在整体统计数理分析上的。建议应同一旁压试验区域，采用相隔几米同时开两个孔，一个进行试验，一个为取芯孔，以为试验孔作地层参照。同时因对取出的芯样进行颗粒分析试验，以作为对测定值的准确判断的一种参考。

（4）由试验成果可知，试验符合砂砾石地层实际情况，即在同一种砂砾石覆盖层中旁压模量Em和变形模量E0大体上随深度而增加，越深覆盖层越密实。但根据试验推算的地基承载力值明显大于工程地质手册（第四版）记载的各种碎石土承载力特征值，造成这种差异的原因有待试验研究，但个人认为其数值异常可能与新疆砂砾石地层的特殊性有关（如颗粒大小、形状、沉积方式、排布方式、颗粒级配等）。因此在砂砾石中进行旁压试验得到的各项参数，应仅供参考，不应作为工程基础设计数据。陕西水利

[1]SL237-1999，土工试验规程[S].中国水利水电出版社.1999.

[2]常士膘，张苏民.工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]石林珂，孙文怀，赫小红等.岩土原位测试[M].郑州：郑州大学出版社.2003，9.