旁压试验在轨道交通卵石层勘察中的应用

李建宏，魏 峰

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

旁压试验（PMT）是近几十年来在国内外岩土工程中得到迅速发展并成为成熟的一种原位测试手段和方法。由于其试验方法具有简单、灵活、方便、准确等特性，其试验成果在国外工程设计中已被广泛应用。我国自八十年代以来，旁压试验也得到了较为广泛的应用，至今已积累了相当的经验，也逐渐成为岩土工程勘察中的主要方法之一。

旁压试验分为预钻式、自钻式和压入式三种旁压仪，国内目前以预钻式为主，其原理是通过旁压腔对孔壁施加横向均匀压力，使孔壁土体发生径向变形直至破坏，利用量测仪器量测压力与径向变形关系，推求地基土力学参数。预钻式旁压仪适用于孔壁能保持稳定的粘性土、粉土、砂土、碎石土、风化岩和软岩。

旁压试验的成果应用：

（1）旁压试验可用于确定土的临塑压力Pf和极限压力PL，以评定地基土的承载力fk。

（2）确定土的旁压剪切模量GM和旁压模量Em，用以估算土的压缩模量ES。

（3）确定静止土压力P0和静止土压力系数K0。

（4）估算软粘土的不排水抗剪强度以及估算地基土强度、单桩承载力和基础沉降量等。

近年来，国内研究表明：采用旁压试验成果确定地基土承载力、估算单桩极限承载力与基础沉降量，其计算精度和安全度与现有其他方法相当或更接近与工程实测值[1，2]。

1 目前卵石层勘察现状

在工程勘察中，由于卵石层难以采取原状样进行试验，目前在工程勘察中获取较为准确参数的试验测试方法较少，手段较为单一，一般采用现场载荷试验以及动力触探试验的方法来判定、估算卵石层的有关力学参数。

现场载荷试验可以较为准确的了解浅层卵石层的有关力学参数，但其费用较高，工期较长，施工难度较大，在现场工程勘察过程中考虑勘察费用及工期的要求，目前在兰州地区开展的较少。

圆锥动力触探试验（DPT）是目前卵石勘察中使用较为普遍也较为成熟的一种现场原位测试手段，根据圆锥动力触探数据，可以估算承载力以及变形模量等指标。但根据我们多年已有经验，兰州市七里河盆地卵石层动探（N63.5）一般贯入较为困难，大多数情况下打不动，采用N120效果也不是很好。

根据区域地质资料，兰州市七里河盆地地区卵石层厚度一般达2～300 m，卵石层是该地区各种建筑物的主要基础持力层，如何在勘察中现场获得较为准确的卵石层的力学参数为设计服务，而不是靠查表借鉴经验值甚至勘察人员拍脑袋的办法提出参数建议值，是七里河卵石层工程勘察中需要解决的主要问题。

本文主要根据兰州市城市轨道交通一号线马滩车站—七里河车站段岩土工程勘察实际，介绍旁压试验在兰州市七里河盆地内卵石层工程勘察中的具体应用，为以后卵石层中工程勘察积累经验。

2 旁压试验在兰州市七里河盆地卵石层勘察中的应用

2.1 仪器设备

本次勘察中旁压试验采用江苏省溧阳市天目仪器厂生产的PM-1B型预钻式旁压仪，最大试验压力3.0 MPa，采用自动数据记录仪，见表1。

表1 PM-1B型预钻式旁压仪主要技术指标

2.2 旁压试验曲线的绘制

试验得到的土体压力与变形的对应关系,用曲线有几种表示方法。即压力孔壁土被压缩的体积变化量，P-V曲线；压力孔径径向变化值，P-r曲线；压力表示孔壁土体积压缩的测管水位下降值，P-S曲线。这些曲线所表示的含义是一样的，它们之间有固定的转换关系。本次勘察时采用P-V曲线与P-S曲线进行表示，见图1、图2。

图1 卵石层P-S曲线

图2 卵石层P-V曲线

2.3 特征值的确定和计算（以图2曲线为例）

利用旁压试验确定地基土参数,首先要从旁压试验的P-V曲线求取特征值。这里:P0地层原始水平压力；Pf临塑荷载；PL极限荷载。

（1）V0为P-V曲线的直线段延长与V轴相交,其交点定义为V0；

（2）P0为从V0引水平线与P-V相交,交点对应的压力为P0；

（3）Pf相应于P-V曲线的直线段末端的临塑荷载；

（4）Vf为相应于P-V曲线的直线段末端的体积；

（5）PL为极限荷载,孔穴原来的体积增加一倍所对应的压力；

（6）VL为 PL对应的体积，VL=2V0+Vc，Vc—旁压器固有体积；

（7）ΔP旁压试验直线段压力增量，ΔP=Pf-P0；

（8）ΔV为旁压曲线直线段体积增量，ΔV=Vf-V0。

利用试验曲线确定的基本数据见表2。

表2 利用试验曲线确定的基本数据

2.4 旁压试验成果计算

（1）确定旁压剪切模量Gm

图2计算得Gm=50.2 MPa。

（2）确定旁压模量Em

图2计算得Em=121.5 MPa。

式中:μ为土的泊松比，按工程地质手册查表:碎石土0.15～0.25，本次勘察中卵石土一般取0.2；ΔP/ΔV为旁压曲线直线段的斜率。

（3）确定地基土承载力

根据旁压试验特征值计算地基土承载力：

a.临塑荷载法:

b.极限压力法:

式中:fak为地基土承载力特征值（kPa）；Fs为承载力安全系数，应综合考虑工程地质条件和建筑物特点，一般情况下可取2。本次勘察中承载力取值原则是取两种方法中的小值。

在现场勘察中我们在卵石层中不同深度内共累计完成现场旁压试验61组，其承载力随深度变化散点见图3。

图3 承载力随深度变化散点图

分析数据统计图可知：

七里河盆地卵石层承载力随深度增加而增大，一般从400 kPa变化到800 kPa。

从散点图上可以看出，约卵石层顶板以下2 m以内一般承载力较低，一般最小为280 kPa，最大为868 kPa，平均值为611 kPa，变异系数为0.35，数据离散性很大；2～10 m内承载力逐渐增大，一般最小为523 kPa，最大为983 kPa，平均值为779 kPa，变异系数为0.16，数据离散性较大；10m以下承载力一般最小为858 kPa，最大为993 kPa，平均值为934 kPa，变异系数为0.06，数据离散性较小。（10 m以下数据个数较少，有待进一步积累数据）

（4）确定地基土水平基床系数:

式中:Δr=r1-r0；r1为临塑压力时钻孔空腔的半径；r0为初始压力时钻孔空腔的半径；a为孔隙压力系数，卵石土取0。

在现场勘察中我们在卵石层中不同深度内共累计完成现场旁压试验61组，其水平基床系数随深度变化散点见图4。

由试验资料及图4可知：

图4 水平基床系数随深度变化散点图

七里河盆地卵石层水平基床系数一般随深度增加而略有增大，但从图上可以看出，增大趋势不是太明显，有待于进一步进行试验数据的积累。

根据本次由旁压试验得出的61组水平基床系数试验数据，最小值为229MPa/m，最大值为1353 MPa/m，平均值为715 MPa/m，变异系数为0.49，数据整体上偏大，经与现场基床系数（K30）试验数据进行对比，将旁压试验数据乘以0.2～0.3的修正系数后，试验数据将更接近于基床系数试验数据，见图5。

图5 水平基床系数修正比对图

3 应用的效果及需要注意的问题

我们在兰州市城市轨道交通一号线马滩-七里河段岩土工程勘察中，在卵石层中采用了现场旁压试验，获得了一些力学参数，通过室内数据分析处理，由旁压试验得出的承载力等指标和其他试验得出的指标基本是一致的，我们认为旁压试验在卵石层勘察中应用是可行的，可以在很大程度上缩短勘察工期，节约成本。但仍存在一些问题：

（1）目前仅在卵石层中做了较少的试验，仅对现有的61组数据进行了简单的分析，需要在将来的工作中继续进行数据和经验的积累，成熟的东西有待进一步的积累、完善。

（2）需要注意的是旁压试验对成孔质量要求较高，成孔较差的钻孔其现场试验数据离散型较大，导致试验数据失真，因此现场勘察钻探成孔时要严格控制成孔质量，钻孔成孔孔径要与旁压器探头相配套，同时采取有效地护壁措施。