北京通州地区旁压试验估算水平基床系数的探讨

李超 刘予 梁嗣曦 肖景泽 何静 李敏 何晗晗

摘  要：水平基床系数是地下工程设计的重要参数，其数值的准确性关系到工程的安全性和经济性，由于技术原因水平基床系数是比较难确定的参数，旁压试验作为一种原位试验，应力应变关系清晰，估算水平基床系数具有很好的可靠性。在通州地区0～100m深度范围内，针对黏性土及砂土，采用旁压试验法估算水平基床系数。结果表明：通过对0～100m深度范围内粉质黏土及砂土旁压试验，标准贯入试验获取的基床系数和规范经验值进行对比，可以采用旁压试验引进折减系数获取水平基床系数。30m以上可塑粉质黏土，修正系数可取0.23，30～80m密实砂土修正系数可取0.15，80m以下可塑-硬塑粉质黏土修正系数可取0.20。

关键词：旁压试验;水平基床系数;标准贯入试验：地下空间;地下工程;岩土工程勘察

Estimation of Horizontal Bed Coefficient by Pressuremeter Test in

Tongzhou Area， Beijing

LI Chao1， LIU Yu1， LIANG Sixi1， XIAO Jingze1， HE Jing1， LI Min2， HE Hanhan1

（1.Beijing Institute of Geology， Beijing 100195;

2.Information Center of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau， Beijing 100195）

Abstract： Horizontal bed coefficient is an important parameter in underground engineering design， and the accuracy of its numerical value is related to the safety and economy of the project. Because of technical reasons parameters are difficult to determine. As a kind of in situ testing， the stress-strain relationship of pressuremeter test is clear， and it is reliable to estimate the horizontal coefficient of subgrade reaction. In the depth of 0-100 meters in Tongzhou area， a method for estimating the horizontal coefficient of subgrade reaction by pressuremeter tests on cohesive soil， silt and sandy soil in Tongzhou area has been obtained. By comparing the horizontal coefficient of subgrade reaction and standard experience value obtained by pressuremeter test and standard penetration test of silty clay and sand in the depth range of 0～100m， we can obtain the horizontal coefficient of subgrade reaction by using pressuremeter test and reduction coefficient. For plastic silty clay of over 30 meters， the correction factor may be taken as 0.23; for dense sand of 30～80 meters， the correction factor as 0.15; for plastic hard plastic silty clay of below 80 meters， the correction factor as 0.20.

Keywords： Pressuremeter test; Horizontal bed coefficient; Standard penetration test; Underground space; Underground engineering; Geotechnical engineering investigation

0 前言

北京作为国际性的大都市，在地下空间开发利用方面已经进入了一个飞速发展的阶段，北京地下空间开发利用深度规划最深将大于地下50m深度（北京城市总体规划（2016年—2035年）。随着地下空间开发深度的增加，准确确定深部土体水平基床系数就显得至关重要。

Kh目前测定水平基床系数的方法（城市轨道交通巖土工程勘察规范，GB 50307-2012），现场原位测试包括：现场载荷试验、旁压试验、扁穿侧胀试验等。现场载荷板试验方法是确定基床系数最基本也是最直接的方法，他的物理意义明确，也最能反应实际情况，但由于试验条件的有限性，现场载荷板试验适用浅部（5m以内）;扁铲侧胀试验适用于软土、一般黏性土、粉土和松散—中密的砂土。旁压试验目前在国内使用的还不广泛，通过本文研究，涂启柱（2018）建立旁压试验确定水平基床系数的方法，并通过对比试验研究建立旁压试验确定水平基床系数与静力触探贯入阻力的经验关系，王小卫等（2013）在南京地铁建设中对旁压试验资料进行了研究，确立了旁压试验确定水平基床系数的理论依据及其结果的可靠性。北京地区旁压测试深度范围2.5～46m，50m以下的试验数据几乎没有（高层建筑岩土工程勘察标准，JGJ/T 72-2017）。北京平原区深部一般均为可塑至硬塑黏性土，密实的粉土及砂土，作者在北京通州地区深部（100m以内）进行了旁压试验，并根据旁压试验得出了估算土体水平基床系数方法以及数据，取得了较好的效果。

1试验场地的工程地质概况

根据对现场钻探、原位测试与室内土工试验成果的综合分析，在通州地区钻探最大深度100m范围内揭露的地层，按成因类型、沉积年代可划分为人工堆积层、一般第四纪沉积层，按岩性特征、物理力学性质进一步划分为12个大层，自上而下分述如表1：

2 试验方法

2.1 旁压试验简介

旁压仪构造，本次使用法国APAGEO公司制造的MENADRD（GA）预钻式旁压仪。其结构由读数箱、管路和旁压器3部分组成。具体设备规格如下：旁压器为NX型（测量腔外径为70mm、固有腔体积Vc为786cm3、测量腔长度为210mm），最大工作压力可达10MPa，最大测试深度可达100m以上。

旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张模型，并简化为轴对称平面应变问题。典型的旁压曲线（压力—体积变化量曲线）可分为3个阶段（图1）：

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。

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P1。

开始旁压试验之前要对旁压仪校准，包括旁压膜约束力的校正和仪器综合变形的校正 ，新旁压仪首次使用，两项校正均需进行;更换新弹性膜需进行弹性膜约束力校正;弹性膜一般进行20次或48小时后应重新校正;接长或缩短导管需进行仪器综合校正。

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，使其达到一定的（600cm3）膨胀量，再退压，反复4～5次。然后进行校正试验，压力增量为25kPa，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（图2）。

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），在旁压器弹性膜受到径向限制的情况下进行。压力增量为100kPa，一般加到800kPa以上终止试验，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，其直线对P轴的斜率△V/△P，即为仪器综合变形系数。本次旁压试验严格按照操作规程进行校准，旁压曲线完整，应力应变关系清晰（图3）。

2.2 旁压试验操作步骤

旁压试验要取得真实可靠的数据，获取典型的旁压曲线，需要严格按照以下操作步骤。

（1）安装监测箱

（2）连接气瓶减压阀、连接进气管、打开气瓶和减压阀开关

（3）水路排气：①将出气管和出水管插入出气管和出水管插孔、将漏斗插入水箱進水插孔、将泄压开关打到排水档、水路开关位于工作档位，再从漏斗倒入纯净水，让水在自重条件下进入水箱。②打开探头底部排水阀，让水从排水孔排出。如要加快排水速度，可将漏斗拔出，将泄压阀打到工作状态，气压开关位于关闭档（作用为不让气压进入保护腔），水从排水孔排出后，把探头倒置，轻轻拍打探头，直到看不到气泡后，将排水阀关闭。

（4）压差调节：①将出气管和出水管从出气管和出水管插孔拔出，所有开关位于工作状态。②压差=气压-水压，根据测试深度由监测箱左上角查表。③测试深度由测试深度调节阀调节，分两档：0～10m和10m以上。④慢慢调节主压力调节阀，按表内显示压差值由差压调节阀调节。在不同的压力下多调节几次（校正过程）。如调节压力过大仍然没有调节好，可重新泄压后再调节。⑤差压调节好后，关闭主压力调节阀，将泄压开关打到排气档，排完气后等待测试。

（5）测试：①将探头放入测试点，保证探头进入测试孔段。②分级：根据地层情况分8～12级。③加压：在不同分级压力下按15s、30s、60s读数，当体变大于700cm3或压力已达极限时终止试验。④泄压：首先关闭主压力调节阀，然后将泄压开关打到排水档，先将水压回到监测箱，随后将泄压开关打到排气档，慢慢放气，保持气压大于水压，以利于回水，当水位回到零刻度时，将水路开关关闭，水路、气路压力全部排尽，并将泄压开关打到排气档，等待2～3min，让探头外膜收缩到原始状态，再将探头提出孔外。

（6）重复第4、第5步骤，做下一个测点试验。

（7）测试工作结束后，关闭气瓶和减压阀开关，将泄压开关打到排气档，打开主压力调节阀（加压），直到监测箱进气压力表压力显示为零，关闭主压力调节阀，最后拔出进气管、出气管和出水管，卸掉减压阀，测试工作结束。

3 旁压试验获取水平基床系数

取旁压试验（似弹性）阶段：压力的增量与体积变化量大致呈直线关系计算侧向基床系数的计算公式（宋韩菲，2014）如下：

式中：Kh为侧向基床系数，Pf为临塑压力，P0为初始压力，Rf为临塑压力Pf对应的旁压器半径，R0为初始压力P0对应的旁压器半径。

根据旁压探头的结构有如下关系式

式中：H为旁压仪测量腔长度，Vc 为旁压器量测腔初始固有体积（cm3）786（cm3） ，Vo 为与初始压力P0对应的体积（cm3），Vf为与临塑压力Pf对应的体积（cm3）。

4 试验数据

根据旁压试验实测数据并按照公式（1）计算各层土水平基床系数，同时对该层位也进行了标准贯入试验，将旁压试验估算的水平基床系数Kh以及标准贯入击数综合统计，统计结果见表2。

根据表2计算水平基床系数，对于深部的黏性土80m以下水平基床系数明显大于30m以内浅部黏性土。深部黏性土孔隙比小，塑性指数较低，抗变形能力较强。对于砂土来说，水平基床系数总体比黏性土要大。

水平基床系数与旁压模量有很好的对应关系，它们有相同的变化趋势，反应出水平基床系数和旁压模量之间的密切关系，水平基床系数数值是旁压模量数值的大致15～19倍，说明水平基床系数和旁压模量成正比，成线性关系。

水平基床系数的大小和土体的旁压模量，即土的软硬有直接关系，土体压缩性小，抵抗变形的能力越强，水平基床系数就越大。

5 基床系数各种获取方法及成果对比分析

30m以内黏性土计算的水平基床系数约比规范经验值大6～10倍，30～80m砂土旁压试验值约是经验值的10～15倍，80m以下黏性土旁压试验值约是经验值的8～12倍。

考虑到实际工程中的土体工作状态多处于弹塑性阶段或塑性阶段，该公式计算出的结果往往偏大很多，旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，相对于轴对称平面应变问题，圆柱空穴的抗变形能力更强，测试得到基床系数更大（刘志强等，2006），需对测试结果进行一定的经验修正。

已有结果研究表明，旁压试验获得的基床系数，黏性土修正系数可取0.25～0.35;饱和的砂土层，其修正系数采用0.20～0.30（宋韩菲，2014）。

通过对比分析，北京通州地区30m以内黏性土修正系数可取0.23，30～80m砂土修正系数可取0.15，80m以下黏性土修正系数可取0.20.

基床系数与地基土的标准贯入击数 N的经验关系为K=（1.5～3.0）N（城市轨道交通岩土工程勘察规范，GB50307-2012）。

将旁压试验，标贯计算值，规范经验值三者对比，见表3。

从对比分析表可以看出，30m之内黏性土修正后的水平基床系数与标贯计算值以及规范经验值基本吻合。而深部砂土和黏性土旁压试验值比经验值明显偏大，约是规范经验值（密实砂土和深部黏性土取大值）的2倍。经验值只考虑了密实度的影响，主要是根据岩土工程勘察报告中提供的数值。

旁压试验估算水平基床系数与标准贯入试验击数的对比数据，对于一般的黏性土K可按（1.5～3.0）N估算，深部黏性土可取大值，对于30m以下密实砂土标贯计算值比修正后的旁压试验值和经验值大。通过旁压试验值与标贯击数对比，深部密实的砂土层基床系数K可取0.8N。

6 结语

（1）采用旁压试验确定水平基床系数是可行的，优点是避免土体扰动，试验简单，操作方便，特别适用于深部密实砂土层。

（2）北京通州地区30m以内黏性土水平基床系数经验修正系数可取0.23，30～80m砂土修正系数可取0.15，80m以下黏性土修正系数可取0.20。

（3）通过对试验数据统计分析，得出旁压试验确定的水平基床系数与标准贯入击数经验关系，30～80m砂土K=0.8N，80～100m黏性土K=（2～3）N。

（4）规范经验值与计算结果相比显著偏小，偏于保守。北京地下空间开发利用深度越来越深，准确确定水平基床系数就显得至关重要。在通州100m深度范围通过旁壓试验确定水平基床系数，取得了很好的效果，可以作为设计的参考。

本文仅从旁压试验本身所得的应力应变关系确定水平基床系数，水平基床系数所受的影响因素较多，结构物的位移、埋深应力水平、应力状态等因素都影响着基床系数，使之不易确定，使用过程中仍有许多问题值得研究。

参考文献：

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