席大成，王沈力，王 瑋

（1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院，甘肅蘭州730000；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院，甘肅蘭州730000）

1 概述

基礎(chǔ)沉降計算一直是巖土工程中需要解決的關(guān)鍵問題，國內(nèi)一般通過室內(nèi)試驗，采用固結(jié)理論計算沉降量。法國規(guī)范中推薦2種沉降計算方法，一種是類似于國內(nèi)采用固結(jié)理論法，另外一種是基于旁壓試驗的方法。

旁壓試驗理論及其設(shè)備經(jīng)過幾十年不斷發(fā)展與完善，在法國規(guī)范中已應(yīng)用到工程地質(zhì)評價及基礎(chǔ)設(shè)計等各個方面。相比室內(nèi)試驗，旁壓試驗由于其不受測試深度的限制，且盡可能地保持了巖土體的原始特性等優(yōu)點，其結(jié)果更為真實可靠，因此在基礎(chǔ)沉降計算中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 梅納爾旁壓試驗原理

2.1 儀器設(shè)備

梅納爾預(yù)鉆式旁壓儀其結(jié)構(gòu)由3部分組成，分別是讀數(shù)箱、管路和旁壓器。讀數(shù)箱：它能夠精確量測出施加到探頭上的壓力，并能夠隨著壓力與時間的變化同時讀出量測腔中的體積變化。壓縮氣體瓶提供了整個試驗用的壓力來源。管路：一般使用塑料管，用它來連接讀數(shù)器和旁壓器，對該管路的要求是柔軟和具有高強度,以減小體積讀數(shù)中的誤差。旁壓器：三腔式旁壓器，即中間的一個量測腔和上下各一個保護腔，工作示意圖見圖1。

2.2 工作原理

梅納爾旁壓試驗是一種現(xiàn)場土壤荷載試驗，其試驗原理是利用旁壓器對鉆孔壁施加橫向均勻壓力，使孔壁巖土體發(fā)生徑向變形直至破壞，利用量測儀器量測壓力和徑向變形的關(guān)系，以推求相關(guān)巖土學(xué)參數(shù)。

圖1 旁壓儀工作示意圖

試驗時，首先打開水源閥們，向旁壓器中腔充入一定量的水后關(guān)閉。此時，讀數(shù)箱體積測管的水位與地下水位的差值即為試驗初始壓力。然后打開氣源閥，通過控制裝置將高壓氣源減壓，并分成兩部分，一部分供給量測腔，另一部分供給上下保護腔，使旁壓器受壓(量測腔為氣壓水)而膨脹，對旁壓器施加一定的橫向壓力，并由壓力表和體積測管測出壓力值和水位值，它即反映孔壁試驗土層的應(yīng)力和變形的關(guān)系。保護腔的主要作用是延長孔壁的試驗土層的長度，以減少量測腔的端部影響，使量測腔對孔壁產(chǎn)生嚴(yán)格、均勻的壓力，從而將復(fù)雜的空間應(yīng)變狀態(tài)簡化為近似的平面應(yīng)變狀態(tài)。

旁壓器在逐級加壓的情況下，孔壁土體分為3個變形階段，在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上分為恢復(fù)區(qū)、似彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，見圖2。

2.3 旁壓模量換算

旁壓模量是反映土層中應(yīng)力和變形之間關(guān)系的一個重要指標(biāo)。根據(jù)Ménard的理論，在P-V（圖2）曲線近似直線段，認為孔壁巖土體為均質(zhì)各項同性，這樣簡化為平面按照線性彈性問題進行分析，孔壁受力Δp作用后，徑向位移Δr和壓力Δp的關(guān)系可以用下式表示

圖2 旁壓試驗壓力—應(yīng)變關(guān)系曲線

其中：

式中：r——似直線段中點對應(yīng)孔穴半徑；

G——剪切模量；

l——旁壓器測量腔長度。

按照彈性理論G=E/[2 ( 1+υ)]，可得旁壓模量為：

式中：υ——泊松比，法國規(guī)范中約定為0.33；

Vs——探頭中央測量腔的固有容積；

P2、V2——與假彈性段終點相對應(yīng)的壓力和注入液體容積；

P1、V1——與假彈性段頂端的起點相對應(yīng)的壓力和注入液體容積。

3 旁壓試驗計算淺基礎(chǔ)地基沉降的理論

3.1 沉降計算方法

法國規(guī)范中對于淺基礎(chǔ)最終沉降量可按式（2）計算：

其中：

式中：Ec、Ed——球面區(qū)域和偏向區(qū)的等代旁壓模量；

λc、λd——基礎(chǔ)形狀尺寸，按表1取值；

α——流變系數(shù)，按表2取值；

表1 基礎(chǔ)形狀系數(shù)表

B——基礎(chǔ)寬度（B=2R≥0.6m，R為基礎(chǔ)半寬），當(dāng)

B0——參照寬度，取0.6m；

p0——基底凈壓力，p0=p-q，p為基底壓力，q為基底上覆土壓力。

由式（2）可知，用旁壓試驗成果計算沉降其實包含2個部分，一部分是緊鄰基礎(chǔ)底部承壓應(yīng)力最大的土層，稱之為球形區(qū)域的固結(jié)沉降Sc，第二部分是由于地基巖土剪切變形達到穩(wěn)定時偏轉(zhuǎn)區(qū)的沉降Sd。

3.2 等代旁壓模量的計算

地基土為勻質(zhì)土?xí)r，Ec=Ed=EM；地基土為非勻質(zhì)土?xí)r，將基礎(chǔ)底以下土層分成以基礎(chǔ)半寬B/2為厚度單位的若干虛擬層。沉降Sc基礎(chǔ)底面以下球面區(qū)域引起的沉降只影響基礎(chǔ)半寬深度范圍內(nèi)的土層，等代旁壓模量Ec等于所劃分的第一層旁壓模量E1，即Ec=E1，沉降Sd影響的深度范圍較大，其等代旁壓模量Ed由為0～16R或0～8R（R為基礎(chǔ)半寬，R=B/2）的各旁壓模量按照以下公式計算獲得：

其中Ei,j是在薄層i和薄層j測量的旁壓模量調(diào)和平均值。

比如，對于地層3，4，5：

如果E9到E16的值未知，但認為超過上面的值，可以這樣計算Ed值：

表2 流變系數(shù)的取值

同理，E6到E8的值未知，可以這樣計算Ed值：

4 工程實踐與應(yīng)用

阿爾及利亞CHERCHELL繞城高速公路工程場地位于該國TIPAZA省西南部的CHERCHELL地區(qū)，場地處于山區(qū)，緊鄰地中海南岸，地質(zhì)條件變化大，巖性多樣，沿線布設(shè)眾多的構(gòu)筑物。該項目采用法國規(guī)范進行勘察設(shè)計，當(dāng)?shù)刈稍児臼种匾曉敿毧辈祀A段的原位測試工作，尤其要求普遍采用旁壓試驗來計算淺基礎(chǔ)地基沉降。

該工程在PK11+882處設(shè)跨線橋一座，跨線橋C1橋臺采用擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深5.0m，基礎(chǔ)寬度9.2m,長度8.5m，基底最大凈反力為288.3kPa，地基土自上而下為：①殘坡積碎石土，容重22.0kN/m3，厚度1.32m；②強風(fēng)化泥灰?guī)r，容重22.0kN/m3，厚度14.32m；③中風(fēng)化泥灰?guī)r，容重22.0kN/m3，厚度大于15m?；A(chǔ)底部持力層為強風(fēng)化泥灰?guī)r，在C1橋臺處布設(shè)了旁壓孔，進行了旁壓試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

橋臺基礎(chǔ)底高程為125.839m，根據(jù)圖3旁壓試驗結(jié)果，按照分層厚度R=B/2=4.25m進行統(tǒng)計試驗，數(shù)值代入式（4）可以求出E1、E2、E3,5，如表3所示。

表3 旁壓模量調(diào)和平均值計算表

把E1，E2，E3,5代入 式（3），求 得Ec=14.904MPa，Ed=29.132MPa。根據(jù)基礎(chǔ)尺寸，L/B=1.082，查表1得的α=1/3，再根據(jù)表2，內(nèi)插求得形狀系數(shù)λc=1.108，λd=1.154，把Ec、Ed、B、B0、α、λc、λd等參數(shù)代入式（2），求得最大沉降Sf=10.1mm，如表4所示。

5 結(jié)論

旁壓試驗是一種實用的原位測試技術(shù)，它除了能夠提供承載力和變形關(guān)系外，也能直接服務(wù)于基礎(chǔ)設(shè)計，通過阿爾及利亞CHERCHELL高速公路大量的實踐證明用旁壓模量作為計算參數(shù)獲得的基礎(chǔ)沉降與國內(nèi)規(guī)范方法計算所得的基礎(chǔ)沉降保持了良好的一致性，值得推廣。

表4 沉降計算參數(shù)表

圖3 旁壓試驗成果及基礎(chǔ)沉降計算示意圖