旁压试验在晋中至太原城际铁路勘察工程中的应用

刘如太

（中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，山西 太原 030031）

旁压试验是岩土工程勘察中的一种原位测试方法，具有测试深度大，不受地下水影响的特点，适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土或软岩等。与室内试验相比，具有快捷、测试指标可靠和能够反映地基土原始应力状态的优点。旁压试验经过多年的完善和推广，已广泛应用于铁路、公路和工民建等重要工程的岩土工程分析评价中，为地基基础方案的设计提供了可靠的参数。

本文介绍了在晋中至太原城际铁路勘察中的旁压试验和试验结果的处理方法。地基土为冲洪积成因的粉土、粉质粘土和砂土，通过试验获得了各测试点的旁压试验数据，通过试验成果分析得到了地基的力学和变形参数，并与室内土工试验和标准贯入试验得到的强度指标进行了对比，为工程的岩土工程分析及地基基础设计提供了土性参数， 可以为类似地基的原位试验提供参考。

1 旁压试验的原理

旁压仪由旁压器、加压稳压装置和量测装置等部件组成，并配试验成孔设备。其原理是利用加压稳压装置所加的气压传导测管水面，产生气压和水压传到旁压器三个腔，使弹性膜受压膨胀，旁压器在预先打好的钻孔中对孔壁施加横向压力，使土体产生径向变形，其压力值由压力表读出，变形量由测管水位下降值测得，根据所测结果绘制出压力和变形量的关系曲线(即旁压曲线)，据此确定土体的强度参数、变形参数和地基承载力等[1]。

2 试验过程

该旁压试验场地位于晋中市迎宾东街，测试段线路总长度约5km。本次旁压试验仪器为溧阳市戴埠仪器厂生产的PY-4型预钻式三腔式旁压仪，旁压器总长度为500mm，测试段长度为250mm，旁压器外径为57mm，中腔原始体积为491cm3。

本次试验进行了6个孔的测试，测试深度约30m。试验压力增量采用多级逐次加载的方法，各级压力下的观测时间，按30s、60s顺序记录测管水位下降值。当测管水位下降刚超过36cm(绝对不能超过40cm)时，立即中止试验，此时土体已产生破坏。

试验前对仪器进行了两种标定[2]：弹性膜的约束力标定和仪器综合变形标定。弹性膜的约束力标定是用来扣除由于弹性膜自身体积膨胀的压力损耗和在一定压力下仪器水位下降值损耗。方法是将旁压器竖立于测试现场的地面上，打开旁压器三个腔的阀门使其充水，当水充满旁压器并回返至规定刻度时，将旁压器中腔的中点位置放在与量管水位相同的高度，记下初读数。随后逐级加压，每级压力增量为10kPa，使弹性膜自由膨胀，量测每级压力下的测管水位下降值，直至测管水位下降值S达36cm时停止加压。根据记录绘制压力P与测管水位下降值S的关系曲线，即为弹性膜约束力标定曲线。仪器综合变形标定是在接长或缩短导压管和注水管时在测试现场进行的，目的在于确定测管中的液体在到达旁压器的主腔之前的液面损失值。方法是将旁压器放在标定筒内，然后将旁压仪逐级加压，压力增量为100kPa，一般加到800kPa以上终止试验。根据记录的压力P和测管水位下降值S绘制P-S曲线，曲线上直线段的斜率ΔS/ΔP，即为仪器综合变形系数a。

3 资料整理及试验成果分析

3.1 压力和测管水位下降值的校正

压力的校正，按公式P=Pm＋Pw－Pi计算[3]。式中：P为校正后的压力(kPa)；Pm为压力表读数(kPa)；Pi为弹性膜约束力(kPa)，由各级总压力(Pm＋Pw)所对应的测管水位下降值查弹性膜约束力校正曲线取得。

测管水位下降值的校正，按公式S=Sm－a(Pm＋Pw)计算。

式中：S为校正后的测管水位下降值(cm)；Sm为测管读数(cm)；a为仪器综合变形系数。

3.2 绘制旁压试验曲线

以校正后测管水位下降值S为纵坐标，校正后压力P为横坐标绘制曲线，绘制出的P－S曲线即为旁压曲线。典型的旁压曲线可划分为3个区：恢复区、似弹性区和塑性发展区，根据该曲线特征可以确定土体的特征值[4]：初始压力P0、临塑压力Pf和极限压力Pl，进而确定地基土的强度变形参数。

3.3 旁压强度参数特征值的确定

将旁压曲线直线段延长相交于纵轴，由交点作平行于横轴的直线相交于曲线，其交点所对应的压力为初始压力P0，旁压曲线直线段的终点所对应的压力为临塑压力Pf

[5]，将曲线用曲线板加以延伸，延伸的曲线应与实测曲线光滑自然地连，取S=2S0+Sc所对应的压力为极限压力Pl或把临塑压力Pf以后曲线部分各点的S取倒数1/S，作P－1/S曲线(近似直线)，在直线上取1/(2S0+Sc)所对应的压力为极限压力Pl。P0之前的曲线形态反映了成孔质量的好坏，其变形量越大，成孔质量越差；P0-Pf直线段，岩土体以压缩变形为主，反映了岩土体的弹性变形特点；Pf以后以剪切变形为主，随压力增大至Pl，变形剧增，表明孔壁周围土体开始破坏。

3.4 地基强度参数的确定

(1) 旁压剪切模量Gm。

式中：P0为静止土压力(kPa)；Pf为临塑压力(kPa)；Sc为旁压器中腔原始体积Vc所对应的测管水位下降值(为33.8cm)；S0为初始压力P0对应的测管水位下降值(cm)；Sf为临塑压力Pf对应的测管水位下降值(cm)。

(2) 旁压模量Em、变形模量E0和压缩模量Es。

旁压模量Em=2(1+μ)Gm，其中μ为泊松比[6]，砂土取0.3，粉土取0.35，可塑—坚硬状态的粘性土取0.38。

变形模量E0=Em/a，其中a为土的结构系数，与土的类型和固结状态有关，计算时对粉土、粘性土取2/3，砂土取0.5。

压缩模量Es=(1.5～2)Em

(3) 地基土承载力特征值fak。fak=Pf－P0

3.5 试验成果和对比分析

根据试验数据得到钻孔的P－S曲线，各测点的曲线基本完整，包括初始阶段、似弹性阶段、塑性变形阶段，曲线有明显的拐点，说明试验数据较可靠。表1列出了具有代表性钻孔和测点的特征值参数和强度参数，表2列出了由旁压试验得出地基土的压缩模量和地基土承载力特征值统计结果与室内土工试验、标准贯入试验结果对比。表2中根据标准贯入试验确定粉土和砂土的压缩模量采用经验关系式Es=(1～1.2)得出[2]，地基土的承载力特征值采用规范DBJ04-258-2008中附录J查表得出[3]。根据室内土工试验成果直接得出粉土和粉质粘土的压缩模量，根据孔隙比和含水量查表得出粉土的承载力特征值，根据孔隙比和液性指数查表得出粉质粘土的承载力特征值。三种方法得出的压缩模量和天然地基承载力特征值对比可知：由室内土工试验得出的结果偏低，由旁压试验和标贯试验得出的结果比较接近，也更接近实际情况。

4 试验影响因素分析[7]

4.1 成孔质量

成孔质量是影响旁压试验测试精度的关键因素。钻孔要直、孔壁要光滑，防止孔壁坍塌。在穿越易发生缩孔的软弱土层和易发生塌孔的砂性土层时应采用泥浆护壁，泥浆配比一般为1∶0.2～0.4，泥浆泵压力要控制好，压力过大会对孔壁造成冲刷，钻到试验土层时，要保持缓慢而稳定的钻进，尽量减少对孔壁土体的扰动，钻孔直径要比旁压器外径大2～8mm。

表1 旁压试验计算成果

表2 旁压试验参数统计结果与室内土工试验、标准贯入试验结果对比

4.2 旁压膜约束力

旁压试验时，克服旁压膜的约束力要消耗一定的压力，致使施加于土体的实际压力小于压力表压力和静水压力之和。故旁压仪首次使用、使用次数大于20次、环境温度有较大变化和放置较长时间使橡胶制成的弹性膜老化等情况时，旁压膜应进行校正或更换新弹性膜，减小压力误差对试验结果的影响。

4.3 试验时间

对于同一个孔，应每钻进一段进行一次试验，由上而下逐次进行。试验段成孔后应尽快进行，防止缩径和塌孔影响试验成果的准确性。因此，钻头提出后要尽快放下旁压器，并尽量缩短旁压试验的时间。在P-S曲线中发现有压力较大而测管水位下降很小时，说明钻孔缩径或砂土颗粒淤积的原因，旁压器已被土颗粒抱紧，此时应及时停止加压试验。

4.4 试验点选择和加荷等级

旁压试验点应布置在有代表性的位置和深度进行。为了避免相邻试验点的应力影响范围互相重叠，两试验点间的竖向间距应不小于1.0m或不小于旁压器膨胀段长度的1.5倍。旁压器的量测腔应在同一土层内，当上下两层土的软弱相差很大时，会造成试验中弹性膜的破裂。应根据已有钻孔的地层资料，选择代表性的土层进行旁压试验，在土质不均和夹层较薄时，不宜进行旁压试验。

加载等级的大小影响测试点的多少和试验成果的精度。在试验中，在不同土类的地基中选择合适的加载等级是十分重要的，一般宜取预估临塑压力的1/5～1/7，在加荷初始阶段加载等级可相对密一些，土体发生破坏后加载等级可相对较稀，这样可以提高试验效率和试验精度。

5 结论

旁压试验具有快捷、测试指标可靠和能够反映地基土原始应力状态的特点，能够较为客观地反应地基土的强度和变形指标，其成果可用于评价地基土的承载力、压缩模量和变形模量等。同时旁压试验成果受成孔质量、旁压膜约束力、试验时间、试验点选择和加荷等级等因素的影响也比较大，在试验过程中应严格按照试验规程，确保试验数据的准确可靠。

【参考文献】

[1]杨期祥，巫锡勇，廖昕，等.贵州软土地基中旁压试验的应用及成果分析[J].公路，2016(2)：34-40.

[2]代卫强.旁压试验在苏通大桥详勘工程中的应用[J].水运工程，2006，9(9)：100-101.

[3]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)：888.

[4]余刚.旁压试验在深圳地铁岩土工程勘察中的应用[J].四川建材，2010，36(1)：253.

[5]朱碧辉.第七章 旁压试验[M/OL][2017-04-26]http://wenku.baidu.com/view/2ebaba212f60ddccda38a0eb.html.

[6]孙敬，詹松，钟嘉高.旁压试验在地铁工程勘察中的应用[J].资源环境与工程，2016，20(5)：527-528.

[7]赵明强，马军鹏，羊小云.预钻式旁压试验在某板桩码头工程地质勘察中的应用[J].港口技术，2012，49(2)72-73.