預鉆式旁壓試驗在廈門地鐵巖土工程勘察中的應用

郭建波 劉曉明

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

1 概況

擬建廈門地鐵1號線全線長度為31.265 km，其中地下線26.9 km，地面線2.2 km，高架線2.165 km;設車站27座，其中地下站26座、地面站1座;平均站距全程1.3 km，本島1.0 km，跨海段3.3 km，島外1.4 km。勘察場區巖土層結構較復雜，覆蓋層厚薄不一，主要由上部人工填筑層(Qs)、第四系海積層(Qm4)和沖洪積層(Qal-pl3)、第四系殘坡積層(Qel-dl)及下部燕山晚期花崗巖(γ3(1)b5)的不同風化層構成。地鐵隧道主要穿越地層為第四系松散堆積物地層及花崗巖殘積土—全、強風化層，巖土體的巖性巖相、工程地質多樣性及其顯著的差異，現場鉆探取試樣和室內試驗的方法對準確取得松散地層尤其是花崗巖殘積土—全、強風化層的物理力學性質的難度較大［1］。為了獲取必要的巖土物理力學指標，為工程設計提供科學可靠的力學參數，在廈門地鐵1號線一標段全段開展了預鉆式旁壓試驗工作。

2 實驗原理及儀器

2.1 測試方法簡介

旁壓實驗是工程地質勘察中一種常用的原位測試技術，實質上是一種利用鉆孔做的原位橫向載荷實驗［2］。其原理是通過旁壓器在豎直的孔內加壓，使旁壓器膨脹，并由旁壓膜(或護套)將壓力傳給周圍土體(或軟巖)，使土體(或軟巖)產生變形直至破壞，并通過測量裝置測出施加的壓力和土體(或軟巖)變形之間的關系，然后繪制應力-應變(或鉆孔體積增量、或徑向位移)關系曲線，根據這種關系對孔周圍所測土體(或軟巖)的承載力、變形性質等進行評價［3］。本次旁壓試驗所用儀器為法國APAGEO公司生產的PRESSUREMETER旁壓儀，此旁壓儀最大測試壓力可達10 MPa，探頭采用G型三腔式旁壓探頭，(探頭外徑74 mm，測量腔長度220 mm，容積為880 cm3)。根據試驗的讀數可以得到應力—應變或體積—壓力之間的關系曲線，據此可用來對試驗土體進行分類，評估它的物理狀態，提供旁壓模量、不排水抗剪強度等指標。

2.2 測試原理

旁壓試驗可理想化為圓柱孔穴擴張課題，并簡化為軸對稱平面應變問題［4］。典型的旁壓曲線為壓力P—體積變化量V曲線(圖1)，該曲線可分為三個階段。

Ⅰ(初始)階段:彈性膜自由膨脹階段。

Ⅱ(似彈性)階段:壓力與體積變化量大致呈直線關系。

Ⅲ(塑性)階段:隨著壓力的增加，體積變化量也迅速增加。

圖1 典型的旁壓曲線

Ⅰ-Ⅱ階段的界限壓力相當于初始水平應力P0;Ⅱ-Ⅲ階段的界限壓力相當于臨塑壓力Pf;Ⅲ階段末尾漸近線的壓力為極限壓力PL。

根據似彈性階段直線的斜率，由軸對稱平面應變問題的彈性解可得旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm

式中 μ——泊松比，試驗建議值，一般正常固結和輕度超固結砂土和粉土取0.33，可塑和堅硬狀態黏性土取0.38，軟塑黏性土、淤泥和淤泥質土取0.41;花崗巖殘積砂質黏性土取0.37，花崗巖殘積礫質黏性土取0.35，全風化花崗巖取0.33，散體狀強風化花崗巖取0.31。

Vc——旁壓器測量腔的固有體積，880 cm3;

V0——P0對應的體積;

Vf——臨塑壓力Pf對應的體積/cm3;

ΔP/ΔV——旁壓曲線似彈性直線段的斜率/(kPa/cm3);

Em——旁壓模量/MPa;

Gm——旁壓剪切模量/MPa。

3 旁壓實驗

3.1 實驗準備

(1)旁壓儀的校正

即旁壓膜約束力的校正和儀器綜合變形的校正。

在下列條件下儀器應該校正:

①新旁壓儀首次使用，兩項校正均需進行;

②更換新彈性膜需進行彈性膜約束力校正;

③彈性膜一般進行20次或48 h后應重新校正;

④接長或縮短導管需進行儀器綜合校正。

(2)彈性膜約束力的校正

將旁壓器豎立于地面，讓彈性膜在自由膨脹情況下進行。校正前，先對彈性膜進行加壓，使其達到700 cm3膨脹量，再退壓，反復4～5次，然后進行校正試驗。壓力增量為25 kPa，讀出體積的變化V，以測得壓力P和體積V繪制P-V曲線，即為彈性膜約束力校正曲線。

(3)儀器綜合變形的校正

將旁壓器放進校正試驗管內(一般用無縫鋼管或高強有機玻璃管)，使旁壓器彈性膜受到徑向限制，壓力增量為100 kPa，G型探頭可加到7 MPa終止試驗，各級壓力下的觀測時間與正式試驗一致，測得壓力P與體積V關系曲線，其直線段對P軸的斜率ΔV/ΔP，即為儀器綜合變形系數。

(4)旁壓儀的準備

試驗前旁壓儀各部分的連接和儀表調零，體積測量用純凈水的準備與灌入。

3.2 成孔要求

成孔質量是預鉆式旁壓試驗成敗的關鍵，為保證成孔質量應注意:

①孔壁垂直、光滑、呈規則圓形，盡可能減少對孔壁的擾動;

②軟弱土層(易發生縮孔、坍孔)用泥漿護壁;

③鉆孔孔徑應略大于旁壓器外徑，一般宜大2～8 mm，即鉆孔孔徑為76～82 mm，但不宜過大。

在廈門地鐵1號線勘察中，采用了外徑75 mm的合金鉆頭進行開孔，成孔直徑約79 mm，滿足測試要求。

3.3 測點布置

旁壓試驗測點的布置，應在了解地層剖面的基礎上進行，合理地布置在有代表性的位置，保證旁壓器的量測腔在同一土層內，相鄰試驗點的垂直距離不宜小于1 m［5］，同一土層的試驗點數滿足工程的設計要求。

3.4 現場操作

(1)加荷等級的選擇

一般根據土的臨塑壓力或極限壓力而定，在無法預估的情況下，不同土類的加荷等級可按表1確定［6］。

(2)加荷速率

采用規范規定的3 min的快速法，加荷后按30 s、60 s、120 s和180 s讀數，快速加荷所得的旁壓模量相當于不排水模量。

(3)放入旁壓器

當成孔結束后，盡快把旁壓器放到指定位置。

(4)加壓試驗

表1 旁壓試驗的加荷等級

靜水壓力確定后，打開測管閥和輔管閥，把靜水壓力作為第一級荷載，開始試驗，以后的荷載按加荷等級加載試驗。

(5)試驗結束

旁壓試驗結束后，提取旁壓器。

旁壓試驗終止條件:

①加荷接近或達到極限壓力;

②量測腔的擴張體積相當于量測腔的固有體積，避免彈性膜破裂。

4 實驗成果及分析

4.1 各級壓力和相應體積的校正

壓力的校正利用公式

式中 P——校正后的壓力/kPa;

Pm——壓力表讀數/kPa;

Pw——靜水壓力/kPa;

Pi——彈性膜約束力/kPa，由各級總壓力(Pm+Pw)所對應的體積查彈性膜約束力校正曲線取得。

體積的校正利用公式

式中 V——校正后的體積/cm3;

Vm——測管讀數/cm3;

a——儀器綜合變形校正系數/(cm3/kPa)。

4.2 旁壓試驗曲線的繪制

根據校正后的壓力和體積數據，繪出壓力—孔壁土被壓縮的體積變化量，即P-V曲線。

4.3 特征值的確定與計算

利用旁壓試驗確定地基土參數，首先要從旁壓試驗P—V曲線確定P0—地層原始水平應力、Pf—臨塑荷載和PL—極限荷載。

P0—地層原始水平應力的確定:

延長P—V曲線直線段與縱坐標軸相交，截距為V0，過截距作與橫坐標軸的平行線，與P—V曲線相交點對應的壓力即為P0。

Pf—臨塑荷載的確定:

以P—V曲線直線段的終點對應的壓力為Pf。

PL——極限荷載的確定:

可由P—V曲線末段曲線延伸外推確定或作P—1/V(大于Pf的數據)關系曲線(近似直線)，取1/(2V0+Vc)所對應的壓力即為PL。

旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm和彈性模量E0、壓縮模量ES:

根據公式(1)和(2)所述確定旁壓模量和旁壓剪切模量。地基土的壓縮模量ES、變形模量E0以及其變形參數可由地區經驗公式確定。《鐵路工程地基土旁壓測試技術規程》編制組通過與平板載荷試驗對比，得出如下估算地基土變形模量的經驗關系。

對一般黏性土［7］

對硬黏土［8］

另外，通過與室內試驗成果對比，建立起了估算地基土壓縮模量的經驗關系式

式中 E0——土的彈性模量/MPa;

Es——壓縮模量/MPa。

計算淺基礎承載力fk

淺基礎的承載力用極限壓力法，該方法以凈極限壓力為依據。地基承載力標準值fk可按下式確定

其中k取2～3，fk取小值。

地基橫向基床系數Kh

根據初始壓力和臨塑壓力，可采用下式估算地基土的側向基床系數

式中 Rf——臨塑壓力時鉆孔空腔的半徑;

R0——初始壓力時鉆孔空腔的半徑;

Rf和R0通過Vc+V0和Vc+Vf以及測試腔長度求得。

砂類土的有效內摩擦角:

砂類土的有效內摩擦角可按下式估算φ′

5 工程應用

5.1 實驗成果

旁壓實驗在廈門地鐵1號線中主要用來確定地基基本承載力和水平基床系數，同時利用現場標貫數據同旁壓試驗計算得出的地基承載力及水平基床系數進行對比分析［10］。

5.2 試驗結果分析

(1)分析花崗巖不同程度風化層的水平基床、承載力標準值可以看出，隨著風化程度的加重，細粒含量比重加大，巖土體的旁壓模量和承載力均大幅降低，散體狀強風化的強度和變形參數明顯高于全花崗巖殘積土。

(2)對同一鉆孔，相同土性的土體來說，其強度指標隨深度的增加呈規律性地增強。

(3)通過承載力、水平基床系數與標貫擊數的關系曲線(圖2，圖3)看出，隨著風化程度的加重，旁壓試驗參數的大小變化規律與標貫擊數的變化規律是一致的，承載力、水平基床系數與標貫擊數具有較好的一致性。

圖2 地基承載力與標貫擊數關系曲線

圖3 水平基床系數與標貫擊數關系曲線

6 主要結論及影響因素分析

旁壓試驗的主要成果是測試土體橫向的變形和力學特性，通過旁壓測試求得的旁壓模量等參數利用經驗公式間接得到土體的變形模量、壓縮模量、承載力等重要參數。其理論上采用完善的彈性及彈塑性理論，實驗設備結構簡單、攜帶輕便、操作方便、測試迅速、成果可靠，可在不同的深度進行實驗，且不受地下水的限制，具有較強的實用意義。而由少量試驗樣本取得的經驗公式的普遍適用性值得探討，尤其是針對類似于廈門地鐵1號線花崗巖殘積土和全強風化等特殊巖土的經驗關系更是鮮有所見，本報告目前只能套選性質較為接近的黏性土和砂性土的經驗公式對相關參數進行估算和統計分析，估算結果的準確性有待更多原位測試的檢驗。

旁壓試驗受鉆孔孔徑、鉆孔內的泥漿壓力、鉆孔對巖土層原始狀態的擾動以及鉆孔成孔時間等影響，因此在試驗中應該保證鉆孔質量，并且試驗應該在鉆孔成孔后立即進行，以免造成縮孔和塌孔以及對孔周土體的擾動，造成個別位置試驗曲線初始階段的缺失或失真。

由于該工程為地下隧道，土體松散破碎，黏性不高，差異風化形成水平向的不均勻性，造成相同深度、不同鉆孔位置強風化花崗巖力學指標上存在一定的差異，這些因素在設計過程中應該給予應有的重視。

［1］ 王成恩.日照地區花崗巖風化帶的劃分及工程評價［J］ .鐵道勘察，2011(5)

［2］ 王福，高敏，等.旁壓試驗等體積增加測試方法研究［J］.鐵道勘察，2011(6)

［3］ 孟高頭.土體原位測試機理方法及其應用［M］.北京:地址出版社，1997

［4］ 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，2005

［5］ 北京市規劃委員會.GB50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規范［S］.北京:中國計劃出版社，2012

［6］ 中華人民共和國建設部.GB50021—2001 巖土工程規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，

［7］ 馬百財，賈乃康.滿洲里地區殘積土的工程性質［J］.鐵道勘察，2005(2)

［8］ 夏玉斌，等.濱海區海相沉積土壓縮模量的試驗研究［J］.工程地質學報，2013(3)

［9］ 李均山，等.福建某高速公路隧道強風化花崗巖的旁壓試驗［J］.煤田地質與勘探，2013(3)

［10］周明，等.巖土原位測試旁壓試驗的數據處理方法［J］.廣東土木與建筑，2012(11)