旁壓試驗在工程勘察中的應用

姚 金

(廣州地鐵設計研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

旁壓試驗在工程勘察中的應用

姚 金

(廣州地鐵設計研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

介紹法國梅納爾G-AM型旁壓儀的工作原理、工作要點。通過選取廣州地鐵14號線工程上一旁壓試驗點進行實例分析,詳細介紹旁壓試驗的數據整理和計算方法。實例計算參數與標貫計算結果及規范建議值吻合較好,說明旁壓試驗能較準確地獲取巖土層地基承載力、變形模量及基床系數等工程參數,值得推廣。

旁壓試驗;旁壓模量;基床系數;地基承載力

廣州地鐵從上世紀90年代初期開工建設地鐵1號線到現在已歷經20多年的發展,地鐵勘察積累了豐富的經驗。隨著線網建設的擴大及建設工藝技術的發展,對工程參數也相應的要求更加準確。如對巖土層的變形模量、基床系數等參數,盲目地采取相關規范的經驗值,其結果常偏于保守,甚至與實際情況不符[1]。為此,旁壓試驗作為巖土工程勘察中的原位測試技術之一已在廣州地鐵勘察中得到廣泛應用,較好地保障了地鐵勘察工程參數的準確性。旁壓試驗廣泛適用于粘性土、砂土、碎石土、軟質巖石和風化巖石,通過試驗可以得到巖土層的初始壓力、臨塑壓力、極限壓力以及旁壓模量等力學指標。

1 試驗原理和工作要點

1.1 試驗原理

旁壓試驗是一種對現場地基土的力學參數進行原位測試的試驗,測試原理是借助于旁壓器的徑向膨脹,中室所在部位能對孔壁產生均勻的壓力,此壓力按規定的相等時間間隔增加,同時記錄下壓力和鉆孔膨脹量,從而反映出地層土質的工程力學性能[2]。依據試驗利用鉆孔成孔形式可分為自鉆式和預鉆式。試驗中使用儀器為法國路易斯·梅納爾公司G-AM型預鉆式三腔旁壓儀,主要儀器參數包括：旁壓器類型為NX型,旁壓器中腔長度為20 cm,旁壓器半徑為3.5 cm,測量水柱截面積為15.3 cm2,固有腔體積為790 cm3。

1.2 工作要點

旁壓試驗工作為工程勘察現場進行原位測試的手段,測試技術人員必須熟悉所用儀器操作步驟和工作原理,嚴格按現行規范、規程進行,工作過程稍有疏忽就有可能導致試驗的失敗而造成不必要的經濟損失和時間延誤。根據旁壓試驗特點及工程經驗,歸納以下幾個工作要點:

(1) 試驗鉆孔宜選擇在離已有技術孔0.5～1.0 m范圍內成孔,太近土體可能受原技術孔成孔或其他試驗的擾動,離太遠可能地層有所變化,試驗點的位置選擇及質量難以保證。

(2) 試驗鉆孔要與擬使用的旁壓器直徑相匹配,要求孔徑只能大于旁壓器直徑3～6 mm。成孔宜采用三翼鉆頭以回轉濕式鉆進,地下水位較高時,鉆孔成孔時需用膨潤土護壁,泵壓控制在0.6 MPa左右,使轉速控制在30 r/min以內。

(3) 根據旁邊技術孔地層情況按規范或工程技術要求選定試驗點位置即旁壓器中室對應位置,試驗點不允許選在地層分層位置,否則易因壓力不均而導致中室膜或套膜破裂。根據試驗地層情況選擇合適的保護套,這樣可以減少模套被扎破的危險。一般軟、粘土采用橡皮套,而礫砂、含巖塊的風化巖層則選用帶金屬絲的帆布護套。

(4) 試驗前根據土的力學特性或者試驗經驗估算出各層土的極限壓力,將其分成8～12個壓力階段,分級加壓。在不同分級壓力下按15 s、30 s、60 s讀數,當體變>700 cm3或壓力已達極限時終止試驗。

(5) 試驗結束后,需先排水后排氣,待2～3 min后探頭外膜收縮到原始狀態,再將探頭提出孔外,取探頭時需把導管和探頭同步向上提,避免導管纏繞在鉆桿和探頭上而導致導管破損。

2 膜套約束力標定

旁壓器外的膜套不僅起到保護內膜的作用,而且更主要的是上室與下室的膨脹延長了中心室的壓力區,使中室膨脹的地層處于平面應變狀態,從而較好地測出應力與應變指標。理論上，旁壓試驗時旁壓器中室作用在試驗土層上的壓力應該是水回路的壓力加水頭壓力,但實際上要小于上兩項之和,這是因為旁壓器膜套本身具有約束力，膜套在膨脹過程中克服約束力要消耗一部分壓力。通過約束力標定知道其大小后,從水壓回路壓力與水頭壓力之和中減去約束力即是真實作用在試驗土層上的壓力[3]。

標定膜套約束力時,將旁壓器直立于地面,給中室充水,把中室里的空氣全部排出,在控制壓差為-100 kPa情況下,嚴格按照旁壓試驗操作程序進行標定試驗。每級加壓量要小,一般為20 kPa,等級加壓。每加一級壓力要在1 min的前15 s內加完,讀30 s和60 s時的體積變化量,使用60 s時的讀數。到60 s時即加下一級壓力,每級壓力從加壓至下一級加壓僅1 min,當充水量達650 cm3左右,即可結束試驗,防止膜套因膨脹過大而爆破。新裝配的膜套要作兩次約束力標定,取后一次標定曲線用于旁壓試驗[4]。圖1為實測膜套約束力標定試驗曲線。

圖1 實測膜套約束力標定曲線(P-V曲線)Fig.1 Restraint calibration curve of measured membrane set

3 數據整理及實例分析

3.1 數據整理

旁壓試驗數據整理主要是對野外試驗獲得的測點各級壓力值和對應的15 s、30 s、60 s體積結合鉆孔水位深度、旁壓器套膜約束力標定曲線進行分析計算,從而得到測點土層的初始壓力(P0)、臨塑壓力(Pf)、極限壓力PL。具體步驟如下:

(1) 在P-V曲線上作出與此相應的膜套約束力和P-(V60″-V30″)的蠕變曲線。

(2) 在P-V曲線上確定旁壓器緊密接觸孔壁點,即土體進入似彈性變形的起始點。此點對應的壓力P0,它可近似的表示為原位狀態的水平應力,相應的體積變化量為V0。確定P0點的方法有三種:①在P-V曲線上直觀地找出明顯的第一拐點。②用直尺確定出P-V曲線上的第一直線段,此直線段的起始點。③在P-V曲線上與蠕變曲線的第一折點相對應的點。在確定P0點時要綜合考慮以上三方面的因素。

(3) 在P-V曲線上確定蠕變壓力Pf,與蠕變曲線的第二折點相對應的壓力為Pf,同時還要參考P-V曲線的形態。

(4) 在P-V曲線上V=2V0+VC對應的壓力即為Pl,當V值小于V=2V0+VC時,可將P-V曲線按趨勢延長,使V=2V0+VC,從而定出Pl值,或在倒數坐標紙上用最后兩級壓力和體積標出兩點,連接兩點的直線延長至V=2V0+VC處,此點所對應的橫坐標壓力即為Pl。

3.2 實例分析

廣州市區基巖多為白堊系紅層,在廣州地鐵勘察中紅層最為多見,隧道埋深常設計處于紅層殘積土層或其全、強風化巖層中,勘察、設計單位對于該類巖土層巖土參數尤為關注。以下選取在廣州14號線初步勘察階段MNP2-B52#孔的殘積成因粉質粘土(5N-2)層試驗的數據來進行數據處理的說明和分析。

MNP2-52#孔地下水位為2.90 m,試驗點深度4.5 m。粉質粘土(5N-2)為棕紅色,以粉粘粒為主,為粉砂巖風化殘積土,含少量、較多細砂,局部殘留較多礫石,硬塑,標貫試驗擊數為21擊,層厚為1.8 m。圖2為該層旁壓試驗的P-V曲線及P-(V60″-V30″)的蠕變曲線。

從圖中可以很直觀地讀出各階段的壓力和體積值,特別說明的是圖2為利用野外數據直接成圖,未進行壓力校正,圖中讀取的數據初始壓力、臨塑壓力需加上靜水壓力和減去對應體積時的約束標定壓力即為對應P0、Pf值。計算后P0=84 kPa,Pf=539 kPa,對應體積為V0=107 cm3,Vf=215 cm3,Vl=275 cm3,采用最后兩測點延長直線方法計算Pl=987 kPa。

以上所得結果可利用以下公式計算旁壓模量Em、剪切模量Gm、變形模量E0、壓縮模量Es和水平基床系數Kh等巖土參數[5]。

圖2 P-V曲線和P-(V60″-V30″)的蠕變曲線圖Fig.2 P-V curve and P-(V60″-V30″) creep curve

(1) 旁壓模量Em計算:

①

(2) 剪切模量Gm計算:

②

(3) 承載力標準值f0計算:

采用臨塑荷載法確定,f0=(Pf-P0)。

③

(4) 變形模量E0計算。采用機械部勘察研究院提出的公式④計算:

④

(5) 壓縮模量Es計算:

地區經驗公式Es=4.78+0.82Em。

⑤

(6) 水平基床系數Kh。采用由王長科等人提出的公式⑥計算：

⑥

式①-⑥中:Em為旁壓模量;μ為泊松比(取0.33);Δp為壓力增量;ΔV為體積變化的增量;Vc為旁壓器本身的固有體積;Vm為平均增加體積；Pf為臨塑壓力;P0為初始壓力;Pl為極限壓力;V0為初始體積;r0為鉆孔初始半徑。

按以上公式計算得該點旁壓模量Em=7.63 MPa,剪切模量Gm=4.01 MPa,承載力標準值f0=455 kPa,變形模量E0=31.85 MPa,壓縮模量Es=11.04 MPa,水平基床系數Kh=151.79 MPa/m。表1為本次試驗所得參數與標準貫入度試驗計算值及地區經驗值對比表。

從表1可以看出旁壓試驗計算的側向基床系數比標貫計算值和規范建議值要大得多,與實際工程也存在巨大的差別。這主要是因為采用公式⑥求出的Kh值為旁壓試驗彈性階段的側向基床系數,而實際工程中的Kh值多處于彈—塑性階段或塑性階段,故以此計算出的Kh偏大很多。在該工程中若需應用旁壓試驗水平基床系數,建議應根據不同的土性、應力條件、工況和變形量或依據其它試驗測試成果數據等選擇對應的修正系數。建議地鐵勘察中,粘性土及全、強風化巖層,其修正系數可采用0.25～0.35;飽和的砂土層,其修正系數采用0.20～0.30,修正后的側向基床系數值Kh處于規范值范圍內,仍能較好地反映出土體參數。據此,該點側向基床系數值Kh選擇系數0.3進行校正后所得值為45.5 MPa/m,符合規范建議值范圍,也與標貫計算值相近,可供設計參考使用。

表1 巖土參數對比一覽表Table 1 Schedule of geotechnical parameters comparison

4 結論及建議

(1) 旁壓試驗成果受到諸多因素的影響,如試驗鉆孔的孔位、成孔質量,技術人員水平,計算公式的選擇等,稍有疏忽就有可能導致試驗失敗,影響試驗結果。地下巖土體性質千差萬別,單一試驗方法或依靠工程經驗很難掌握較準確的巖土參數,因此,多種試驗方法的對比分析非常重要。

(2) 通過對選取的試驗點實例分析,說明旁壓試驗是能夠較準確地獲取有關巖土層參數的原位測試方法,值得推廣。

(3) 當前被廣泛用于參數計算的經驗公式不盡完全適應,如計算基床系數時,就需根據不同的邊界條件,引入合適的修正參數,這也說明旁壓試驗方法還需廣大技術工作者進一步研究。

[1] 劉志強,劉興云,謝碧波.旁壓試驗在地鐵勘察中的應用[J].廣州建筑,2006(5):37-40.

[2] 李仁美.旁壓試驗在隧道工程原位測試中的應用[J].路基工程,2008(4):131-133.

[3] 石祥鋒,蔡美峰.地鐵工程地基的旁壓試驗研究[J].河南理工大學學報,2007(1):69-72.

[4] 蘇兆鋒,張輝,謝昭暉,等.旁壓試驗在濱海相地區港口勘察中的應用研究[J].工程勘察,2010(增1):867-871.

[5] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,2007:252-258.

(責任編輯：陳姣霞)

YAO Jin
(GuangzhouMetroDesignandInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510010)

Application of Pressuremeter Test in Engineering Investigation

The paper describes the working principle and key point of France Menar-G-AM side pressure gauge.The paper detailedly introduces data processing and calculation methods of pressuremeter test by an example of study site of pressuremeter test in Guangzhou Metro Line 14.Example calculation parameter are good agreement with standard penetration results and standardizing values.It indicates that pressuremeter test can obtain more accurate subgrade bearing capacity of rock layers,deformation modulus,subgrade coefficient,and other engineering parameters.It is worth popularizing.

pressuremeter test;pressuremeter modulus; subgrade coefficient; subgrade bearing capacity

2014-11-21；改回日期：2015-02-13

姚金(1981-)男,工程師,碩士研究生,地球探測與信息技術專業，從事工程勘察與工程物探工作。E-mail:yaojin_2007@sina.com

TU413； U231+.1

A

1671-1211(2015)02-0198-04

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1045.011.html 數字出版日期:2015-02-04 10:45