鉆孔徑向加壓試驗在強風化巖體勘察中的應用

何卓名

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

1 概述

近年來，隨著我國巖土工程的大力發展，工程勘察的活動越來越頻繁，勘察方法越來越多，對勘察試驗方法的精度要求也越來越高。工程設計所需要巖土的工程特性參數大部分是通過室內試驗得到的，然而，室內試驗的試樣小且受到一定程度的擾動，因此室內試驗所得參數的真實性以及準確性受到一定程度上的影響[1]。而且，強風化巖層具有較發育的裂隙以及易破碎的特點，勘察取樣工作遇到此類巖層很難保證樣品的完整，導致相關室內試驗無法進行。原位試驗相對于常規室內試驗可以有效減少土層擾動，以及取樣過程中的應力釋放，在保持土體的原有結構與應力狀態的條件下獲取土體的物理力學參數[2-3]。

本文基于廣東省深圳某工程項目針對地基巖體風化程度高而取樣困難的問題，進行現場原位勘察試驗。李輝等學者的研究表明，根據旁壓試驗的實測數據可以確定原狀土體的強度參數、變形模量和地基土承載力等力學參數[4-7]。本文使用加拿大Roctest公司研發的高精度鉆孔膨脹計PROBEX來進行循環徑向加壓試驗，探討鉆孔循環加壓試驗在勘察強風化的地基巖體中的應用。另一方面，旁壓試驗須結合現場條件和所用儀器的具體情況來制定試驗方案才可使試驗順利進行從而得到科學的試驗結果[8-11]。因此本文結合現場的實際情況，討論了鉆孔膨脹計PROBEX在使用過程中和數據處理時的步驟及所需要注意的事項。

2 試驗依據與試驗計劃

2.1 試驗依據

2.2 試驗計劃

2.2.1使用儀器

使用儀器為加拿大Roctest公司研發的鉆孔膨脹計PROBEX，該設備主要由膨脹探頭、交互液壓模塊、傳感器、加壓設備、數據讀出單元以及平板電腦組成，圖1、圖2為鉆孔膨脹計PROBEX的組成部分。

圖1 加壓與讀數元件示意

2.2.2試驗安排

使用鉆孔膨脹計PROBEX做原位勘測試驗時需先用鉆機鉆探成孔，膨脹計探頭直徑為73.7 mm，膨脹后探頭直徑最大可達到83.0 mm，試驗孔直徑必須大于探頭直徑而小于膨脹囊最大膨脹直徑，為了膨脹囊能與巖體盡早充分接觸，要求試驗孔直徑在75～80 mm之間為宜。

工作井底部的深度為37.0 m。試驗平臺位于工作井底，本文試驗設置了2個試驗孔，編號B1、B2，2個試驗孔之間間隔8 m(如圖3所示)。2個試驗孔的外觀及尺寸基本一致，因此下文只展示其中1個試驗孔的外觀圖以供參考(如圖4所示)。

圖3 試驗位置示意

圖4 B1孔外觀示意

伍釗源等學者的工程實踐表明，單孔旁壓試驗中，在保證試驗過程中規范操作的前提下，各試驗點深度的間距可以設計在2.0～3.0 m之間而不影響試驗數據的可靠性[14-17]。本文所使用的儀器膨脹囊長度為27.0 cm，試驗點間距在2.2～2.8 m。

初次勘察時，B1、B2兩孔鉆探深度分別為43.6 m和43.36 m，鉆孔地質柱狀圖顯示巖層交界面的深度在40.0 m左右且深度越大，風化程度越小。為了控制不同試驗孔的試驗點深度的一致性和驗證巖體堅硬程度隨深度的增加而增大的規律，本試驗在初次勘察的基礎上對試驗孔進行加工，使得2個試驗孔的底部試驗點在深度43.8m處，位于初勘鉆孔最大深度之下。中部試驗點設置在孔內深度41.0 m處，上部試驗點在38.8 m處。圖5及圖6從下至上的箭頭分別指示的為B1、B2試驗孔底部試驗點至上部試驗點在地質柱狀圖中的位置。B1、B2試驗孔在試驗深度附近部分的芯樣如圖7～8所示，取外觀尺寸符合要求的芯樣進行室內試驗，得到3個試驗深度附近巖芯的天然單軸抗壓強度以及泊松比，為驗證巖體堅硬程度和計算旁壓變形模量及旁壓彈性模量提供數據支撐。

會計電算化條件下的檔案管理主要是利用計算機設備進行會計相關數據資料的收集、存儲和處理，其中包括會計憑證、會計賬簿和報表等，這些會計核算相關檔案信息都是以計算機硬件和軟件為基礎進行管理的，這也是電算化會計檔案管理與傳統紙質檔案管理最大的區別，同時對于電算化會計檔案管理而言，復雜程度相對較高，所以實際的檔案管理過程中，需要加強重視力度，提高管理水平，確保電算化會計檔案管理工作的有效實施。

圖5 B1試驗孔地質柱狀示意

圖6 B2試驗孔地質柱狀示意

圖7 B1鉆孔巖芯示意

待鉆孔膨脹儀組裝完成，使用鉆機將其吊裝放進預設深度，從底部試驗點開始試驗，每次試驗根據膨脹膜能達到的最大體積分級(不少于8級)加載，采集每1級的體積與壓力原始數據，進行4～5次循環加壓試驗。通過修正和計算原始數據后得到試驗點的鉆孔旁壓變形模量及旁壓彈性模量后，對結果進行對比與分析。

圖8 B2鉆孔巖芯示意

3 試驗原理

3.1 鉆孔膨脹計PROBEX工作原理

PROBEX工作原理：把探頭放入鉆孔內的指定位置，然后開始加壓，通過讀取膨脹量和施加的壓力數據，進而計算得到巖體的徑向變形模量，計算公式為：

E=2(1+μ)(V0+Vm)(ΔP/ΔV)

(1)

式中E為測試曲線上P1和P2之間的旁壓變形模量或旁壓彈性模量；μ為泊松比；V0為測量探頭的原始體積，為1 950 cm3；Vm為ΔV中點對應的校正體積；ΔP為校正后的應力增量；ΔV為校正后的體積增量。

測點所受到的徑向膨脹應力P按下式計算：

P=Pr+Pl-Pc-P水

(2)

式中Pr為壓力表讀數；Pl為油泵與測點之間的高度差所產生的油柱壓力；Pc為相應容積下膨脹膜剛度修正；P水為測點處的靜水壓力。

膨脹膜在施加應力Pr后的體積V按下式計算：

V=Vr-Vc

(3)

式中Vr為平板電腦上的體積示值；Vc為膨脹膜體積修正值。

3.2 膨脹膜剛度與體積修正

由于膨脹膜自身有一定的剛度，在自由狀態下，為了使膨脹膜膨脹到一定的體積，需要給其施加一個相應的壓力Pc，因此鉆孔壁受到探頭的真實壓力P應由壓力表讀數扣除膨脹膜在該體積下對應的Pc后得到。

剛度Pc的標定方法為：組裝完成儀器后加壓，使膨脹膜無阻力下自由膨脹，在不同的體積值下采集膨脹儀的P值，直到體積達到膨脹儀最大體積。用上述得到的一系列數據畫出P～V曲線，即為鉆孔膨脹計PROBEX的壓力修正曲線。

又因為膨脹膜非剛性材料，在受到膨脹壓力時，膨脹膜產生壓縮變形，也會導致體積讀數增大，所以膨脹膜真實體積值是平板電腦上體積示值扣除由于膨脹膜自身變形所產生的體積值VC所得到。

體積VC標定方法為：將1個鋼筒套在膨脹膜上，然后給探頭加壓，繪制壓力體積關系P～V曲線，即為儀器的體積修正曲線(如圖9所示)。

圖9 壓力和體積修正曲線示意

4 徑向加壓試驗數據與結果分析

4.1 B1、B2號孔循環徑向加壓P～V曲線的繪制與修正

將采集到的B1孔底部試驗點的體積與壓力原始數據繪制P～V修正前曲線(見圖10)，再結合圖9修正曲線進行擬合修正，得到該試驗點的P～V修正后曲線(見圖11)。

圖10 B1號孔底部試驗點修正前P～V曲線示意

圖11 B1號孔底部試驗點修正后P～V曲線示意

通過相同的修正方法處理中部試驗點與上部試驗點的原始數據，得到中部試驗點修正前后P～V曲線(見圖12～13)，以及上部試驗點修正前后P～V曲線(見圖14～15)。

圖12 B1號孔中部試驗點修正前P～V曲線示意

圖13 B1號孔中部試驗點修正后P～V曲線示意

圖14 B1號孔上部試驗點修正前P～V曲線示意

圖15 B1號孔上部試驗點修正后P～V曲線示意

橫向對比上述3個試驗點的修正前及修正后曲線，修正前的曲線在無論壓力數據還是體積數據都有著一定的誤差，使用修正前的曲線進行旁壓變形模量和旁壓彈性模量的計算會導致結果有著較大的偏差。由此可知，結合儀器的修正曲線進行曲線修正是得到準確的試驗結果必須的步驟。

按照上述試驗步驟在B2號孔進行加壓試驗，擬合修正曲線后，得到B2號孔底部和中部的P～V修正后曲線如圖16～17所示。

圖16 B2號孔底部試驗點修正后P～V曲線示意

圖17 B2號孔中部試驗點修正后P～V曲線示意

4.2 試驗數據的分析及旁壓模量的計算

1)巖體進行旁壓試驗時，從加壓開始后會經歷塑性變形階段和彈性變形階段，部分會達到彈性變形階段后的破壞階段。塑性變形階段和彈性變形階段分別對應曲線的彎曲部分和直線部分。旁壓變形模量由巖體總體積變量與總應力變量推算得出，旁壓彈性模量則由巖體彈性變形階段的體積與應力增量計算得到，二者均是使用公式(1)進行計算。

2)由4.1節中各試驗點修正后曲線可知，每一次循環試驗的P～V曲線在初始階段會存在應力P為0的水平線段，其原因為試驗桿膨脹囊未與試驗孔壁接觸。在進行計算旁壓變形模量的時候，應選擇膨脹囊與孔壁開始接觸時的體積讀數作為計算的初始體積。

2)各試驗點第1次徑向加壓試驗得到的體積變化與應力變化為試驗點的總體積變化與總應力變化，因此根據第一次徑向加壓的數據與P～V圖像可得到試驗點的旁壓變形模量。

3)選擇每次循環曲線的直線部分來計算當次循環的旁壓彈性模量。隨著循環次數的增加，孔壁塑性變形會逐漸減少，通過多次循環加壓后的P～V曲線及數據計算得到的旁壓模量會越來越趨近試驗點旁壓彈性模量的真實值。

4)B1、B2試驗孔巖芯的室內試驗結果見表1所示。依照3.1節的計算方法，公式(1)中泊松比μ按表1根據試驗部位取值，結合各試驗點修正后的數據，使用第1次加壓的總壓力變化量與總體積變化量來計算該實驗部位的旁壓變形模量。取其余加壓次數的修正后曲線的直線部分相鄰3個點計算，得到對應加壓次數的2個旁壓彈性模量，結果見表2。

表1 巖芯室內試驗成果

表2 旁壓變形模量及旁壓彈性模量結果 MPa

5)鉆孔時的操作問題導致B2上部孔徑偏大，以至于膨脹囊膨脹到體積最大時仍無法與孔壁接觸，所以B2上部旁壓試驗數據缺失。由此可見，為了循環徑向加壓試驗可以順利進行，在進行預鉆孔時，試驗孔的直徑須控制一定范圍內。

5 結語

1)根據試驗點第1次徑向加壓的數據與P～V圖像進行計算后可以得到試驗點的旁壓變形模量。

2)循環曲線的直線部分的數據可以計算出當次循環的旁壓彈性模量，而且隨著循環次數的增加，計算得到的旁壓彈性模量會越來越趨近試驗點旁壓彈性模量的真實值。表1的數據表明，循環次數達到3次以上，旁壓彈性模量的變化就相對較小，可以選取3次以上循環試驗的旁壓彈性模量作為試驗點的旁壓彈性模量。

3)巖體的旁壓變形模量與旁壓彈性模量可反映巖體的堅硬程度和承載力性能，旁壓變形模量與彈性模量越大，巖體堅硬程度和承載力越高。表1及2的數據表明，試驗點的旁壓變形模量、旁壓彈性模量以及巖芯的單軸抗壓強度隨著孔深的增加而逐漸增大，即隨著深度的增加，地基巖體的強度和堅硬程度在逐漸變大。這一結論與地質柱狀圖及巖芯圖反應附近巖層風化程度的規律相符。

4)由本文上述試驗得到的結果可知，鉆孔膨脹計PROBEX不僅可以用于隱蔽工程的強度檢測，并且還可以用于地基巖體原位勘測試驗，通過徑向加壓試驗以及一些列數據處理與計算能得到設計所用的重要參數。

5)采用預鉆的方式進行徑向加壓試驗時，要注意控制預制孔的直徑大小。把鉆孔直徑控制在探頭膨脹囊無加壓情況下的直徑和膨脹最大體積下的直徑之間，在循環加壓試驗過程中方可順利采集到巖體試驗數據。