钻孔径向加压试验在强风化岩体勘察中的应用

何卓名

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510170)

1 概述

近年来，随着我国岩土工程的大力发展，工程勘察的活动越来越频繁，勘察方法越来越多，对勘察试验方法的精度要求也越来越高。工程设计所需要岩土的工程特性参数大部分是通过室内试验得到的，然而，室内试验的试样小且受到一定程度的扰动，因此室内试验所得参数的真实性以及准确性受到一定程度上的影响[1]。而且，强风化岩层具有较发育的裂隙以及易破碎的特点，勘察取样工作遇到此类岩层很难保证样品的完整，导致相关室内试验无法进行。原位试验相对于常规室内试验可以有效减少土层扰动，以及取样过程中的应力释放，在保持土体的原有结构与应力状态的条件下获取土体的物理力学参数[2-3]。

本文基于广东省深圳某工程项目针对地基岩体风化程度高而取样困难的问题，进行现场原位勘察试验。李辉等学者的研究表明，根据旁压试验的实测数据可以确定原状土体的强度参数、变形模量和地基土承载力等力学参数[4-7]。本文使用加拿大Roctest公司研发的高精度钻孔膨胀计PROBEX来进行循环径向加压试验，探讨钻孔循环加压试验在勘察强风化的地基岩体中的应用。另一方面，旁压试验须结合现场条件和所用仪器的具体情况来制定试验方案才可使试验顺利进行从而得到科学的试验结果[8-11]。因此本文结合现场的实际情况，讨论了钻孔膨胀计PROBEX在使用过程中和数据处理时的步骤及所需要注意的事项。

2 试验依据与试验计划

2.1 试验依据

2.2 试验计划

2.2.1使用仪器

使用仪器为加拿大Roctest公司研发的钻孔膨胀计PROBEX，该设备主要由膨胀探头、交互液压模块、传感器、加压设备、数据读出单元以及平板电脑组成，图1、图2为钻孔膨胀计PROBEX的组成部分。

图1 加压与读数元件示意

2.2.2试验安排

使用钻孔膨胀计PROBEX做原位勘测试验时需先用钻机钻探成孔，膨胀计探头直径为73.7 mm，膨胀后探头直径最大可达到83.0 mm，试验孔直径必须大于探头直径而小于膨胀囊最大膨胀直径，为了膨胀囊能与岩体尽早充分接触，要求试验孔直径在75～80 mm之间为宜。

工作井底部的深度为37.0 m。试验平台位于工作井底，本文试验设置了2个试验孔，编号B1、B2，2个试验孔之间间隔8 m(如图3所示)。2个试验孔的外观及尺寸基本一致，因此下文只展示其中1个试验孔的外观图以供参考(如图4所示)。

图3 试验位置示意

图4 B1孔外观示意

伍钊源等学者的工程实践表明，单孔旁压试验中，在保证试验过程中规范操作的前提下，各试验点深度的间距可以设计在2.0～3.0 m之间而不影响试验数据的可靠性[14-17]。本文所使用的仪器膨胀囊长度为27.0 cm，试验点间距在2.2～2.8 m。

初次勘察时，B1、B2两孔钻探深度分别为43.6 m和43.36 m，钻孔地质柱状图显示岩层交界面的深度在40.0 m左右且深度越大，风化程度越小。为了控制不同试验孔的试验点深度的一致性和验证岩体坚硬程度随深度的增加而增大的规律，本试验在初次勘察的基础上对试验孔进行加工，使得2个试验孔的底部试验点在深度43.8m处，位于初勘钻孔最大深度之下。中部试验点设置在孔内深度41.0 m处，上部试验点在38.8 m处。图5及图6从下至上的箭头分别指示的为B1、B2试验孔底部试验点至上部试验点在地质柱状图中的位置。B1、B2试验孔在试验深度附近部分的芯样如图7～8所示，取外观尺寸符合要求的芯样进行室内试验，得到3个试验深度附近岩芯的天然单轴抗压强度以及泊松比，为验证岩体坚硬程度和计算旁压变形模量及旁压弹性模量提供数据支撑。

会计电算化条件下的档案管理主要是利用计算机设备进行会计相关数据资料的收集、存储和处理，其中包括会计凭证、会计账簿和报表等，这些会计核算相关档案信息都是以计算机硬件和软件为基础进行管理的，这也是电算化会计档案管理与传统纸质档案管理最大的区别，同时对于电算化会计档案管理而言，复杂程度相对较高，所以实际的档案管理过程中，需要加强重视力度，提高管理水平，确保电算化会计档案管理工作的有效实施。

图5 B1试验孔地质柱状示意

图6 B2试验孔地质柱状示意

图7 B1钻孔岩芯示意

待钻孔膨胀仪组装完成，使用钻机将其吊装放进预设深度，从底部试验点开始试验，每次试验根据膨胀膜能达到的最大体积分级(不少于8级)加载，采集每1级的体积与压力原始数据，进行4～5次循环加压试验。通过修正和计算原始数据后得到试验点的钻孔旁压变形模量及旁压弹性模量后，对结果进行对比与分析。

图8 B2钻孔岩芯示意

3 试验原理

3.1 钻孔膨胀计PROBEX工作原理

PROBEX工作原理：把探头放入钻孔内的指定位置，然后开始加压，通过读取膨胀量和施加的压力数据，进而计算得到岩体的径向变形模量，计算公式为：

E=2(1+μ)(V0+Vm)(ΔP/ΔV)

(1)

式中E为测试曲线上P1和P2之间的旁压变形模量或旁压弹性模量；μ为泊松比；V0为测量探头的原始体积，为1 950 cm3；Vm为ΔV中点对应的校正体积；ΔP为校正后的应力增量；ΔV为校正后的体积增量。

测点所受到的径向膨胀应力P按下式计算：

P=Pr+Pl-Pc-P水

(2)

式中Pr为压力表读数；Pl为油泵与测点之间的高度差所产生的油柱压力；Pc为相应容积下膨胀膜刚度修正；P水为测点处的静水压力。

膨胀膜在施加应力Pr后的体积V按下式计算：

V=Vr-Vc

(3)

式中Vr为平板电脑上的体积示值；Vc为膨胀膜体积修正值。

3.2 膨胀膜刚度与体积修正

由于膨胀膜自身有一定的刚度，在自由状态下，为了使膨胀膜膨胀到一定的体积，需要给其施加一个相应的压力Pc，因此钻孔壁受到探头的真实压力P应由压力表读数扣除膨胀膜在该体积下对应的Pc后得到。

刚度Pc的标定方法为：组装完成仪器后加压，使膨胀膜无阻力下自由膨胀，在不同的体积值下采集膨胀仪的P值，直到体积达到膨胀仪最大体积。用上述得到的一系列数据画出P～V曲线，即为钻孔膨胀计PROBEX的压力修正曲线。

又因为膨胀膜非刚性材料，在受到膨胀压力时，膨胀膜产生压缩变形，也会导致体积读数增大，所以膨胀膜真实体积值是平板电脑上体积示值扣除由于膨胀膜自身变形所产生的体积值VC所得到。

体积VC标定方法为：将1个钢筒套在膨胀膜上，然后给探头加压，绘制压力体积关系P～V曲线，即为仪器的体积修正曲线(如图9所示)。

图9 压力和体积修正曲线示意

4 径向加压试验数据与结果分析

4.1 B1、B2号孔循环径向加压P～V曲线的绘制与修正

将采集到的B1孔底部试验点的体积与压力原始数据绘制P～V修正前曲线(见图10)，再结合图9修正曲线进行拟合修正，得到该试验点的P～V修正后曲线(见图11)。

图10 B1号孔底部试验点修正前P～V曲线示意

图11 B1号孔底部试验点修正后P～V曲线示意

通过相同的修正方法处理中部试验点与上部试验点的原始数据，得到中部试验点修正前后P～V曲线(见图12～13)，以及上部试验点修正前后P～V曲线(见图14～15)。

图12 B1号孔中部试验点修正前P～V曲线示意

图13 B1号孔中部试验点修正后P～V曲线示意

图14 B1号孔上部试验点修正前P～V曲线示意

图15 B1号孔上部试验点修正后P～V曲线示意

横向对比上述3个试验点的修正前及修正后曲线，修正前的曲线在无论压力数据还是体积数据都有着一定的误差，使用修正前的曲线进行旁压变形模量和旁压弹性模量的计算会导致结果有着较大的偏差。由此可知，结合仪器的修正曲线进行曲线修正是得到准确的试验结果必须的步骤。

按照上述试验步骤在B2号孔进行加压试验，拟合修正曲线后，得到B2号孔底部和中部的P～V修正后曲线如图16～17所示。

图16 B2号孔底部试验点修正后P～V曲线示意

图17 B2号孔中部试验点修正后P～V曲线示意

4.2 试验数据的分析及旁压模量的计算

1)岩体进行旁压试验时，从加压开始后会经历塑性变形阶段和弹性变形阶段，部分会达到弹性变形阶段后的破坏阶段。塑性变形阶段和弹性变形阶段分别对应曲线的弯曲部分和直线部分。旁压变形模量由岩体总体积变量与总应力变量推算得出，旁压弹性模量则由岩体弹性变形阶段的体积与应力增量计算得到，二者均是使用公式(1)进行计算。

2)由4.1节中各试验点修正后曲线可知，每一次循环试验的P～V曲线在初始阶段会存在应力P为0的水平线段，其原因为试验杆膨胀囊未与试验孔壁接触。在进行计算旁压变形模量的时候，应选择膨胀囊与孔壁开始接触时的体积读数作为计算的初始体积。

2)各试验点第1次径向加压试验得到的体积变化与应力变化为试验点的总体积变化与总应力变化，因此根据第一次径向加压的数据与P～V图像可得到试验点的旁压变形模量。

3)选择每次循环曲线的直线部分来计算当次循环的旁压弹性模量。随着循环次数的增加，孔壁塑性变形会逐渐减少，通过多次循环加压后的P～V曲线及数据计算得到的旁压模量会越来越趋近试验点旁压弹性模量的真实值。

4)B1、B2试验孔岩芯的室内试验结果见表1所示。依照3.1节的计算方法，公式(1)中泊松比μ按表1根据试验部位取值，结合各试验点修正后的数据，使用第1次加压的总压力变化量与总体积变化量来计算该实验部位的旁压变形模量。取其余加压次数的修正后曲线的直线部分相邻3个点计算，得到对应加压次数的2个旁压弹性模量，结果见表2。

表1 岩芯室内试验成果

表2 旁压变形模量及旁压弹性模量结果 MPa

5)钻孔时的操作问题导致B2上部孔径偏大，以至于膨胀囊膨胀到体积最大时仍无法与孔壁接触，所以B2上部旁压试验数据缺失。由此可见，为了循环径向加压试验可以顺利进行，在进行预钻孔时，试验孔的直径须控制一定范围内。

5 结语

1)根据试验点第1次径向加压的数据与P～V图像进行计算后可以得到试验点的旁压变形模量。

2)循环曲线的直线部分的数据可以计算出当次循环的旁压弹性模量，而且随着循环次数的增加，计算得到的旁压弹性模量会越来越趋近试验点旁压弹性模量的真实值。表1的数据表明，循环次数达到3次以上，旁压弹性模量的变化就相对较小，可以选取3次以上循环试验的旁压弹性模量作为试验点的旁压弹性模量。

3)岩体的旁压变形模量与旁压弹性模量可反映岩体的坚硬程度和承载力性能，旁压变形模量与弹性模量越大，岩体坚硬程度和承载力越高。表1及2的数据表明，试验点的旁压变形模量、旁压弹性模量以及岩芯的单轴抗压强度随着孔深的增加而逐渐增大，即随着深度的增加，地基岩体的强度和坚硬程度在逐渐变大。这一结论与地质柱状图及岩芯图反应附近岩层风化程度的规律相符。

4)由本文上述试验得到的结果可知，钻孔膨胀计PROBEX不仅可以用于隐蔽工程的强度检测，并且还可以用于地基岩体原位勘测试验，通过径向加压试验以及一些列数据处理与计算能得到设计所用的重要参数。

5)采用预钻的方式进行径向加压试验时，要注意控制预制孔的直径大小。把钻孔直径控制在探头膨胀囊无加压情况下的直径和膨胀最大体积下的直径之间，在循环加压试验过程中方可顺利采集到岩体试验数据。