姚 金

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

旁壓試驗(yàn)在工程勘察中的應(yīng)用

姚 金

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

介紹法國(guó)梅納爾G-AM型旁壓儀的工作原理、工作要點(diǎn)。通過(guò)選取廣州地鐵14號(hào)線工程上一旁壓試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例分析,詳細(xì)介紹旁壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理和計(jì)算方法。實(shí)例計(jì)算參數(shù)與標(biāo)貫計(jì)算結(jié)果及規(guī)范建議值吻合較好,說(shuō)明旁壓試驗(yàn)?zāi)茌^準(zhǔn)確地獲取巖土層地基承載力、變形模量及基床系數(shù)等工程參數(shù),值得推廣。

旁壓試驗(yàn);旁壓模量;基床系數(shù);地基承載力

廣州地鐵從上世紀(jì)90年代初期開(kāi)工建設(shè)地鐵1號(hào)線到現(xiàn)在已歷經(jīng)20多年的發(fā)展,地鐵勘察積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著線網(wǎng)建設(shè)的擴(kuò)大及建設(shè)工藝技術(shù)的發(fā)展,對(duì)工程參數(shù)也相應(yīng)的要求更加準(zhǔn)確。如對(duì)巖土層的變形模量、基床系數(shù)等參數(shù),盲目地采取相關(guān)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)值,其結(jié)果常偏于保守,甚至與實(shí)際情況不符[1]。為此,旁壓試驗(yàn)作為巖土工程勘察中的原位測(cè)試技術(shù)之一已在廣州地鐵勘察中得到廣泛應(yīng)用,較好地保障了地鐵勘察工程參數(shù)的準(zhǔn)確性。旁壓試驗(yàn)廣泛適用于粘性土、砂土、碎石土、軟質(zhì)巖石和風(fēng)化巖石,通過(guò)試驗(yàn)可以得到巖土層的初始?jí)毫?、臨塑壓力、極限壓力以及旁壓模量等力學(xué)指標(biāo)。

1 試驗(yàn)原理和工作要點(diǎn)

1.1 試驗(yàn)原理

旁壓試驗(yàn)是一種對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地基土的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)試的試驗(yàn),測(cè)試原理是借助于旁壓器的徑向膨脹,中室所在部位能對(duì)孔壁產(chǎn)生均勻的壓力,此壓力按規(guī)定的相等時(shí)間間隔增加,同時(shí)記錄下壓力和鉆孔膨脹量,從而反映出地層土質(zhì)的工程力學(xué)性能[2]。依據(jù)試驗(yàn)利用鉆孔成孔形式可分為自鉆式和預(yù)鉆式。試驗(yàn)中使用儀器為法國(guó)路易斯·梅納爾公司G-AM型預(yù)鉆式三腔旁壓儀,主要儀器參數(shù)包括：旁壓器類型為NX型,旁壓器中腔長(zhǎng)度為20 cm,旁壓器半徑為3.5 cm,測(cè)量水柱截面積為15.3 cm2,固有腔體積為790 cm3。

1.2 工作要點(diǎn)

旁壓試驗(yàn)工作為工程勘察現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)試的手段,測(cè)試技術(shù)人員必須熟悉所用儀器操作步驟和工作原理,嚴(yán)格按現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程進(jìn)行,工作過(guò)程稍有疏忽就有可能導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間延誤。根據(jù)旁壓試驗(yàn)特點(diǎn)及工程經(jīng)驗(yàn),歸納以下幾個(gè)工作要點(diǎn):

(1) 試驗(yàn)鉆孔宜選擇在離已有技術(shù)孔0.5～1.0 m范圍內(nèi)成孔,太近土體可能受原技術(shù)孔成孔或其他試驗(yàn)的擾動(dòng),離太遠(yuǎn)可能地層有所變化,試驗(yàn)點(diǎn)的位置選擇及質(zhì)量難以保證。

(2) 試驗(yàn)鉆孔要與擬使用的旁壓器直徑相匹配,要求孔徑只能大于旁壓器直徑3～6 mm。成孔宜采用三翼鉆頭以回轉(zhuǎn)濕式鉆進(jìn),地下水位較高時(shí),鉆孔成孔時(shí)需用膨潤(rùn)土護(hù)壁,泵壓控制在0.6 MPa左右,使轉(zhuǎn)速控制在30 r/min以內(nèi)。

(3) 根據(jù)旁邊技術(shù)孔地層情況按規(guī)范或工程技術(shù)要求選定試驗(yàn)點(diǎn)位置即旁壓器中室對(duì)應(yīng)位置,試驗(yàn)點(diǎn)不允許選在地層分層位置,否則易因壓力不均而導(dǎo)致中室膜或套膜破裂。根據(jù)試驗(yàn)地層情況選擇合適的保護(hù)套,這樣可以減少模套被扎破的危險(xiǎn)。一般軟、粘土采用橡皮套,而礫砂、含巖塊的風(fēng)化巖層則選用帶金屬絲的帆布護(hù)套。

(4) 試驗(yàn)前根據(jù)土的力學(xué)特性或者試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估算出各層土的極限壓力,將其分成8～12個(gè)壓力階段,分級(jí)加壓。在不同分級(jí)壓力下按15 s、30 s、60 s讀數(shù),當(dāng)體變>700 cm3或壓力已達(dá)極限時(shí)終止試驗(yàn)。

(5) 試驗(yàn)結(jié)束后,需先排水后排氣,待2～3 min后探頭外膜收縮到原始狀態(tài),再將探頭提出孔外,取探頭時(shí)需把導(dǎo)管和探頭同步向上提,避免導(dǎo)管纏繞在鉆桿和探頭上而導(dǎo)致導(dǎo)管破損。

2 膜套約束力標(biāo)定

旁壓器外的膜套不僅起到保護(hù)內(nèi)膜的作用,而且更主要的是上室與下室的膨脹延長(zhǎng)了中心室的壓力區(qū),使中室膨脹的地層處于平面應(yīng)變狀態(tài),從而較好地測(cè)出應(yīng)力與應(yīng)變指標(biāo)。理論上，旁壓試驗(yàn)時(shí)旁壓器中室作用在試驗(yàn)土層上的壓力應(yīng)該是水回路的壓力加水頭壓力,但實(shí)際上要小于上兩項(xiàng)之和,這是因?yàn)榕詨浩髂ぬ妆旧砭哂屑s束力，膜套在膨脹過(guò)程中克服約束力要消耗一部分壓力。通過(guò)約束力標(biāo)定知道其大小后,從水壓回路壓力與水頭壓力之和中減去約束力即是真實(shí)作用在試驗(yàn)土層上的壓力[3]。

標(biāo)定膜套約束力時(shí),將旁壓器直立于地面,給中室充水,把中室里的空氣全部排出,在控制壓差為-100 kPa情況下,嚴(yán)格按照旁壓試驗(yàn)操作程序進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。每級(jí)加壓量要小,一般為20 kPa,等級(jí)加壓。每加一級(jí)壓力要在1 min的前15 s內(nèi)加完,讀30 s和60 s時(shí)的體積變化量,使用60 s時(shí)的讀數(shù)。到60 s時(shí)即加下一級(jí)壓力,每級(jí)壓力從加壓至下一級(jí)加壓僅1 min,當(dāng)充水量達(dá)650 cm3左右,即可結(jié)束試驗(yàn),防止膜套因膨脹過(guò)大而爆破。新裝配的膜套要作兩次約束力標(biāo)定,取后一次標(biāo)定曲線用于旁壓試驗(yàn)[4]。圖1為實(shí)測(cè)膜套約束力標(biāo)定試驗(yàn)曲線。

圖1 實(shí)測(cè)膜套約束力標(biāo)定曲線(P-V曲線)Fig.1 Restraint calibration curve of measured membrane set

3 數(shù)據(jù)整理及實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)整理

旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理主要是對(duì)野外試驗(yàn)獲得的測(cè)點(diǎn)各級(jí)壓力值和對(duì)應(yīng)的15 s、30 s、60 s體積結(jié)合鉆孔水位深度、旁壓器套膜約束力標(biāo)定曲線進(jìn)行分析計(jì)算,從而得到測(cè)點(diǎn)土層的初始?jí)毫?P0)、臨塑壓力(Pf)、極限壓力PL。具體步驟如下:

(1) 在P-V曲線上作出與此相應(yīng)的膜套約束力和P-(V60″-V30″)的蠕變曲線。

(2) 在P-V曲線上確定旁壓器緊密接觸孔壁點(diǎn),即土體進(jìn)入似彈性變形的起始點(diǎn)。此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力P0,它可近似的表示為原位狀態(tài)的水平應(yīng)力,相應(yīng)的體積變化量為V0。確定P0點(diǎn)的方法有三種:①在P-V曲線上直觀地找出明顯的第一拐點(diǎn)。②用直尺確定出P-V曲線上的第一直線段,此直線段的起始點(diǎn)。③在P-V曲線上與蠕變曲線的第一折點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。在確定P0點(diǎn)時(shí)要綜合考慮以上三方面的因素。

(3) 在P-V曲線上確定蠕變壓力Pf,與蠕變曲線的第二折點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的壓力為Pf,同時(shí)還要參考P-V曲線的形態(tài)。

(4) 在P-V曲線上V=2V0+VC對(duì)應(yīng)的壓力即為Pl,當(dāng)V值小于V=2V0+VC時(shí),可將P-V曲線按趨勢(shì)延長(zhǎng),使V=2V0+VC,從而定出Pl值,或在倒數(shù)坐標(biāo)紙上用最后兩級(jí)壓力和體積標(biāo)出兩點(diǎn),連接兩點(diǎn)的直線延長(zhǎng)至V=2V0+VC處,此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)壓力即為Pl。

3.2 實(shí)例分析

廣州市區(qū)基巖多為白堊系紅層,在廣州地鐵勘察中紅層最為多見(jiàn),隧道埋深常設(shè)計(jì)處于紅層殘積土層或其全、強(qiáng)風(fēng)化巖層中,勘察、設(shè)計(jì)單位對(duì)于該類巖土層巖土參數(shù)尤為關(guān)注。以下選取在廣州14號(hào)線初步勘察階段MNP2-B52#孔的殘積成因粉質(zhì)粘土(5N-2)層試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的說(shuō)明和分析。

MNP2-52#孔地下水位為2.90 m,試驗(yàn)點(diǎn)深度4.5 m。粉質(zhì)粘土(5N-2)為棕紅色,以粉粘粒為主,為粉砂巖風(fēng)化殘積土,含少量、較多細(xì)砂,局部殘留較多礫石,硬塑,標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)為21擊,層厚為1.8 m。圖2為該層旁壓試驗(yàn)的P-V曲線及P-(V60″-V30″)的蠕變曲線。

從圖中可以很直觀地讀出各階段的壓力和體積值,特別說(shuō)明的是圖2為利用野外數(shù)據(jù)直接成圖,未進(jìn)行壓力校正,圖中讀取的數(shù)據(jù)初始?jí)毫Α⑴R塑壓力需加上靜水壓力和減去對(duì)應(yīng)體積時(shí)的約束標(biāo)定壓力即為對(duì)應(yīng)P0、Pf值。計(jì)算后P0=84 kPa,Pf=539 kPa,對(duì)應(yīng)體積為V0=107 cm3,Vf=215 cm3,Vl=275 cm3,采用最后兩測(cè)點(diǎn)延長(zhǎng)直線方法計(jì)算Pl=987 kPa。

以上所得結(jié)果可利用以下公式計(jì)算旁壓模量Em、剪切模量Gm、變形模量E0、壓縮模量Es和水平基床系數(shù)Kh等巖土參數(shù)[5]。

圖2 P-V曲線和P-(V60″-V30″)的蠕變曲線圖Fig.2 P-V curve and P-(V60″-V30″) creep curve

(1) 旁壓模量Em計(jì)算:

①

(2) 剪切模量Gm計(jì)算:

②

(3) 承載力標(biāo)準(zhǔn)值f0計(jì)算:

采用臨塑荷載法確定,f0=(Pf-P0)。

③

(4) 變形模量E0計(jì)算。采用機(jī)械部勘察研究院提出的公式④計(jì)算:

④

(5) 壓縮模量Es計(jì)算:

地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式Es=4.78+0.82Em。

⑤

(6) 水平基床系數(shù)Kh。采用由王長(zhǎng)科等人提出的公式⑥計(jì)算：

⑥

式①-⑥中:Em為旁壓模量;μ為泊松比(取0.33);Δp為壓力增量;ΔV為體積變化的增量;Vc為旁壓器本身的固有體積;Vm為平均增加體積；Pf為臨塑壓力;P0為初始?jí)毫?Pl為極限壓力;V0為初始體積;r0為鉆孔初始半徑。

按以上公式計(jì)算得該點(diǎn)旁壓模量Em=7.63 MPa,剪切模量Gm=4.01 MPa,承載力標(biāo)準(zhǔn)值f0=455 kPa,變形模量E0=31.85 MPa,壓縮模量Es=11.04 MPa,水平基床系數(shù)Kh=151.79 MPa/m。表1為本次試驗(yàn)所得參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)計(jì)算值及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比表。

從表1可以看出旁壓試驗(yàn)計(jì)算的側(cè)向基床系數(shù)比標(biāo)貫計(jì)算值和規(guī)范建議值要大得多,與實(shí)際工程也存在巨大的差別。這主要是因?yàn)椴捎霉舰耷蟪龅腒h值為旁壓試驗(yàn)彈性階段的側(cè)向基床系數(shù),而實(shí)際工程中的Kh值多處于彈—塑性階段或塑性階段,故以此計(jì)算出的Kh偏大很多。在該工程中若需應(yīng)用旁壓試驗(yàn)水平基床系數(shù),建議應(yīng)根據(jù)不同的土性、應(yīng)力條件、工況和變形量或依據(jù)其它試驗(yàn)測(cè)試成果數(shù)據(jù)等選擇對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)。建議地鐵勘察中,粘性土及全、強(qiáng)風(fēng)化巖層,其修正系數(shù)可采用0.25～0.35;飽和的砂土層,其修正系數(shù)采用0.20～0.30,修正后的側(cè)向基床系數(shù)值Kh處于規(guī)范值范圍內(nèi),仍能較好地反映出土體參數(shù)。據(jù)此,該點(diǎn)側(cè)向基床系數(shù)值Kh選擇系數(shù)0.3進(jìn)行校正后所得值為45.5 MPa/m,符合規(guī)范建議值范圍,也與標(biāo)貫計(jì)算值相近,可供設(shè)計(jì)參考使用。

表1 巖土參數(shù)對(duì)比一覽表Table 1 Schedule of geotechnical parameters comparison

4 結(jié)論及建議

(1) 旁壓試驗(yàn)成果受到諸多因素的影響,如試驗(yàn)鉆孔的孔位、成孔質(zhì)量,技術(shù)人員水平,計(jì)算公式的選擇等,稍有疏忽就有可能導(dǎo)致試驗(yàn)失敗,影響試驗(yàn)結(jié)果。地下巖土體性質(zhì)千差萬(wàn)別,單一試驗(yàn)方法或依靠工程經(jīng)驗(yàn)很難掌握較準(zhǔn)確的巖土參數(shù),因此,多種試驗(yàn)方法的對(duì)比分析非常重要。

(2) 通過(guò)對(duì)選取的試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)例分析,說(shuō)明旁壓試驗(yàn)是能夠較準(zhǔn)確地獲取有關(guān)巖土層參數(shù)的原位測(cè)試方法,值得推廣。

(3) 當(dāng)前被廣泛用于參數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式不盡完全適應(yīng),如計(jì)算基床系數(shù)時(shí),就需根據(jù)不同的邊界條件,引入合適的修正參數(shù),這也說(shuō)明旁壓試驗(yàn)方法還需廣大技術(shù)工作者進(jìn)一步研究。

[1] 劉志強(qiáng),劉興云,謝碧波.旁壓試驗(yàn)在地鐵勘察中的應(yīng)用[J].廣州建筑,2006(5):37-40.

[2] 李仁美.旁壓試驗(yàn)在隧道工程原位測(cè)試中的應(yīng)用[J].路基工程,2008(4):131-133.

[3] 石祥鋒,蔡美峰.地鐵工程地基的旁壓試驗(yàn)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007(1):69-72.

[4] 蘇兆鋒,張輝,謝昭暉,等.旁壓試驗(yàn)在濱海相地區(qū)港口勘察中的應(yīng)用研究[J].工程勘察,2010(增1):867-871.

[5] 工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:252-258.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

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,工程師,碩士研究生,地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，從事工程勘察與工程物探工作。E-mail:yaojin_2007@sina.com

TU413； U231+.1

A

1671-1211(2015)02-0198-04

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1045.011.html 數(shù)字出版日期:2015-02-04 10:45