旁壓試驗在砂卵石地層中的應用及改進

□魯 輝 □楊紅云 □張 騰（黃河勘測規劃設計有限公司工程物探研究院）

豫西某水庫采用混凝土面板堆石壩，最大壩高122.5m(趾板處)，壩頂長度530.0m。壩基河床段為砂卵石地層，含有漂石和泥層，基礎均勻性差，為防止大壩填筑后不均勻變形過大，擬對河床段壩基采用高壓旋噴樁進行加固處理。為論證高壓旋噴樁加固的可行性和加固效果，確定施工工藝和相關技術參數，在壩基河床段選定一個試驗區進行地基加固試驗。試驗區地基加固前后分別在相同位置布置6個旁壓試驗孔，要求對河床覆蓋層各地層的承載力、變形模量等參數進行測試，為設計提供依據。

旁壓試驗又叫橫壓試驗，它可以對深部地層的承載力、變形模量等物理力學指標進行評價，是一種不可替代的原位測試技術。按旁壓器放入土層中的方式，它可分為預鉆式旁壓試驗、自鉆式旁壓試驗和壓入式旁壓試驗。自20世紀70年代引入我國以來，旁壓試驗已經在鐵路、建筑行業得到了廣泛的應用，并積累了很多工程經驗。但在水利行業應用還不多，在砂卵石地層中應用更是少見，究其原因主要是在砂卵石地層中應用還存在下面幾個問題：一、砂卵石地層承載能力較高，常見旁壓儀很難獲得極限承載力；二、成孔質量不易控制。和粘性土層相比，砂卵石地層中鉆孔橫截面難以形成完整的圓形，孔壁也容易受到擾動，導致試驗效果差；三、成孔過程中由于鉆頭的切割，孔壁常有鋒利的尖角出露，容易造成旁壓器彈性模破損，導致試驗失敗。這些問題都是由砂卵石地層特殊的結構特性造成的。盡管旁壓試驗在砂卵石地層中應用困難重重，但由于其在工程地質勘查中具有不可替代的作用，更需要業界同仁不斷去探索、去創新。

1. 基本原理

試驗時，由加壓裝置通過增壓缸的面積變換，將較低的氣壓轉換為較高壓力的水壓，水壓通過高壓導管傳至旁壓器，使其彈性膜膨脹，導致鉆孔壁受壓而產生相應的側向變形。其變形量由增壓缸的活塞位移值S確定，壓力P由與增壓缸相聯的壓力傳感器測得。得到壓力P和位移值S經過校正后繪制成旁壓曲線，然后即可根據旁壓曲線的特征值（初始壓力P0、臨塑壓力Pf、極限壓力Pl）進一步計算旁壓模量、地基承載力基本值、變形模量等參數。

2. 測試技術改進

2.1 儀器的優選

進口梅納型旁壓儀比較昂貴，不利于推廣應用；其他一些常見國產旁壓儀一般加載能力有限。本次試驗采用國產PM型預鉆式旁壓儀，它最大加載能力可達到5.5MPa，旁壓器外徑為90mm。

2.2 成孔工藝改進

泥漿護壁，二次鉆進。即先用130mm鉆頭鉆進到預定試驗深度以上0.5m處，再換94mm非標鉆頭鉆進1.5m，然后提鉆試驗。二次鉆進為了防止卡孔；94mm非標鉆頭每次鉆進1.5m為了防止沉渣過厚旁壓器不能及時到達預定深度。鉆進過程鉆桿盡量降低壓力，減小轉速，這樣既能減小對孔壁的擾動，也可以使孔壁較為圓滑。

2.3 旁壓器彈性膜的保護

盡管由于成孔工藝的改進孔壁已經較為圓滑，但試驗時在高壓力下還是經常會出現旁壓器彈性膜被扎破的情況。彈性膜一旦被扎破，該段孔壁由于已受擠壓或等待時間過長不宜再進行試驗，該點試驗失敗，并且還要對彈性模進行更換，費時費力，效率低下。為此利用110mm薄壁PVC管片，簡易粘附在彈性膜上進行保護，它們對彈性膜膨脹沒有附加力，試驗結束自動脫落不影響旁壓器的取出。這樣彈性膜得到了良好保護，試驗效率可大大提高。

3. 資料整理改進

3.1 旁壓曲線的甄別取舍

預鉆式旁壓試驗中，成孔質量的好壞會對試驗結果造成很大影響，經驗表明，這些影響往往可以從旁壓曲線上甄別出來。對于成孔質量不容易保證的砂卵石地層，非常有必要對旁壓曲線進行甄別，因為只有正常的旁壓曲線才能計算出合理的物理力學參數。甄別出的不合理的旁壓曲線的計算結果僅供參考，不參與統計分析。

圖1是各種典型的旁壓曲線，圖中曲線a反映孔壁有縮孔現象，試驗前旁壓器彈性膜已受孔壁擠壓，因為缺少恢復期，曲線不完全，難以使用。曲線b可能是孔壁被嚴重擾動形成很厚的擾動圈所致。加載后曲線有一段較長的上凸段，表明擾動土層在加載時的壓密過程；因受旁壓器膨脹量所限，旁壓曲線不完善，用起來很困難；同時因擾動，曲線的走向產生偏差，也會使結果失真。曲線c恢復區的范圍大，出現了“鵝脖子”現象，可能是塌孔造成孔徑較大，使旁壓器彈性膜的膨脹量有相當大一部分消耗在旁壓器與孔壁之間的孔隙中，最后使曲線很不完善，無法使用。曲線d為正常的旁壓曲線，說明孔壁土擾動小，孔徑也比較規則。

圖1 典型旁壓曲線圖

3.2 采用中位數進行統計分析

砂卵石地層中進行旁壓試驗，由于漂石和難以避免的孔徑影響，試驗結果和粘性土層相比要離散的多，這種情況單獨研究某個點的試驗數據實際意義并不大，最好分層進行統計分析。同時也是由于上述原因，采用算術平均數進行統計結果可能偏離實際較大，帶來較大的誤差，可采用中位數進行統計分析。中位數是指將統計總體當中的各個變量值按大小順序排列起來，形成一個數列，處于變量數列中間位置的變量值就稱為中位數，用Me表示。當變量值的項數N為奇數時，中位數為處于中間位置的變量值；當N為偶數時，中位數則為處于中間位置的2個變量值的平均數。中位數不受極端變量值的影響，因此對于較為離散的數據，用中位數進行統計要比用算術平均數統計更準確。

4. 工區地質簡況

河床覆蓋層為夾含漂石和泥層的砂卵石地層，一般厚度30 m，最大厚度41.87m，分述如下：

4.1 卵、礫、砂

卵石成分以石灰巖、白云巖為主，個別為砂巖和礫巖，蝕圓度中等；礫石成分以灰巖、白云巖為主，砂、頁巖次之。卵礫石一般呈新鮮至微風化；砂子粗粒以巖屑為主，中細粒以石英為主，次為云母及長石。根據試驗和物探資料可分為上、中、下3層，其中上層為含漂石卵石層，厚度10m左右；中層為含漂石細礫石層，厚度10m左右；下層為含漂石砂礫石層，厚度10～15m。

4.2 漂石

最大直徑5m以上，一般1m左右，蝕圓度差，較大者具原始塌落狀態，部分表面有鈣質薄膜。成分以石英礫巖、灰巖、花崗巖為主。

4.3 泥層

河床覆蓋層內分布著面積不等，高程不同的泥層。其巖性變化極大，但80%以上為粉質壤土，根據其分布高程可以概化為4層。

5. 成果分析

地基加固前旁壓試驗共完成6個鉆孔共36個點，經過對旁壓曲線的甄別取舍實際參與統計31個點，見表1。由于本地區沒有砂卵石地層旁壓試驗經驗，為了對比檢驗旁壓試驗效果，試驗區內同時布置3個淺層平板載荷試驗點。淺層平板載荷試驗承壓板采用直徑800mm的鋼性板，根據經驗其影響深度約為2.4m。表2為3個載荷點試驗結果和6個試驗深度均<2.4m的旁壓試驗點試驗結果的對比情況。由表2可以看出，兩種試驗結果相差不大，說明本次旁壓試驗取得了成功。

表1 地基加固前6 個鉆孔旁壓試驗成果統計表

表2 載荷試驗、旁壓試驗成果對比表

地基加固后又布置了6個旁壓試驗孔，加固前后旁壓試驗孔孔位一致。本次共完成旁壓試驗66個點，經過對旁壓曲線的甄別取舍實際參與統計60個點。與地基加固前相比，各孔旁壓成果參數出現了不均勻性提高，其中1#、2#、3#、6#鉆孔提高較大，4#、5#孔旁壓成果參數提高較小，這種情況可能與高壓旋噴樁布置（見圖2）的疏密有關。

圖2 試驗區試驗孔（點）位及高壓旋噴樁布置圖

6. 結論與建議

本次試驗針對目前砂卵石地層中旁壓試驗存在的問題，從測試技術和資料整理兩方面進行了改進，經與淺層平板載荷試驗對比，試驗取得了成功。這說明如果措施得當旁壓試驗在砂卵石地層中也能取得較好的效果。

目前個別旁壓成果參數計算中涉及的一些經驗公式主要在黃土、粘性土和砂類土試驗中建立，并不一定完全適合砂卵石地層。建議在砂卵石地層中對旁壓試驗進行多嘗試，隨著工程經驗的積累，通過不斷修正最終必定能確定一些較為貼近砂卵石實際情況的經驗公式，為旁壓試驗在水利行業發揮更大的作用鋪平道路。