一種用于預鉆式旁壓試驗（PMT）的變徑鉆頭研究

李 超，劉 予，何 靜，肖景澤，梁嗣曦

（北京市地質調查研究院，北京 100195）

預鉆式旁壓試驗適用于確定黏性土、粉土、砂土等的地基承載力與變形參數。顧名思義，預鉆式就是在旁壓試驗之前先鉆一個孔徑與旁壓器相匹配的鉆孔，孔周巖土體應保持天然結構狀態，試驗段孔壁應豎直、平順、呈圓筒形，然后下放旁壓器進行旁壓試驗，成孔深度應大于試驗深度0.5m，采用鉆機成孔時應在試驗段以上不小于1m處開始按旁壓試驗要求成孔。在地表以下可直接鉆一個與旁壓器適應的孔進行試驗，但往深以后如果仍然采用全孔直徑和旁壓器鉆孔，那么旁壓器不能順利下到試驗段，所以需要在試驗段以上1m鉆孔直徑必須比試驗段大，在旁壓試驗測試段重新換小鉆頭鉆進，才能順利進行試驗，這也大大降低了旁壓試驗的效率。

為了解決重復鉆孔問題，筆者在北京通州地區100m深孔進行旁壓試驗，采用法國梅納旁壓儀，試驗過程中設計一種變徑鉆頭，能夠一次完成預鉆引導孔和測試孔，較兩次鉆孔，效率提高一倍，在實際操作中取得了很好的效果。

1 旁壓試驗簡介

此次試驗使用法國APAGEO公司制造的MENADRD（GA）預鉆式旁壓儀，其結構由讀數箱、管路和旁壓器三部分組成。具體設備規格：旁壓器為NX型，測量腔外徑為70mm，底部鋼環直徑為75mm，固有腔體積Vc為786cm3，測量腔長度為210mm，最大工作壓力可達10MPa，最大測試深度可達100m以上。

旁壓試驗可理想化為圓柱孔穴擴張模型，并簡化為軸對稱平面應變問題。典型的旁壓曲線（壓力-體積變化量曲線）可分為3個階段：（1）Ⅰ（初始）階段，為彈性膜自由膨脹階段；（2）Ⅱ（似彈性）階段，壓力與體積變化量大致呈直線關系；（3）Ⅲ（塑性）階段，隨著壓力的增加，體積變化量也迅速增加（見圖1）。

開始旁壓試驗之前要對旁壓儀校準，包括旁壓膜約束力的校正（見圖2）和儀器綜合變形的校正（見圖3）。

2 旁壓試驗操作步驟

旁壓試驗要取得真實可靠的數據，獲取典型的旁壓曲線，需要嚴格按照以下操作步驟進行：（1）安裝監測箱；（2）連接氣瓶減壓閥，連接進氣管，打開氣瓶和減壓閥開關；（3）水路排氣；（4）壓差調節；（5）測試。

圖1 旁壓曲線3個階段圖示

3 旁壓試驗變徑鉆頭設計

上述旁壓試驗操作步驟中（1）～（4）均為試驗之前的準備工作，在鉆孔的同時即可完成。步驟（5）為旁壓試驗在試驗段測試，在分12級的情況下，一級持續1min，加壓過程一共12min，然后放氣5min，等待3min，一共20min做完一個點的測試。筆者曾經在通州地區進行大量的旁壓試驗，常規操作是預鉆一個較大孔徑的鉆孔至測試段以上1m，然后換75mm鉆頭鉆進試驗段2m，再將探頭放入測試段測試。第二次鉆孔需要提鉆，并拆卸鉆桿。提鉆完畢然后重新更換鉆頭，再一節一節鉆桿下放至孔底開始鉆進，然后再提鉆、再拆卸鉆桿，最后才能下放旁壓器測試。隨著深度的增加，換鉆頭鉆進這一過程的時間也增加，兩次鉆孔的方法顯然延長了試驗周期。筆者記錄了80m以下這一段時間大約需要持續2h，然而整個測試時間才20min，并且這一過程可以視為“無用功”。為了提高旁壓試驗的效率，筆者針對梅納旁壓試驗設計一種變徑鉆頭，能夠一次完成預鉆引導孔和測試孔，因此可以節省鉆探工時和避免反復提鉆對孔壁的擾動，直接進行旁壓試驗，大大提高了旁壓試驗的效率。

圖2 旁壓膜約束力的校正

圖3 儀器綜合變形的校正

將外徑為75mm的硬質合金鉆頭安裝在長度3m、外徑73mm的巖芯管底部，在巖芯管頂部套一根長度1m、外徑89mm的巖芯管，在巖芯管底部安裝外徑為75mm的硬質合金鉆頭，然后將兩個巖芯管頂部焊接在一起，結構非常簡單（見圖4）。在旁壓試驗段用這種變徑鉆頭鉆進，理想情況下，鉆孔底部以上2m為試驗段，鉆孔直徑為75mm，試驗段以上鉆孔直徑為91mm。根據實際鉆孔經驗，孔壁均有不同程度的擾動，而且鉆孔直徑比鉆頭直徑大。砂土試驗段孔徑一般比較大，能達到78～80mm，砂土自穩性差，控制不好容易塌孔，孔徑更大，無法進行旁壓試驗，需采用密度較大的泥漿護壁；黏性土試驗段孔徑一般比鉆頭直徑大1～2mm，土質較軟還會發生不同程度的縮徑。所以，要鉆出適合旁壓試驗的鉆孔孔徑，不僅鉆頭直徑要合適，還要配合適當的鉆探工藝。

圖4 變徑鉆頭剖面圖

4 旁壓試驗變徑鉆頭應用

以目標試驗段地下90m為例，采用DPP100型汽車鉆鉆孔，安裝好變徑鉆頭，用泥漿護壁，避免塌孔、縮徑，保證試驗順利進行。采用正循環鉆進，鉆至深度89m時（常規操作此處要提鉆，重新換鉆頭繼續鉆進），停泥漿泵，加壓低轉速鉆進至91m，然后原地回轉，再緩慢提鉆，過了試驗段可快速提鉆，到孔口以后將土取出，然后直接查看巖土的類別、塑性狀態、密實程度等。試驗段鉆孔的直徑一般為76～80mm，比旁壓器直徑大1～5mm，一般黏性土孔徑較小，砂土孔徑較大，滿足試驗段孔徑的要求。提完鉆需要迅速下放旁壓儀至試驗段進行旁壓測試，以免塌孔或縮徑。此次旁壓試驗設計間距2m、最深100m，工作量大，設計并應用這種變徑鉆頭，一次完成預鉆引導孔和測試孔，效率有很大程度的提高，在實際操作中取得了很好的效果，且這種鉆頭結構簡單、使用方便。

5 結束語

預鉆式旁壓試驗作為一種先進的原位測試技術，應力應變關系清晰，可以確定地基承載力及變形等參數。但旁壓試驗過程還是相對復雜，而且成孔以后，需要在旁壓試驗測試段重新換小鉆頭鉆進，這也大大降低了旁壓試驗的效率，以致旁壓試驗目前在國內使用得并不廣泛。為解決這些問題，筆者針對法國梅納旁壓儀設計了一種變徑鉆頭，在實際操作中取得了很好的效果，相信旁壓試驗在以后會有更廣闊的應用前景。