旁压试验在郑州轨道交通岩土工程勘察中的应用

旁压试验在郑州轨道交通岩土工程勘察中的应用

于新政1, 刘汉东2, 石守亮1, 何建锋1, 郭小帅1

(1.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003; 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

摘要：旁压试验的特点是测试深度深、不受地下水影响,已经成为岩土工程勘察的重要手段之一,广泛应用于轨道交通、桥梁等大型岩土工程勘察中.以郑州市轨道交通岩土工程勘察为例,通过旁压试验,综合分析试验结果并据此测求试验土层的物理力学参数(地基承载力、变形模量、压缩模量、抗剪强度等),并与标准贯入试验、静力触探试验、室内土工试验的测试结果进行对比分析,得出了旁压试验在郑州地区类似工程勘察中的推荐计算公式和参数,即承载力计算采用极限荷载法，安全系数可取2.0；压缩模量可运用公式(4)计算；抗剪强度可采用公式(6)计算.

关键词：旁压试验;轨道交通;原位测试;岩土工程勘察中图分类号：TU413文献标识码：B文章编号：1002-5634(2015)03-0068-04

收稿日期:2015-03-19

作者简介：张利平(1960—)，女，青海大通人，教授，硕士生导师，主要从事汽轮机发电机组故障诊断及运行方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.017

旁压试验是工程地质勘察中的一种原位测试手段,可以对预定深度的岩土层进行水平向加载试验,使孔壁岩土体产生径向变形直至破坏,利用仪器量测压力和变形的关系,据此可以测求地基土的力学参数[1-6],得到相应岩土体的临塑压力和极限压力,还可以用来确定土和软岩的旁压模量等变形参数.旁压试验广泛用于难度较大的重要工程地质勘察中,已经成为岩土工程勘察的重要手段之一.

在郑州市轨道交通2号线一期工程勘察过程中做了大量的旁压试验,通过试验结果分析确定各试验土层的地基承载力、变形模量、基床系数等重要参数,并与标准贯入试验、静力触探试验、室内土工试验得到的相关物理力学参数进行对比分析,为工程可行性分析及设计提供可靠的岩土参数.

1工程概况

1.1　工程地质条件

根据勘探揭露地层,此次旁压试验涉及到的地层主要分述如下：

1.2　旁压试验

在了解地层分布的基础上,合理布置有代表性的试验点,保证旁压器的量测腔在同一土层内,综合考虑地层岩性及钻探特点,每区间共布置了4个旁压试验孔,每个孔选取4个点进行旁压试验.旁压试验可按照《PY型预钻式旁压试验规程》(JGJ 69—1990)[2]中有关规定进行操作,具体步骤如下：

1)钻机成孔.孔壁要竖直光滑,为防止孔壁坍塌,宜采用泥浆护壁.

2)加压试验.读取试验初读数后,将旁压器放入钻孔预定试验位置,读取静水压力,然后打开氮气加压开关,分级进行加压试验.分别在15、30、60 s时读取每级压力的压力表读数,并记录量管中的水位变化.

3)当试验曲线进入明显塑性区域或达到10%应变时,终止试验.

4)为对比分析旁压试验结果,在距旁压试验钻孔2～3 m处重新钻孔,进行标准贯入试验、静力触探原位测试等对比试验,同时取原状土样进行室内土工试验.

2试验结果综合分析

2.1　原位测试与室内试验结果汇总

岩土体物理力学指标是随机-模糊变量,它的分布服从随机-模糊概率分布[7-8].根据测试结果,采用随机模糊方法进行统计分析,各岩土层旁压试验、标贯试验、静力触探试验、土工试验的测试结果汇总见表1.

表1　试验结果汇总

2.2　试验结果的应用

根据旁压试验结果,可求得各土层的力学参数,如地基承载力、旁压模量、变形模量、压缩模量、抗剪强度等.利用旁压试验、标贯试验、静力触探试验、土工试验分别求得各土层力学参数,并进行对比分析,从而得到旁压试验在郑州地区类似工程勘察中的推荐公式和参数.

2.2.1地基承载力

根据旁压试验确定地基承载力fk的常用方法[9-13]有两种：

1)临塑荷载法:

fk=Pf-P0;

(1)

2)极限荷载法:

fk=(Pl-P0)/F.

(2)

式中:fk为地基土容许承载力,kPa;F为安全系数,在2.0和3.0之间,这里取2.0.

表2为旁压试验两种方法确定得到的地基承载力与标贯试验、静力触探、室内土工试验得到的地基承载力fk的对比结果.

表2　各种测试方法得到的地基承载力综合对比　kPa

根据表2结果对比分析可知:①旁压试验采用极限荷载法得到的地基承载力与其他测试手段得到的承载力更为接近,这是因为其他几种手段得到的数据都是以土体的极限破坏为测试准则,为了工程中便于分析,建议郑州地区旁压试验采用极限荷载法进行地基承载力分析;②旁压试验作为一种原位测试手段,测试出的地基承载力与其他测试手段得到的地基承载力结果基本一致,与该地区工程经验和设计采用的数据基本相符.因此,旁压试验是一种很有效的原位测试手段.

2.2.2各岩土层变形参数

通过旁压试验,可直接求得地基土的旁压模量Em,并根据Em求得地基土的变形模量E0.

根据文献[1]确定土体旁压模量Em和变形模量E0的关系,公式如下:

E0=K1Em.

(3)

式中K1为旁压模量与变形模量之间的比值.

对于黏性土、粉土和砂土：

K1=1+61.1m-1.5+0.006 5(V0-167.6),

m=Em/(Pl-P0).

式中:m为旁压模量与旁压试验极限压力的比值,为偏安全考虑,当m<6时,取K1=5;V0为对应于初始压力P0的旁压器中腔的体积,cm3.

依据文献[1],土体旁压模量Em与压缩模量Es之间的关系式为

Es=K2Em.

(4)

其中K2为压缩模量与旁压模量之间的比值,依据文献[1]及此次测试岩土层的物理力学性质,取2.5.

依据文献[12],黏性土旁压模量与压缩模量的关系为

Es=2.092+2.52Em.

(5)

根据上述公式,由旁压试验结果计算出的变形参数与其他测试方法得出的变形参数见表3.

表3　各测试方法得到的各岩土层变形参数对比　MPa

由表3分析可知,通过旁压试验采用公式(4)计算得到的压缩模量与通过静力触探试验计算得到的压缩模量较为接近,而二者计算得到的压缩模量都比室内土工试验得到的压缩模量大,这与室内土工试验在取样、运输以及切样过程中土样均不可避免地受到扰动有关,也说明了静力触探和旁压试验作为原位测试手段更能反映土体的原始应力状态.

根据旁压试验计算压缩模量,对比公式(4)和公式(5),由于公式(4)计算结果更接近于静力触探和室内土工试验结果,建议工程中采用公式(4).

2.2.3土层强度参数

旁压试验可以根据试验结果推算土体的抗剪强度,梅纳德提出估算黏土不排水抗剪强度CU的公式[9],即:

CU=(Pf-P0)/5.5.

(6)

砂土内摩擦角的确定采用Muller(1970)公式[6],即:

φ=5.77ln((Pl-P0)/180)+24.

(7)

根据上述公式,由旁压试验结果计算出的强度参数与其他测试方法得出的强度参数见表4.

表4　旁压试验与土工试验得到的剪切强度指标

由表4可知,采用公式(6)计算黏性土不排水抗剪切强度和室内土工试验相差不大,可以作为勘察的一种补充手段.但是粉土、粉砂的抗剪切强度与土工试验结果相差较大,这是由于此次试验采用的是预钻式旁压仪,在钻进成孔过程中,对孔壁土体造成扰动较大,如果采用自钻式旁压仪试验,测试精度会有一定程度的提高.

3结语

1)旁压试验作为原位测试手段,用于工程地质勘察中,能够较好地求解深层岩土层的地基土承载力参数、变形模量、弹性模量等地基主要岩土参数,是岩土工程勘察中的一种有效勘察手段,可大力推广应用.

2)对于旁压试验结果的分析与利用,现阶段多参照国外推导的公式或者部分地方的经验公式,实际应用时,应该根据不同地区的工程地质特点,选择符合本地区的计算公式或根据经验进行必要的修正.根据郑州轨道交通应用的情况:承载力计算选用极限荷载法,安全系数K可取2.0;压缩模量可选用公式(4)进行计算;采用旁压试验计算抗剪强度CU时,可采用公式(6).

3)采用预钻式旁压试验时,由于孔壁扰动,特别是砂类地层,部分计算指标会失真,应注意区分,若具备条件，建议采用自钻式旁压仪进行试验.

参考文献

[1]常士骠,张苏民.工程地质手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]常州市建筑设计院.JGJ 69—90 PY型预钻式旁压试验规程[S].北京:中国标准出版社,1990.

[3]苏兆锋,张辉,谢昭辉,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(增刊1):867-871.

[4]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].岩土力学,2003,24(6):887-891.

[5]韩信,张敏静,孙永香.旁压试验有关问题的探讨[J].公路,2008(9):286-289.

[6]石祥锋,汪稔,张家铭,等.旁压试验在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(增刊1):4442-4445.

[7]颜廷松,刘爱玉,邓奕航.岩土力学参数的可靠性检验[J].华北水利水电学院学报,2003,24(3):50-52.

[8]黄志全,李华晔,姜彤.岩体力学参数取值的置信度研究[J].华北水利水电学院学报,1997,18(4):14-18.

[9]顾国荣,陈晖.旁压试验成果应用[J].上海地质,1996(4):20-30.

[10]任建喜,贺小俪,刘朝科,等.旁压试验在西安地铁岩土工程勘察中的应用研究[J].铁道工程学报,2013(11):98-101.

[11]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.

[12]铁路部第四勘测设计院.TB 10018—2003铁路工程地质原位测试规程[S].北京:中国铁道出版社,2003.

[13]南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京:人民交通出版社,2003.

Application of Pressuremeter Test to Geotechnical Investigations of Zhengzhou Rail Transits

YU Xinzheng1, LIU Handong2, SHI Shouliang1, HE Jianfeng1, GUO Xiaoshuai1

(1.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China；

2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The pressuremeter test characterized by a deeper test depth and without affected by groundwater, has become one of the important means of geotechnical investigations and is widely used in large geotechnical investigations of rail transits, bridges and so on. For geotechnical investigations of Zhengzhou rail transits, the pressuremeter test was conducted, the physical and mechanical parameters of test soils were measured based on the comprehensive analysis of experimental results, such as bearing capacity of foundation, deformation modulus, compression modulus, shear strength, and so on. Compared with the results of standard penetration test, static cone penetration test, indoor soil test, the recommended formulas and parameters of pressuremeter test in the similar geotechnical investigations in Zhengzhou area were obtained, namely, the calculation of bearing capacity can adopt ultimate load method, then the safety factor can be 2.0, the calculation of compression modulus can adopt equation (4), and the calculation of shear strength can adopt equation (6).

Keywords:pressuremeter test; rail transit; in-situ test; geotechnical investigation

(责任编辑：乔翠平)

王夕阳(1989—)，男，河南开封人，硕士研究生，主要从事汽轮机发电机组故障诊断及优化运行方面的研究.