旁壓試驗等體積增加測試方法研究

王 福 高 敬 趙艷良 陳志英

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251;2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300251)

1 概述

德國工程師1930年發明了第一臺旁壓儀，由于當時材料科學的制約(半剛性塑料和人造橡膠尚未發明)，在旁壓試驗技術上遇到了很多問題。1955年，法國道橋工程師梅納(Ménard)制造了三腔式旁壓儀的初型，后來發展為今天在國際上廣為使用的法國梅納旁壓儀。我國于二十世紀六七十年代仿制旁壓儀，并取得了成功，后來發展為國內普遍采用的PY型和較新的PM型旁壓儀[1-3］。PY型旁壓儀因其結構簡單、操作方便在國內使用較廣。

上述旁壓設備均能實現旁壓測試的初衷，即原位橫向載荷試驗，但在旁壓儀結構和測試方法方面存在差異。ASTM標準在美國標準體系中充當了國內規范的作用，它是由美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials)發布的基礎性標準和要求。在ASTM D4719—07中，對預鉆式旁壓試驗測試方法做出了明確規定，即:A.等壓力增加法(以下均簡稱A方法)，B.等體積增加法(以下均簡稱B方法)。通過對比研究，國內現行旁壓試驗規程中，普遍采用的是壓力控制的測試方法，其實質與ASTM中規定的方法A相同。對于ASTM中規定的B測試方法，在國內生產和研究中均未見提及。出現上述現象一方面的原因是國內通用的旁壓儀受設備結構的影響，不易實現等體積增加測試;另一方面的原因是國內同行對該測試方法的優點尚未充分認識。基于以上認識，筆者對旁壓試驗等體積增加測試方法進行了一些思考和探索，并通過設備改進和操作調整在國產PY－4型旁壓儀上實現了該測試方法。最后，對旁壓測試成果進行了分析。

2 ASTM標準中關于B方法的規定

在ASTM D4719－07中詳細闡述了預鉆式旁壓試驗的試驗方法、儀器設備、試驗程序、數據整理與計算、試驗報告等相關內容，其中在試驗方法上特別區分了等壓力增加和等體積增加兩種試驗方法。在6.3條中，對B方法的儀器設備規定如下:使旁壓探頭增加等量體積，并通過液壓裝置測讀旁壓探頭的壓力變化;在9.5條中，對B方法的試驗程序做出規定:等量增加旁壓探頭的體積，增量體積為大氣壓力作用下探頭初始膨脹體積的0.05到0.1倍。

參考相關文獻，筆者找到了實現B方法的管路示意(見圖1)。

圖1 旁壓試驗B方法管路示意

分析ASTM中B方法的規定及管路圖，不難發現，該方法的工作原理是利用定量注水裝置，使旁壓探頭增加體積，進而使孔壁土體發生變形;通過探頭內的壓力傳感器記錄壓力變化，進而計算出作用在土體上的壓力值。對比后發現，方法A是在不變壓力下，記錄體積隨時間變化情況，一定程度反應測試土體蠕變特性;而方法B是在不變體積下，記錄壓力變化情況，一定程度反應測試土體松弛特性。

上述方法明顯區別于國內旁壓測試方法，在ASTM中提出來，其優點在于何處?能否在國產常用PY型旁壓儀上實現?第一個問題，經過簡單分析后發現，該方法的首要優點就是不必在旁壓試驗前預估臨塑壓力或極限壓力[4］，這一點對在不同地區、不同深度土層開展旁壓測試工作非常有益，對形成標準化的旁壓試驗方法提供了基礎。另一個優點是可以使孔穴體積增大，保持恒定的速率，使排水條件可控，這對于進行旁壓試驗機理分析和對比室內試驗成果有積極意義。第二個問題，筆者通過一定的設備改進和操作得以解決。

3 國產PY-4型旁壓儀的設備改進及操作調整

國產旁壓儀在二十世紀六七十年代仿制完成后，一直沿用至今，其管路示意如圖2所示。

圖2 國產PY-4型旁壓儀改進后管路示意

其工作原理是通過水箱注水，使旁壓探頭充水，調節地上測量管水柱至0刻度，達到管路內水體體積恒定;采用高壓氮氣瓶組合調壓閥的方法加壓，保持輸入端壓力穩定。試驗過程中，調節調壓閥，使得作用在測量管液面上的壓力等量增加。通過計算測試點到地上測試設備的靜水壓力和旁壓膜膨脹一定體積下的約束力，進而可得到作用在土體上的真實壓力。通過計算旁壓儀的綜合變形系數，求出特定壓力下儀器的變形體積，進而得到作用土體的真實體積膨脹量。

對比B方法的測試要求，在PY-4型旁壓儀上進行改進:首先，在水箱注水管路上加設三通壓力表，具體位置在注水閥和旁壓儀器之間的地上管路部位。在關閉注水閥后，通過壓力表和管路內的靜水壓力，可以得到旁壓探頭測量腔內的壓力值，達到圖1中壓力傳感器相同的作用。然后，對加壓操作進行調整。緩慢調節調壓閥，使測量管內水柱緩慢下降至需要體積，迅速關閉測量管下方的測量管閥門，實現圖1中定量注水的效果。至此，通過以上設備改進和操作調整，使得在PY－4型旁壓儀上進行B方法測試得以實現。

4 對比分析

為了測試設備改進后的效果，同時對兩種測試方法的測試成果進行比較，在某工地，開展了旁壓試驗B方法測試和對比試驗工作。設計旁壓試驗孔2個，2孔相距2 m。其中一孔采用國內規程規定測試方法，即ASTM標準中A方法;另一孔采用B方法進行。兩試驗孔分別在規定的相同深度做對比試驗，共計完成對比試驗24組(如圖3、圖4所示)。

圖3 旁壓試驗22 m處A方法試驗曲線

圖4 旁壓試驗22 m處B方法試驗曲線

取兩孔上部22 m深度內土層兩種測試方法得到的成果數據進行對比分析。在不考慮鉆機成孔質量、人為操作等因素的影響下，可發現如下規律:B方法相對常規測試方法(A方法)得到的壓力界限值偏小，而旁壓剪切模量偏大(如表1所示)。

表1 旁壓試驗A方法和B方法成果對比分析

5 結論

(1)國內規程中規定的旁壓試驗測試方法和ASTM中規定的等壓力增加測試方法相同，是在不變壓力下，記錄體積隨時間變化情況，一定程度反應測試土體蠕變特性;而ASTM中規定的等體積增加測試方法是在不變體積下，記錄壓力變化情況，一定程度反應測試土體松弛特性。

(2)通過進行設備改進和操作調整，在國產PY-4型旁壓儀上實現了ASTM標準中規定旁壓試驗等體積增加測試方法。

(3)旁壓試驗B方法的優勢在于:不必在旁壓試驗前預估臨塑壓力或極限壓力;可以使孔穴增大體積保持恒定的速率，使排水條件可控。

(4)對兩種測試方法得到的成果數據進行初步分析后發現，B方法相對常規測試方法(A方法)得到的壓力界限值偏小，而旁壓剪切模量偏大。其原因可能與測試過程中穩定時間、旁壓膜材料特性等因素有關，尚待進一步分析研究。

[1]Baguelin.F，等著.盧世深，等譯.旁壓儀和基礎工程(The Perssuremeter and Foundation Engineering)[M］.北京:人民交通出版社，1984:22-34

[2]孟高頭.土體原位測試機理方法及其工程應用[M］.北京:地質出版社，1997:161-195

[3]徐 超，石振明，高彥斌，等.巖土工程原位測試[M］.上海:同濟大學出版社，2008:91-101

[4]鐵道部.TB10041—2003 鐵路工程地質原位測試規程[S］.北京:中國鐵道出版社，2003:34-57

[5]鐵道部.JGJ69—90 PY型預鉆式旁壓試驗規程[S］.北京:中國建筑工業出版社，1991:4-14

[6]鐵道部.SL237—1999 土工試驗規程[S］.北京:中國水利水電出版社，1999:377-387

[7]顧國榮，陳 暉.旁壓試驗成果應用[J］.上海地質，1996(4):20-30

[8]陳 岑，趙儉斌，陳殿強.預鉆式旁壓試驗加壓等級的分析與控制[J］.工程勘察，2010(2):25-29