预钻式旁压试验在厦门地铁岩土工程勘察中的应用

郭建波 刘晓明

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

1 概况

拟建厦门地铁1号线全线长度为31.265 km，其中地下线26.9 km，地面线2.2 km，高架线2.165 km;设车站27座，其中地下站26座、地面站1座;平均站距全程1.3 km，本岛1.0 km，跨海段3.3 km，岛外1.4 km。勘察场区岩土层结构较复杂，覆盖层厚薄不一，主要由上部人工填筑层(Qs)、第四系海积层(Qm4)和冲洪积层(Qal-pl3)、第四系残坡积层(Qel-dl)及下部燕山晚期花岗岩(γ3(1)b5)的不同风化层构成。地铁隧道主要穿越地层为第四系松散堆积物地层及花岗岩残积土—全、强风化层，岩土体的岩性岩相、工程地质多样性及其显著的差异，现场钻探取试样和室内试验的方法对准确取得松散地层尤其是花岗岩残积土—全、强风化层的物理力学性质的难度较大［1］。为了获取必要的岩土物理力学指标，为工程设计提供科学可靠的力学参数，在厦门地铁1号线一标段全段开展了预钻式旁压试验工作。

2 实验原理及仪器

2.1 测试方法简介

旁压实验是工程地质勘察中一种常用的原位测试技术，实质上是一种利用钻孔做的原位横向载荷实验［2］。其原理是通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压器膨胀，并由旁压膜(或护套)将压力传给周围土体(或软岩)，使土体(或软岩)产生变形直至破坏，并通过测量装置测出施加的压力和土体(或软岩)变形之间的关系，然后绘制应力-应变(或钻孔体积增量、或径向位移)关系曲线，根据这种关系对孔周围所测土体(或软岩)的承载力、变形性质等进行评价［3］。本次旁压试验所用仪器为法国APAGEO公司生产的PRESSUREMETER旁压仪，此旁压仪最大测试压力可达10 MPa，探头采用G型三腔式旁压探头，(探头外径74 mm，测量腔长度220 mm，容积为880 cm3)。根据试验的读数可以得到应力—应变或体积—压力之间的关系曲线，据此可用来对试验土体进行分类，评估它的物理状态，提供旁压模量、不排水抗剪强度等指标。

2.2 测试原理

旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，并简化为轴对称平面应变问题［4］。典型的旁压曲线为压力P—体积变化量V曲线(图1)，该曲线可分为三个阶段。

Ⅰ(初始)阶段:弹性膜自由膨胀阶段。

Ⅱ(似弹性)阶段:压力与体积变化量大致呈直线关系。

Ⅲ(塑性)阶段:随着压力的增加，体积变化量也迅速增加。

图1 典型的旁压曲线

Ⅰ-Ⅱ阶段的界限压力相当于初始水平应力P0;Ⅱ-Ⅲ阶段的界限压力相当于临塑压力Pf;Ⅲ阶段末尾渐近线的压力为极限压力PL。

根据似弹性阶段直线的斜率，由轴对称平面应变问题的弹性解可得旁压模量Em、旁压剪切模量Gm

式中 μ——泊松比，试验建议值，一般正常固结和轻度超固结砂土和粉土取0.33，可塑和坚硬状态黏性土取0.38，软塑黏性土、淤泥和淤泥质土取0.41;花岗岩残积砂质黏性土取0.37，花岗岩残积砾质黏性土取0.35，全风化花岗岩取0.33，散体状强风化花岗岩取0.31。

Vc——旁压器测量腔的固有体积，880 cm3;

V0——P0对应的体积;

Vf——临塑压力Pf对应的体积/cm3;

ΔP/ΔV——旁压曲线似弹性直线段的斜率/(kPa/cm3);

Em——旁压模量/MPa;

Gm——旁压剪切模量/MPa。

3 旁压实验

3.1 实验准备

(1)旁压仪的校正

即旁压膜约束力的校正和仪器综合变形的校正。

在下列条件下仪器应该校正:

①新旁压仪首次使用，两项校正均需进行;

②更换新弹性膜需进行弹性膜约束力校正;

③弹性膜一般进行20次或48 h后应重新校正;

④接长或缩短导管需进行仪器综合校正。

(2)弹性膜约束力的校正

将旁压器竖立于地面，让弹性膜在自由膨胀情况下进行。校正前，先对弹性膜进行加压，使其达到700 cm3膨胀量，再退压，反复4～5次，然后进行校正试验。压力增量为25 kPa，读出体积的变化V，以测得压力P和体积V绘制P-V曲线，即为弹性膜约束力校正曲线。

(3)仪器综合变形的校正

将旁压器放进校正试验管内(一般用无缝钢管或高强有机玻璃管)，使旁压器弹性膜受到径向限制，压力增量为100 kPa，G型探头可加到7 MPa终止试验，各级压力下的观测时间与正式试验一致，测得压力P与体积V关系曲线，其直线段对P轴的斜率ΔV/ΔP，即为仪器综合变形系数。

(4)旁压仪的准备

试验前旁压仪各部分的连接和仪表调零，体积测量用纯净水的准备与灌入。

3.2 成孔要求

成孔质量是预钻式旁压试验成败的关键，为保证成孔质量应注意:

①孔壁垂直、光滑、呈规则圆形，尽可能减少对孔壁的扰动;

②软弱土层(易发生缩孔、坍孔)用泥浆护壁;

③钻孔孔径应略大于旁压器外径，一般宜大2～8 mm，即钻孔孔径为76～82 mm，但不宜过大。

在厦门地铁1号线勘察中，采用了外径75 mm的合金钻头进行开孔，成孔直径约79 mm，满足测试要求。

3.3 测点布置

旁压试验测点的布置，应在了解地层剖面的基础上进行，合理地布置在有代表性的位置，保证旁压器的量测腔在同一土层内，相邻试验点的垂直距离不宜小于1 m［5］，同一土层的试验点数满足工程的设计要求。

3.4 现场操作

(1)加荷等级的选择

一般根据土的临塑压力或极限压力而定，在无法预估的情况下，不同土类的加荷等级可按表1确定［6］。

(2)加荷速率

采用规范规定的3 min的快速法，加荷后按30 s、60 s、120 s和180 s读数，快速加荷所得的旁压模量相当于不排水模量。

(3)放入旁压器

当成孔结束后，尽快把旁压器放到指定位置。

(4)加压试验

表1 旁压试验的加荷等级

静水压力确定后，打开测管阀和辅管阀，把静水压力作为第一级荷载，开始试验，以后的荷载按加荷等级加载试验。

(5)试验结束

旁压试验结束后，提取旁压器。

旁压试验终止条件:

①加荷接近或达到极限压力;

②量测腔的扩张体积相当于量测腔的固有体积，避免弹性膜破裂。

4 实验成果及分析

4.1 各级压力和相应体积的校正

压力的校正利用公式

式中 P——校正后的压力/kPa;

Pm——压力表读数/kPa;

Pw——静水压力/kPa;

Pi——弹性膜约束力/kPa，由各级总压力(Pm+Pw)所对应的体积查弹性膜约束力校正曲线取得。

体积的校正利用公式

式中 V——校正后的体积/cm3;

Vm——测管读数/cm3;

a——仪器综合变形校正系数/(cm3/kPa)。

4.2 旁压试验曲线的绘制

根据校正后的压力和体积数据，绘出压力—孔壁土被压缩的体积变化量，即P-V曲线。

4.3 特征值的确定与计算

利用旁压试验确定地基土参数，首先要从旁压试验P—V曲线确定P0—地层原始水平应力、Pf—临塑荷载和PL—极限荷载。

P0—地层原始水平应力的确定:

延长P—V曲线直线段与纵坐标轴相交，截距为V0，过截距作与横坐标轴的平行线，与P—V曲线相交点对应的压力即为P0。

Pf—临塑荷载的确定:

以P—V曲线直线段的终点对应的压力为Pf。

PL——极限荷载的确定:

可由P—V曲线末段曲线延伸外推确定或作P—1/V(大于Pf的数据)关系曲线(近似直线)，取1/(2V0+Vc)所对应的压力即为PL。

旁压模量Em、旁压剪切模量Gm和弹性模量E0、压缩模量ES:

根据公式(1)和(2)所述确定旁压模量和旁压剪切模量。地基土的压缩模量ES、变形模量E0以及其变形参数可由地区经验公式确定。《铁路工程地基土旁压测试技术规程》编制组通过与平板载荷试验对比，得出如下估算地基土变形模量的经验关系。

对一般黏性土［7］

对硬黏土［8］

另外，通过与室内试验成果对比，建立起了估算地基土压缩模量的经验关系式

式中 E0——土的弹性模量/MPa;

Es——压缩模量/MPa。

计算浅基础承载力fk

浅基础的承载力用极限压力法，该方法以净极限压力为依据。地基承载力标准值fk可按下式确定

其中k取2～3，fk取小值。

地基横向基床系数Kh

根据初始压力和临塑压力，可采用下式估算地基土的侧向基床系数

式中 Rf——临塑压力时钻孔空腔的半径;

R0——初始压力时钻孔空腔的半径;

Rf和R0通过Vc+V0和Vc+Vf以及测试腔长度求得。

砂类土的有效内摩擦角:

砂类土的有效内摩擦角可按下式估算φ′

5 工程应用

5.1 实验成果

旁压实验在厦门地铁1号线中主要用来确定地基基本承载力和水平基床系数，同时利用现场标贯数据同旁压试验计算得出的地基承载力及水平基床系数进行对比分析［10］。

5.2 试验结果分析

(1)分析花岗岩不同程度风化层的水平基床、承载力标准值可以看出，随着风化程度的加重，细粒含量比重加大，岩土体的旁压模量和承载力均大幅降低，散体状强风化的强度和变形参数明显高于全花岗岩残积土。

(2)对同一钻孔，相同土性的土体来说，其强度指标随深度的增加呈规律性地增强。

(3)通过承载力、水平基床系数与标贯击数的关系曲线(图2，图3)看出，随着风化程度的加重，旁压试验参数的大小变化规律与标贯击数的变化规律是一致的，承载力、水平基床系数与标贯击数具有较好的一致性。

图2 地基承载力与标贯击数关系曲线

图3 水平基床系数与标贯击数关系曲线

6 主要结论及影响因素分析

旁压试验的主要成果是测试土体横向的变形和力学特性，通过旁压测试求得的旁压模量等参数利用经验公式间接得到土体的变形模量、压缩模量、承载力等重要参数。其理论上采用完善的弹性及弹塑性理论，实验设备结构简单、携带轻便、操作方便、测试迅速、成果可靠，可在不同的深度进行实验，且不受地下水的限制，具有较强的实用意义。而由少量试验样本取得的经验公式的普遍适用性值得探讨，尤其是针对类似于厦门地铁1号线花岗岩残积土和全强风化等特殊岩土的经验关系更是鲜有所见，本报告目前只能套选性质较为接近的黏性土和砂性土的经验公式对相关参数进行估算和统计分析，估算结果的准确性有待更多原位测试的检验。

旁压试验受钻孔孔径、钻孔内的泥浆压力、钻孔对岩土层原始状态的扰动以及钻孔成孔时间等影响，因此在试验中应该保证钻孔质量，并且试验应该在钻孔成孔后立即进行，以免造成缩孔和塌孔以及对孔周土体的扰动，造成个别位置试验曲线初始阶段的缺失或失真。

由于该工程为地下隧道，土体松散破碎，黏性不高，差异风化形成水平向的不均匀性，造成相同深度、不同钻孔位置强风化花岗岩力学指标上存在一定的差异，这些因素在设计过程中应该给予应有的重视。

［1］ 王成恩.日照地区花岗岩风化带的划分及工程评价［J］ .铁道勘察，2011(5)

［2］ 王福，高敏，等.旁压试验等体积增加测试方法研究［J］.铁道勘察，2011(6)

［3］ 孟高头.土体原位测试机理方法及其应用［M］.北京:地址出版社，1997

［4］ 徐超，石振明，高彦斌，等.岩土工程原位测试［M］.上海:同济大学出版社，2005

［5］ 北京市规划委员会.GB50307—2012 城市轨道交通岩土工程勘察规范［S］.北京:中国计划出版社，2012

［6］ 中华人民共和国建设部.GB50021—2001 岩土工程规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，

［7］ 马百财，贾乃康.满洲里地区残积土的工程性质［J］.铁道勘察，2005(2)

［8］ 夏玉斌，等.滨海区海相沉积土压缩模量的试验研究［J］.工程地质学报，2013(3)

［9］ 李均山，等.福建某高速公路隧道强风化花岗岩的旁压试验［J］.煤田地质与勘探，2013(3)

［10］周明，等.岩土原位测试旁压试验的数据处理方法［J］.广东土木与建筑，2012(11)