天津地区旁压试验与固结试验成果对比分析

刘 浩， 张建根

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300051）

随着科技的发展，力求采用多种勘察手段对地基土工程性质进行分析研究，提出科学、可靠的岩土设计参数。固结试验是目前较为成熟的土工试验项目，广泛应用于地基土压缩性、密实度、承载力评价、地基变形计算中[1]。旁压试验等原位测试手段在工程勘察领域逐步普及应用，弥补了固结试验过程中土样采取、运输、加工等环节受到扰动的不足，同时极大提高了勘察工作效率[2～3]。

旁压试验与固结试验机理相似，土体随着荷载的增大，逐渐被压密，由弹性变形逐渐变为塑性变形，直至破坏；基本反映出地基土在原始应力状态下的工程力学特性。

本文通过工程实例得到的试验成果，对现场预钻式旁压试验的旁压模量Em、旁压剪切模量Gm与固结试验中的压缩模量Es1-2、孔隙比e数值对比分析，建立两者经验关系并计算出Es1-2与Em比值KE、Es1-2与Gm比值，为今后科学客观应用旁压试验成果积累工程经验。

1 试验原理

1.1 旁压试验

旁压试验[4～5]中通过旁压器对孔壁施加径向压力，使土体产生径向变形，通过径向压力与变形的关系，测求地基土的原位力学状态和力学参数，得到旁压模量Em、旁压剪切模量Gm、土体承载力、侧向基床系数等。地基土体与测试探头初始接触后，进入弹性阶段，进而发展为塑性阶段直至破坏。试验过程可分为3 个阶段：Ⅰ段（曲线AB）为初步阶段，反映孔壁扰动土体的压缩与恢复；Ⅱ段（直线BC）为似弹性阶段，压力与体积变化大致呈直线关系；Ⅲ段（曲线CD）为塑性阶段，随着压力的增大，体积变化量逐渐增加，直至土体破坏。见图1。

图1 典型旁压试验曲线

式中：μ 为泊松比；Δp 为旁压试验曲线上直线变形段的压力增量，kPa；ΔV为相应Δp的体积变化增量，cm3；Vm为平均体积增量，取旁压试验曲线直线段两点间压力所对应的体积之和的一半，cm3；Vc为旁压器（中腔）初始体积，cm3。

1.2 固结试验

固结试验[6]是原状土样经金属环刀（内径80 mm、高20 mm）切取加工成试件后，将试件连同环刀装入侧限压缩仪的内环中；试件上下面各放置透水石，同时向水槽内充水；通过传压板施加竖向力后，由百分表测读试件的竖向变形。土样试件受环刀侧向约束，无法侧向膨胀；随竖向力增大，土体孔隙逐渐被压密，试件压缩性用土的孔隙比e 和竖向力p 的关系。见图2。

图2 试件压缩曲线

式 中：a为 压 缩 系 数，MPa-1；ei、ei+1为 压 力pi、pi+1时压缩稳定后的孔隙比；pi、pi+1为与ei、ei+1相对应的压力，kPa；si、si+1为pi、pi+1压力下固结稳定后的单位沉降量，即应变值。

通常用压力由pi= 100 kPa 增加到pi+1= 200 kPa时所得到的压缩系数a1-2来判定土的压缩性，因此本文选择对应的压缩模量Es1-2来研究其与Em、Gm的经验关系。

2 工程实例

2.1 工程概况

在天津市北辰区某深基坑工程建设场地取样钻孔旁进行旁压试验，共6 个旁压试验孔，深度20 m。旁压试验深度范围内地基土的地质单元划分与分布见表1。

表1 主要地基土分布情况m

旁压试验设备为APAGEO 梅纳GA型预钻式旁压仪，探头为三腔式，探头直径74 mm，测量腔长度210 mm，容积786 cm3。试验压力由高压氮气瓶提供，各级压力下的相对稳定时间标准取1 min，加荷后15、30、60 s测读变形量。

2.2 对比分析

2.2.1 不同深度地基土Es1-2、Em、Gm变化规律

根据不同深度地质单元土层，将地质钻孔取样Es1-2试验结果与旁压试验Em结果进行对比。考虑到地基土层实际分布的变异性、试验结果的离散性，剔除异常数据后，各土层压缩模量指标Es1-2、旁压模量指标Em、旁压剪切模量Gm等物理力学指标见表2。

表2 物理力学指标平均值

根据表2，以地层层底深度标高为纵坐标，Es1-2、Em、Gm为横坐标建立关系曲线，见图3。

图3 地层深度标高与Es1 - 2、Em、Gm关系曲线

1）各层地基土Es1-2、Em、Gm线形变化基本一致，旁压试验与室内固结试验测试手段均反映出了地基土Es1-2、Em、Gm沿埋深变化的规律。

2）浅层地基土湖沼相沉积（Q34l+h）⑤层黏土、浅海相沉积（Q24m）⑥层粉质黏土Es1-2值大于Em、Gm值，3 个数值的大小关系为Gm＜Em＜Es1-2。考虑以上两层地基土形成年代较晚且含水量w、孔隙比e 较大，反映土体软硬程度的IL值较大；另外固结试验中侧向约束作用存在，导致了Es1-2数值大于旁压试验结果。

3）埋藏较深的河床～河漫滩相沉积（Q14al）⑧1层粉质黏土、⑧2层粉砂、河床～河漫滩相沉积（Qe3al）⑨1层粉质黏土Es1-2值介于Em、Gm值之间，3个数值的大小关系为Gm＜Es1-2＜Em。旁压试验结果中⑧、⑨层地基土的Em、Gm数值较⑤、⑥层黏性土增加明显；固结试验中黏性土则呈缓增趋势。⑧2层粉砂固结试验中固结排水条件较好，因此相对于黏性土明显增大。

2.2.2 e与Es1-2、Em、Gm的对应关系

地基土埋深不同，由浅至深上覆荷载逐渐增大，导致土体土颗粒间的孔隙被逐步压密。物理性指标中e 既是计算Es1-2的参数，也是查取承载力的关键参数。e的大小基本反映出了土体受上覆荷载或沉积固结年代较久而被压密的表征。根据表2，以e 为横坐标，Es1-2、Em、Gm为纵坐标建立曲线，见图4。

图4 e与Es1 - 2、Em、Gm曲线

1）地基土Es1-2、Em、Gm与e呈反比趋势。

2）⑤、⑥层黏性土的e 分别为0.819、0.862，此范围Es1-2、Em、Gm的线形平缓且各数据相差较小。

3）⑧1、⑨1层粉质黏土的e 分别为0.679、0.700，此范围Es1-2、Em、Gm的线形出现明显斜率，各组数据间较为开阔。

4）⑧2层粉砂e 为0.592，Es1-2线形更陡，Em、Gm值线形基本保持原斜率延伸。

2.2.3 Es1-2与Em、Es1-2与Gm比值

Es1-2与Em的比值KE、Es1-2与Gm的比值KG见表3。

表3 KE、KG值

根据该区域地基土分布情况，⑤、⑥层黏性土KE值约为1.6；KG值约为4.4；⑧1、⑨1层粉质黏土KE值约为0.5，KG值约为1.2；⑧2层粉砂层KE值接近0.8，KG值接近2.0。

3 结论与建议

1）通过对比分析Es1-2、Em、Gm沿地基土埋深及天然孔隙比数值的变化规律，天津地区湖沼相沉积⑤层黏土、浅海相沉积⑥层粉质黏土具有孔隙比较大、含水量高的工程特性。压缩模量Es1-2、旁压模量Em、旁压剪切模量Gm数据线形分布规律基本一致，3 个数值的大小关系为Gm＜Em＜Es1-2。经验关系倍数KE值约为1.6；KG值约为4.4。

2）河床～河漫滩相沉积（Q14al）⑧1层粉质黏土、⑧2层粉砂、河床～河漫滩相沉积（Qe3al）⑨1层粉质黏土，沉积年代较久远，天然孔隙比相对较小，Es1-2数值介于Em、Gm值之间，3个数值的大小关系为Gm＜Es1-2＜Em。⑧1、⑨1层黏性土经验关系倍数KE值约为0.5；KG值约为1.2。⑧2粉砂层KE值接近0.8，KG值接近2.0。

3）地基土Es1-2、Em、Gm与e 呈反比趋势。⑧2层粉砂固结试验中固结排水条件较好，因此相对于黏性土明显增大，在e～Es1-2曲线中Es1-2值线形更陡；旁压试验中的线形与黏性土斜率基本一致。

4）在后续工作中，注意积累⑧、⑨层地基土的旁压试验成果；尝试将旁压试验成果指标直接应用于基础沉降、基坑变形、单桩承载力等岩土计算；增加其他原位测试手段的对比分析，从更加立体的角度查明地基土的工程力学性质。