旁壓試驗在廣州地鐵勘察工程中的應用

馬宗利，黃佳銘，樓康明，周明，鄭先昌

(1.廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006;2.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引言

旁壓試驗(PMT)是工程地質勘察原位測試中的其中一種方法，1957年由法國道橋工程師Menard發明，它可以在指定深度的土層或軟巖中進行水平方向加載試驗，得到相應巖土體的臨塑壓力和極限壓力，以此來評價地基承載力，還可以用來確定土或軟巖的原位水平應力或靜止側壓力系數，估算土或軟巖的旁壓模量、旁壓剪切模量以及側向基床反力系數［1］。

對于地鐵設計而言，為了確保工程安全可靠，要求勘察單位提供準確、可靠的土層或巖層的物理力學參數。在實際勘察中往往缺乏對這些相關參數行之有效的測試方法，通常采用相關規范的經驗值，其取值偏于保守，如何應用有效的勘察方法來獲得地鐵所通過土層或者巖層的可靠的物理力學參數，這是在地鐵勘察中的一個需要。此外，現在地鐵建設廣泛應用盾構法施工，可靠的土層或者巖層參數為盾構開挖面穩定施工參數、推進速度、切口水壓等設定提供資料。

2 旁壓儀的基本結構及其工作原理

本次旁壓試驗采用溧陽市天目儀器廠生產的PM－2型中壓級預鉆式旁壓儀，其結構分別由加壓穩壓系統、壓力與變形測量系統和旁壓器三部分組成。其中加壓由氮氣瓶壓力施加，迫使增壓缸內的水進入旁壓器，進而對孔壁土體施加側向壓力。旁壓器的測量腔外徑為90 mm，有效長度為335 mm，固有腔體積為2130 cm3，其測量壓力可達6 MPa，適用于強度較高的地層。

此型號旁壓儀是預鉆式的，需要工程鉆機配合，在指定的地層深度形成垂直、光滑、規則的圓孔，盡量減少對原位地層的擾動，成孔孔徑控制在比旁壓探頭大2 mm～3 mm，再將旁壓器至于測試深度進行試驗。該試驗的本質是在鉆孔中施加水平荷載，通過至于鉆孔中的圓型探頭膨脹對孔壁的擠壓至使土體產生變形，從而確定巖土體物理力學參數。旁壓器在逐級加載下，孔壁土體經歷三個變形階段，即為恢復階段、類彈性階段與塑性發展階段，其變形曲線(P－V曲線)如圖1，根據曲線特征確定巖土體的物理力學參數，即靜止水平總壓力P0，臨塑壓力Pf和極限壓力

圖1 旁壓特征曲線

3 工程概況

3.1 場地工程地質概述

廣州市軌道交通廣從線整體呈南北走向，從廣州市中心向北部地區放射，經過廣州市越秀區、白云區、從化市(太平鎮、中心城區、溫泉鎮及良口鎮)，知識城支線從新和引出，經中新知識城至蘿崗區鎮龍鎮。本次進行旁壓試驗的某段支線(如圖2所示)工程長約22 km，起點于白云區新和站，終點于蘿崗區鎮龍站，全線采用地下線，采用盾構施工，隧道底板多數設置在20～35 m之間，地貌屬于典型的珠三角第四紀海陸交互沖積平原，勘察范圍內的地層自上而下典型分布為:人工填土、淤泥質土、淤泥質砂、中粗砂、殘積粉質黏土、花崗巖殘積土、全風化礫砂巖、強風化礫砂巖。隧道通過的地層主要為花崗巖殘積土和強風化礫砂巖以及部分中風化、微風化帶。

圖2 廣州地鐵某支線線路圖

3.2 旁壓試驗中的要點［3］

儀器操作參照《PM－2型操作說明書》與《PY型預鉆式旁壓試驗規程》(JGJ69－90)中的有關規定執行，其具體要點如下:

(1)在地鐵沿線分為若干個區間，在每個區間內選擇具有代表性的鉆孔中進行試驗，力求控制場地所在區域的典型地層。

(2)鉆機回轉濕式鉆進，采用合適直徑巖芯管(忌貪圖方便使用三翼鉆頭，容易造成成孔不規則)，控制轉速低于60轉/min，進尺小于1 cm/轉，根據土層情況采取適當泥漿護壁，確保成孔垂直、光滑、圓整。

(3)采用高壓氮氣加壓，各級觀測時間為30 s、60 s、120 s。

(4)每級加壓操作時間盡量短，控制在15 s以內為宜。

(5)當實驗曲線進入明顯塑性區域或者達到旁壓器加載峰值(6MPa)時，終止實驗。

4 試驗結果處理與分析

4.1 旁壓試驗P－V曲線分析

沿勘察沿線等距離分為若干個區間，在每個區間內選擇控制代表性地層的鉆孔進行旁壓試驗，經過一系列數據校正后得到各測試孔的P－S曲線。由這些曲線可以看到，各測點的曲線基本完整，跟理想曲線線型接近，孔壁巖土體變形的三個階段，即恢復階段、類彈性階段、塑性發展階段表現明顯，各拐點較清晰，說明測試是理想的。但在測試孔2#與測試孔4#中的砂層中測試的時，曲線不是很理想，與實際有所偏差，是由于工程鉆機在鉆進時對沙層擾動過大，較大程度地改變了沙層的原有性狀。因此，在砂層中做旁壓試驗，預鉆式旁壓儀不適合，應選擇自鉆式旁壓儀。在測試孔4#的16.0 m深度處極限承載力過大，與該層土層性質有較大出入，推測測試腔置于孤石中，在之后鉆進中得到證實。

在P－S曲線中某些恢復區曲線較長，這是由于鉆機成孔時擺動過大，所成孔徑略大于試驗要求孔徑，致使前期需要注入較多水旁壓器才能與孔壁接觸產生作用的緣故。

各測試孔的P－V曲線基本反映了巖土體在水平荷載下的力學特征，在淺層的淤泥質粉質黏土、強風化沙礫巖、花崗巖殘積土中測試，曲線很快就進入塑性發展階段，并達到屈服極限，臨塑壓力值和極限壓力值都相對較小;對于全風化花崗巖，比較明顯出現類彈性階段，呈現出一定的直線區域，并隨著臨塑壓力的到來進入塑性發展階段，臨塑壓力值和極限壓力值相對較大;在強風化花崗巖中測試，類彈性階段曲線很長，臨塑壓力值和極限壓力值都很大，這與該巖層特性相匹配。

圖2 測試孔1#的P－S曲線

圖3 測試孔2#的P－S曲線

圖4 測試孔3#的P－S曲線

圖5 測試孔4#的P－S曲線

圖6 測試孔5#的P－S曲線

圖7 測試孔6#的P－S曲線

4.2 地層物理力學參數

由旁壓試驗P－S曲線可以確定靜止水平總壓力P0，臨塑壓力Pf和極限壓力PL。再對數據做處理，得到巖土體的旁壓模量、旁壓剪切模量、水平基床系數等力學參數，具體計算結果如下各表:

測試孔1#力學參數 表1

測試孔2#力學參數 表2

測試孔3#力學參數 表3

測試孔4#力學參數 表4

測試孔5#力學參數 表5

測試孔6#力學參數 表6

從結果上可以看出同一地層，深層巖土體物理力學指標普遍高于淺層巖土體;不同地層，中密砂高于淤泥質黏土，全風化礫砂巖又高于中密砂，全風化花崗巖高于全風化礫砂巖;本次旁壓試驗基本反映了地層的力學性質。此外，跟規范經驗值對比，試驗值多數偏大，可見經驗取值是比較保守的，在以后不斷積累相關試驗經驗后，地鐵的設計完全可以設計的更經濟。

4 結語

旁壓試驗作為工程勘察中的一種原位測試技術，具備完善的彈、塑性理論支持，可以在不同深度的土層或軟巖中進行測試，確定相應巖土體的有效力學參數，與室內試驗相比有測試時間短、土層擾動小、操作方便、結果可靠、受地下水影響小等諸多特點，尤其面對復雜地層難于取得原狀土情況，其意義尤為重大。廣州地鐵勘察引入旁壓試驗，對原有的勘察技術作了有效的補充，特別對盾構相關參數的選定提供了一定的幫助。此外，現階段的旁壓更多參照國外公式和國內其他地區經驗，在以后勘察實踐中需要結合廣州地區實際地層情況積累相應經驗，以發揮旁壓試驗更重要的作用。

［1］孟高頭.土體原位測試機理、方法及工程應用［M］.北京:地質出版社，1997.

［2］石祥鋒，汪稔，張家銘等.旁壓試驗在巖土工程中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(增刊):4442 －4445.

［3］JGJ69－90.PY型預鉆式旁壓試驗規程［S］.

［4］TB10046－96.鐵路工程地基土旁壓試驗規程［S］.

［5］胡建華，汪稔，周平等.旁壓儀在地基工程原位測試中的應用及其成果分析［J］.巖土力學，2003，24(增刊):418－422.