基于旁壓試驗計算淺基礎地基沉降

席大成，王沈力，王 瑋

（1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅蘭州730000；2.中國市政工程西北設計研究院，甘肅蘭州730000）

1 概述

基礎沉降計算一直是巖土工程中需要解決的關鍵問題，國內一般通過室內試驗，采用固結理論計算沉降量。法國規范中推薦2種沉降計算方法，一種是類似于國內采用固結理論法，另外一種是基于旁壓試驗的方法。

旁壓試驗理論及其設備經過幾十年不斷發展與完善，在法國規范中已應用到工程地質評價及基礎設計等各個方面。相比室內試驗，旁壓試驗由于其不受測試深度的限制，且盡可能地保持了巖土體的原始特性等優點，其結果更為真實可靠，因此在基礎沉降計算中得到了廣泛的應用。

2 梅納爾旁壓試驗原理

2.1 儀器設備

梅納爾預鉆式旁壓儀其結構由3部分組成，分別是讀數箱、管路和旁壓器。讀數箱：它能夠精確量測出施加到探頭上的壓力，并能夠隨著壓力與時間的變化同時讀出量測腔中的體積變化。壓縮氣體瓶提供了整個試驗用的壓力來源。管路：一般使用塑料管，用它來連接讀數器和旁壓器，對該管路的要求是柔軟和具有高強度,以減小體積讀數中的誤差。旁壓器：三腔式旁壓器，即中間的一個量測腔和上下各一個保護腔，工作示意圖見圖1。

2.2 工作原理

梅納爾旁壓試驗是一種現場土壤荷載試驗，其試驗原理是利用旁壓器對鉆孔壁施加橫向均勻壓力，使孔壁巖土體發生徑向變形直至破壞，利用量測儀器量測壓力和徑向變形的關系，以推求相關巖土學參數。

圖1 旁壓儀工作示意圖

試驗時，首先打開水源閥們，向旁壓器中腔充入一定量的水后關閉。此時，讀數箱體積測管的水位與地下水位的差值即為試驗初始壓力。然后打開氣源閥，通過控制裝置將高壓氣源減壓，并分成兩部分，一部分供給量測腔，另一部分供給上下保護腔，使旁壓器受壓(量測腔為氣壓水)而膨脹，對旁壓器施加一定的橫向壓力，并由壓力表和體積測管測出壓力值和水位值，它即反映孔壁試驗土層的應力和變形的關系。保護腔的主要作用是延長孔壁的試驗土層的長度，以減少量測腔的端部影響，使量測腔對孔壁產生嚴格、均勻的壓力，從而將復雜的空間應變狀態簡化為近似的平面應變狀態。

旁壓器在逐級加壓的情況下，孔壁土體分為3個變形階段，在應力—應變曲線上分為恢復區、似彈性變形區和塑性變形區，見圖2。

2.3 旁壓模量換算

旁壓模量是反映土層中應力和變形之間關系的一個重要指標。根據Ménard的理論，在P-V（圖2）曲線近似直線段，認為孔壁巖土體為均質各項同性，這樣簡化為平面按照線性彈性問題進行分析，孔壁受力Δp作用后，徑向位移Δr和壓力Δp的關系可以用下式表示

圖2 旁壓試驗壓力—應變關系曲線

其中：

式中：r——似直線段中點對應孔穴半徑；

G——剪切模量；

l——旁壓器測量腔長度。

按照彈性理論G=E/[2 ( 1+υ)]，可得旁壓模量為：

式中：υ——泊松比，法國規范中約定為0.33；

Vs——探頭中央測量腔的固有容積；

P2、V2——與假彈性段終點相對應的壓力和注入液體容積；

P1、V1——與假彈性段頂端的起點相對應的壓力和注入液體容積。

3 旁壓試驗計算淺基礎地基沉降的理論

3.1 沉降計算方法

法國規范中對于淺基礎最終沉降量可按式（2）計算：

其中：

式中：Ec、Ed——球面區域和偏向區的等代旁壓模量；

λc、λd——基礎形狀尺寸，按表1取值；

α——流變系數，按表2取值；

表1 基礎形狀系數表

B——基礎寬度（B=2R≥0.6m，R為基礎半寬），當

B0——參照寬度，取0.6m；

p0——基底凈壓力，p0=p-q，p為基底壓力，q為基底上覆土壓力。

由式（2）可知，用旁壓試驗成果計算沉降其實包含2個部分，一部分是緊鄰基礎底部承壓應力最大的土層，稱之為球形區域的固結沉降Sc，第二部分是由于地基巖土剪切變形達到穩定時偏轉區的沉降Sd。

3.2 等代旁壓模量的計算

地基土為勻質土時，Ec=Ed=EM；地基土為非勻質土時，將基礎底以下土層分成以基礎半寬B/2為厚度單位的若干虛擬層。沉降Sc基礎底面以下球面區域引起的沉降只影響基礎半寬深度范圍內的土層，等代旁壓模量Ec等于所劃分的第一層旁壓模量E1，即Ec=E1，沉降Sd影響的深度范圍較大，其等代旁壓模量Ed由為0～16R或0～8R（R為基礎半寬，R=B/2）的各旁壓模量按照以下公式計算獲得：

其中Ei,j是在薄層i和薄層j測量的旁壓模量調和平均值。

比如，對于地層3，4，5：

如果E9到E16的值未知，但認為超過上面的值，可以這樣計算Ed值：

表2 流變系數的取值

同理，E6到E8的值未知，可以這樣計算Ed值：

4 工程實踐與應用

阿爾及利亞CHERCHELL繞城高速公路工程場地位于該國TIPAZA省西南部的CHERCHELL地區，場地處于山區，緊鄰地中海南岸，地質條件變化大，巖性多樣，沿線布設眾多的構筑物。該項目采用法國規范進行勘察設計，當地咨詢公司十分重視詳細勘察階段的原位測試工作，尤其要求普遍采用旁壓試驗來計算淺基礎地基沉降。

該工程在PK11+882處設跨線橋一座，跨線橋C1橋臺采用擴大基礎，基礎埋深5.0m，基礎寬度9.2m,長度8.5m，基底最大凈反力為288.3kPa，地基土自上而下為：①殘坡積碎石土，容重22.0kN/m3，厚度1.32m；②強風化泥灰巖，容重22.0kN/m3，厚度14.32m；③中風化泥灰巖，容重22.0kN/m3，厚度大于15m。基礎底部持力層為強風化泥灰巖，在C1橋臺處布設了旁壓孔，進行了旁壓試驗，試驗結果如圖3所示。

橋臺基礎底高程為125.839m，根據圖3旁壓試驗結果，按照分層厚度R=B/2=4.25m進行統計試驗，數值代入式（4）可以求出E1、E2、E3,5，如表3所示。

表3 旁壓模量調和平均值計算表

把E1，E2，E3,5代入 式（3），求 得Ec=14.904MPa，Ed=29.132MPa。根據基礎尺寸，L/B=1.082，查表1得的α=1/3，再根據表2，內插求得形狀系數λc=1.108，λd=1.154，把Ec、Ed、B、B0、α、λc、λd等參數代入式（2），求得最大沉降Sf=10.1mm，如表4所示。

5 結論

旁壓試驗是一種實用的原位測試技術，它除了能夠提供承載力和變形關系外，也能直接服務于基礎設計，通過阿爾及利亞CHERCHELL高速公路大量的實踐證明用旁壓模量作為計算參數獲得的基礎沉降與國內規范方法計算所得的基礎沉降保持了良好的一致性，值得推廣。

表4 沉降計算參數表

圖3 旁壓試驗成果及基礎沉降計算示意圖