旁壓試驗(yàn)在鄭州軌道交通巖土工程勘察中的應(yīng)用

于新政1, 劉漢東2, 石守亮1, 何建鋒1, 郭小帥1

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003; 2.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

摘要：旁壓試驗(yàn)的特點(diǎn)是測試深度深、不受地下水影響,已經(jīng)成為巖土工程勘察的重要手段之一,廣泛應(yīng)用于軌道交通、橋梁等大型巖土工程勘察中.以鄭州市軌道交通巖土工程勘察為例,通過旁壓試驗(yàn),綜合分析試驗(yàn)結(jié)果并據(jù)此測求試驗(yàn)土層的物理力學(xué)參數(shù)(地基承載力、變形模量、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度等),并與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析,得出了旁壓試驗(yàn)在鄭州地區(qū)類似工程勘察中的推薦計(jì)算公式和參數(shù),即承載力計(jì)算采用極限荷載法，安全系數(shù)可取2.0；壓縮模量可運(yùn)用公式(4)計(jì)算；抗剪強(qiáng)度可采用公式(6)計(jì)算.

關(guān)鍵詞：旁壓試驗(yàn);軌道交通;原位測試;巖土工程勘察中圖分類號：TU413文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1002-5634(2015)03-0068-04

收稿日期:2015-03-19

作者簡介：張利平(1960—)，女，青海大通人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組故障診斷及運(yùn)行方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.017

旁壓試驗(yàn)是工程地質(zhì)勘察中的一種原位測試手段,可以對預(yù)定深度的巖土層進(jìn)行水平向加載試驗(yàn),使孔壁巖土體產(chǎn)生徑向變形直至破壞,利用儀器量測壓力和變形的關(guān)系,據(jù)此可以測求地基土的力學(xué)參數(shù)[1-6],得到相應(yīng)巖土體的臨塑壓力和極限壓力,還可以用來確定土和軟巖的旁壓模量等變形參數(shù).旁壓試驗(yàn)廣泛用于難度較大的重要工程地質(zhì)勘察中,已經(jīng)成為巖土工程勘察的重要手段之一.

在鄭州市軌道交通2號線一期工程勘察過程中做了大量的旁壓試驗(yàn),通過試驗(yàn)結(jié)果分析確定各試驗(yàn)土層的地基承載力、變形模量、基床系數(shù)等重要參數(shù),并與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比分析,為工程可行性分析及設(shè)計(jì)提供可靠的巖土參數(shù).

1工程概況

1.1　工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探揭露地層,此次旁壓試驗(yàn)涉及到的地層主要分述如下：

1.2　旁壓試驗(yàn)

在了解地層分布的基礎(chǔ)上,合理布置有代表性的試驗(yàn)點(diǎn),保證旁壓器的量測腔在同一土層內(nèi),綜合考慮地層巖性及鉆探特點(diǎn),每區(qū)間共布置了4個(gè)旁壓試驗(yàn)孔,每個(gè)孔選取4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行旁壓試驗(yàn).旁壓試驗(yàn)可按照《PY型預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ 69—1990)[2]中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作,具體步驟如下：

1)鉆機(jī)成孔.孔壁要豎直光滑,為防止孔壁坍塌,宜采用泥漿護(hù)壁.

2)加壓試驗(yàn).讀取試驗(yàn)初讀數(shù)后,將旁壓器放入鉆孔預(yù)定試驗(yàn)位置,讀取靜水壓力,然后打開氮?dú)饧訅洪_關(guān),分級進(jìn)行加壓試驗(yàn).分別在15、30、60 s時(shí)讀取每級壓力的壓力表讀數(shù),并記錄量管中的水位變化.

3)當(dāng)試驗(yàn)曲線進(jìn)入明顯塑性區(qū)域或達(dá)到10%應(yīng)變時(shí),終止試驗(yàn).

4)為對比分析旁壓試驗(yàn)結(jié)果,在距旁壓試驗(yàn)鉆孔2～3 m處重新鉆孔,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探原位測試等對比試驗(yàn),同時(shí)取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn).

2試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

2.1　原位測試與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果匯總

巖土體物理力學(xué)指標(biāo)是隨機(jī)-模糊變量,它的分布服從隨機(jī)-模糊概率分布[7-8].根據(jù)測試結(jié)果,采用隨機(jī)模糊方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,各巖土層旁壓試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、土工試驗(yàn)的測試結(jié)果匯總見表1.

表1　試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2　試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用

根據(jù)旁壓試驗(yàn)結(jié)果,可求得各土層的力學(xué)參數(shù),如地基承載力、旁壓模量、變形模量、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度等.利用旁壓試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、土工試驗(yàn)分別求得各土層力學(xué)參數(shù),并進(jìn)行對比分析,從而得到旁壓試驗(yàn)在鄭州地區(qū)類似工程勘察中的推薦公式和參數(shù).

2.2.1地基承載力

根據(jù)旁壓試驗(yàn)確定地基承載力fk的常用方法[9-13]有兩種：

1)臨塑荷載法:

fk=Pf-P0;

(1)

2)極限荷載法:

fk=(Pl-P0)/F.

(2)

式中:fk為地基土容許承載力,kPa;F為安全系數(shù),在2.0和3.0之間,這里取2.0.

表2為旁壓試驗(yàn)兩種方法確定得到的地基承載力與標(biāo)貫試驗(yàn)、靜力觸探、室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的地基承載力fk的對比結(jié)果.

表2　各種測試方法得到的地基承載力綜合對比　kPa

根據(jù)表2結(jié)果對比分析可知:①旁壓試驗(yàn)采用極限荷載法得到的地基承載力與其他測試手段得到的承載力更為接近,這是因?yàn)槠渌麕追N手段得到的數(shù)據(jù)都是以土體的極限破壞為測試準(zhǔn)則,為了工程中便于分析,建議鄭州地區(qū)旁壓試驗(yàn)采用極限荷載法進(jìn)行地基承載力分析;②旁壓試驗(yàn)作為一種原位測試手段,測試出的地基承載力與其他測試手段得到的地基承載力結(jié)果基本一致,與該地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)基本相符.因此,旁壓試驗(yàn)是一種很有效的原位測試手段.

2.2.2各巖土層變形參數(shù)

通過旁壓試驗(yàn),可直接求得地基土的旁壓模量Em,并根據(jù)Em求得地基土的變形模量E0.

根據(jù)文獻(xiàn)[1]確定土體旁壓模量Em和變形模量E0的關(guān)系,公式如下:

E0=K1Em.

(3)

式中K1為旁壓模量與變形模量之間的比值.

對于黏性土、粉土和砂土：

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

m=Em/(Pl-P0).

式中:m為旁壓模量與旁壓試驗(yàn)極限壓力的比值,為偏安全考慮,當(dāng)m<6時(shí),取K1=5;V0為對應(yīng)于初始壓力P0的旁壓器中腔的體積,cm3.

依據(jù)文獻(xiàn)[1],土體旁壓模量Em與壓縮模量Es之間的關(guān)系式為

Es=K2Em.

(4)

其中K2為壓縮模量與旁壓模量之間的比值,依據(jù)文獻(xiàn)[1]及此次測試巖土層的物理力學(xué)性質(zhì),取2.5.

依據(jù)文獻(xiàn)[12],黏性土旁壓模量與壓縮模量的關(guān)系為

Es=2.092+2.52Em.

(5)

根據(jù)上述公式,由旁壓試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的變形參數(shù)與其他測試方法得出的變形參數(shù)見表3.

表3　各測試方法得到的各巖土層變形參數(shù)對比　MPa

由表3分析可知,通過旁壓試驗(yàn)采用公式(4)計(jì)算得到的壓縮模量與通過靜力觸探試驗(yàn)計(jì)算得到的壓縮模量較為接近,而二者計(jì)算得到的壓縮模量都比室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的壓縮模量大,這與室內(nèi)土工試驗(yàn)在取樣、運(yùn)輸以及切樣過程中土樣均不可避免地受到擾動有關(guān),也說明了靜力觸探和旁壓試驗(yàn)作為原位測試手段更能反映土體的原始應(yīng)力狀態(tài).

根據(jù)旁壓試驗(yàn)計(jì)算壓縮模量,對比公式(4)和公式(5),由于公式(4)計(jì)算結(jié)果更接近于靜力觸探和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果,建議工程中采用公式(4).

2.2.3土層強(qiáng)度參數(shù)

旁壓試驗(yàn)可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推算土體的抗剪強(qiáng)度,梅納德提出估算黏土不排水抗剪強(qiáng)度CU的公式[9],即:

CU=(Pf-P0)/5.5.

(6)

砂土內(nèi)摩擦角的確定采用Muller(1970)公式[6],即:

φ=5.77ln((Pl-P0)/180)+24.

(7)

根據(jù)上述公式,由旁壓試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的強(qiáng)度參數(shù)與其他測試方法得出的強(qiáng)度參數(shù)見表4.

表4　旁壓試驗(yàn)與土工試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)

由表4可知,采用公式(6)計(jì)算黏性土不排水抗剪切強(qiáng)度和室內(nèi)土工試驗(yàn)相差不大,可以作為勘察的一種補(bǔ)充手段.但是粉土、粉砂的抗剪切強(qiáng)度與土工試驗(yàn)結(jié)果相差較大,這是由于此次試驗(yàn)采用的是預(yù)鉆式旁壓儀,在鉆進(jìn)成孔過程中,對孔壁土體造成擾動較大,如果采用自鉆式旁壓儀試驗(yàn),測試精度會有一定程度的提高.

3結(jié)語

1)旁壓試驗(yàn)作為原位測試手段,用于工程地質(zhì)勘察中,能夠較好地求解深層巖土層的地基土承載力參數(shù)、變形模量、彈性模量等地基主要巖土參數(shù),是巖土工程勘察中的一種有效勘察手段,可大力推廣應(yīng)用.

2)對于旁壓試驗(yàn)結(jié)果的分析與利用,現(xiàn)階段多參照國外推導(dǎo)的公式或者部分地方的經(jīng)驗(yàn)公式,實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn),選擇符合本地區(qū)的計(jì)算公式或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行必要的修正.根據(jù)鄭州軌道交通應(yīng)用的情況:承載力計(jì)算選用極限荷載法,安全系數(shù)K可取2.0;壓縮模量可選用公式(4)進(jìn)行計(jì)算;采用旁壓試驗(yàn)計(jì)算抗剪強(qiáng)度CU時(shí),可采用公式(6).

3)采用預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)時(shí),由于孔壁擾動,特別是砂類地層,部分計(jì)算指標(biāo)會失真,應(yīng)注意區(qū)分,若具備條件，建議采用自鉆式旁壓儀進(jìn)行試驗(yàn).

參考文獻(xiàn)

[1]常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]常州市建筑設(shè)計(jì)院.JGJ 69—90 PY型預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1990.

[3]蘇兆鋒,張輝,謝昭輝,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(增刊1):867-871.

[4]汪稔,胡建華.旁壓試驗(yàn)在蘇通大橋地質(zhì)勘察工程中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2003,24(6):887-891.

[5]韓信,張敏靜,孫永香.旁壓試驗(yàn)有關(guān)問題的探討[J].公路,2008(9):286-289.

[6]石祥鋒,汪稔,張家銘,等.旁壓試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(增刊1):4442-4445.

[7]顏廷松,劉愛玉,鄧奕航.巖土力學(xué)參數(shù)的可靠性檢驗(yàn)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2003,24(3):50-52.

[8]黃志全,李華曄,姜彤.巖體力學(xué)參數(shù)取值的置信度研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),1997,18(4):14-18.

[9]顧國榮,陳暉.旁壓試驗(yàn)成果應(yīng)用[J].上海地質(zhì),1996(4):20-30.

[10]任建喜,賀小儷,劉朝科,等.旁壓試驗(yàn)在西安地鐵巖土工程勘察中的應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(11):98-101.

[11]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.

[12]鐵路部第四勘測設(shè)計(jì)院.TB 10018—2003鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2003.

[13]南京水利科學(xué)研究院土工研究所.土工試驗(yàn)技術(shù)手冊[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

(責(zé)任編輯：喬翠平)

王夕陽(1989—)，男，河南開封人，碩士研究生，主要從事汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組故障診斷及優(yōu)化運(yùn)行方面的研究.