旁压试验在地铁工程勘察中的应用研究

赵中华，张 彬,王晓冬，雷 勇

（1.沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167；2.华晨宝马汽车有限公司，辽宁 沈阳 110143；3.中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁 沈阳 110004）

21世纪是地下空间开发利用的世纪，国家“一带一路”战略促进了基础设施建设规模的扩大及建设技术工艺的发展，原位测试已成为获得岩土体参数重要手段，全国地铁建设积累了丰富经验，为旁压试验研究提供了大量的数据来源，为进行理论和工程应用研究提供了可能[1～3]。

旁压试验在地铁工程勘察中具有广阔的应用前景，该试验具有操作便捷、经济可靠、测试准确等优点，已经成为国内外原位测试中主要勘察手段之一，但目前关于旁压试验的理论和工程实践方面研究较少，迫切需要对旁压试验应用进行研究，得到适用于地区旁压试验的参数和经验公式，以便更好进行技术推广。

本文研究成果对地铁工程的岩土工程勘察工作具有重要意义，可以节约地铁工程勘察成本，为今后进行旁压试验技术方面规范编制提供依据。

1 旁压试验简介

1.1 旁压仪

旁压试验（Pressuremeter Test，PMT），主要试验设备是旁压仪，按照不同的成孔方式可分为预钻旁压仪和自钻旁压仪两种。本文主要研究对象是预钻旁压仪，预钻旁压仪在试验开始之前，需在规定的测试点位提前成孔，成孔深度需要满足整个试验的设计要求，然后将旁压器缓慢的放入测试孔内到达测试深度后可开始试验。

成孔质量是衡量旁压试验数据准确的主要标准，对于不同土质及地下水位高低有不同要求，符合质量要求的预钻孔应具备以下特点：无弯曲、侧壁无塌孔粗糙颗粒且孔径大小必须严格符合规范，尽可能避免扰动孔壁。

1.2 旁压试验力学模型

旁压试验工作原理是通过使旁压器探头侧向膨胀从而对孔的侧壁施加水平方向压力，一直到孔壁破坏，从中获得孔的体积增加量和旁压压力之间关系，并且根据此数据来计算地基土物理力学性质指标的一种岩土工程勘察原位测试方法。由于旁压仪的旁压头长度有限，且旁压器上下两端均由辅空腔包覆，使其产生了终端效应。除此之外，由于不同地区的孔壁土体条件不尽相同，要对其进行清晰分析存在难度。虽然是圆柱形孔水平方向扩张变形，但将其简化为理想模型仍不能尽数展示。如果旁压头长度能满足要求，则研究区间可以把中间一小段看作是平面问题来进行简化处理。理论上圆柱形孔壁受到均匀附加压力Δp=p-p0(其中p为对孔壁施加的均匀压力，p0为初始状态下的压力)，假设孔壁内侧土体的初始半径为r，所对应产生的位移为u，那么施加压力后半径位移为ρ=r+u，从而产生的应力为Δσr和 Δσθ，与之对应产生的应变量是εr和εθ。

2 旁压试验发展现状

2.1 国外发展现状

德国工程师Kogler 最早发明了旁压仪，随后欧美一些国家也研制出了类似的原位测试设备。法国Menard 等为了更好推广和促进旁压试验技术发展，相继做了大量研究，形成了相对完整且可应用于不同土质条件下的旁压试验成果的相应公式、图表和曲线。加拿大和美国在确定水平基床系数、估算超固结比OCR（Overconsolidation Ratio）和饱和黏性土不排水抗剪强度等工程应用方面也取得了成果。近年来旁压试验在国际上备受岩土工程届关注，已逐渐成为原位测试重要手段之一。

2.2 国内发展现状

我国在旁压试验技术理论与工程实践方面已日趋完善，积累了大量的工程实践经验。旁压试验在场地工程地质条件评价等方面得到了广泛的应用，各部门先后制订了旁压测试的规程[4-5]。目前发展表现在两方面：一方面是理论上进行研究[6]；另一方面是一线工程技术人员结合工程实践经验进行数据分析整理得到相关规律[7-10]，获取准确的土体参数。国内外的试验标准和仪器均存在着差异且导致土体具有较强的地域性特征，这就要求我国岩土工程工作者在总结经验的基础上，结合本地区旁压试验的工程实践成果，在试验机理、适用性以及地区性土的物理力学指标等方面均需做进一步深入的研究。

3 旁压试验成果应用研究

3.1 试验场地的地质概况

根据某地铁工程钻探呈现的成果并对地层年代分析，试验场地所在区域的地下土层主要为：第四纪全新人工堆积层(Q4ml)、上更新统哈尔滨组地层(Q32hral)、中更新统上荒山组地层(Q22hl)、下荒山组地层(Q21hlal)。

表1 试验场地土层的层厚及选取样本数量

3.2 旁压试验与标准贯入试验相关性分析

根据统计数据，绘制旁压试验临塑荷载法确定的地基承载力pf-p0与标准贯入试验击数N的回归曲线图，如图1～图3 所示。

图1 ③粉质黏土层 pf - p0与N 相关性曲线

图2 ③2 粉质黏土层 pf -p0与N 相关性曲线

图3 ④粉质黏土层 pf - p0与N 相关性曲线

通过数据分析，某地铁工程③粉质黏土的旁压试验临塑法pf-p0与标准贯入击数N拟合的回归方程如下：

通过数据分析，某地铁工程③2粉质黏土的旁压试验临塑法pfp0与标准贯入击数N拟合的回归方程如下：

通过数据分析，某地铁工程④粉质黏土的旁压试验临塑法pf-p0与标准贯入击数N拟合的回归方程如下：

分析图1 ～图3 可以看出：旁压试验临塑法pf-p0求得承载力fak与标贯试验的标贯击数N具有明显的相关性，说明利用此方法计算获得对应土层的标准贯击数N是有效的。

3.3 旁压试验与静力触探试验相关性分析研究

在静力触探试验中，应以垂直均匀的方式将符合标准的探头压入相应测试位置，利用多项传感器在探头上完成不同参数转换，由仪器完成记录工作。为了确定正确的经验公式，作者选取了两种指数函数的拟合曲线与拟合直线的经验公式进行对比的方法来确定公式，选用某地铁工程③粉质黏土、③2粉质黏土两个黏土层进行分析研究，选取的指数函数为：y=Bx和y=a-bcx，拟合曲线见图4 ～图5。

图4 ③粉质黏土层 pf - p0与pf - p0与q c相关性曲线y= 1.002x （标准误差3.24）； y= 870.5 - 869.6 ×3x（标准误差3.00）。

图5③2 粉质黏土层pf- p0与qc相关性曲线y=1.001x（标准误差1.923）；y=2.85- 1.95 ×0.99x（标准误差1.003）。

由上图对比可知，y=Bx与y=a-bcx拟合后的曲线标准的误差值（1.033～3.24）要比y=a+bx的标准的误差值（0.08～0.74）大很多，从数据上看拟合得出的经验式要更为准确。

统计某地铁区间原位测试数据，绘制不同土层旁压试验和静力触探散点图，图6～图8分别为qc和pf-p0在3个不同土层的相关性分析曲线以及回归方程。

图6 ③粉质黏土层 pf - p0与 q c相关性曲线

图7 ③2 粉质黏土层 pf - p0与 q c相关性曲线

图8 ④粉质黏土层 pf - p0与 q c相关性曲线

通过数据分析，某地铁工程③粉质黏土的旁压试验临塑法pf-p0与静力触探锥头阻力qc拟合的回归方程如下：

通过数据分析，某地铁工程③2粉质黏土的旁压试验临塑法pf-p0与静力触探锥头阻力qc拟合的回归方程如下：

通过数据分析，某地铁工程④粉质黏土的旁压试验临塑法pf-p0与静力触探锥头阻力qc拟合的回归方程如下：

由图4 ～图8 分析研究可知，利用旁压试验临塑法求得承载力特征值pf-p0与静力触探锥头阻力cq相关性关系的数据分布可以通过线性回归方程y=ax+b来呈现，观察③粉质黏土和④粉质黏土的离散点图可知，离散点分散布置在直线附近且相关性指数小于其它土层，皮尔森指数均在0.8 以上，有效说明了pf-p0与cq具有较强相关性且能互相转换。

4 结语

本文作者对地铁岩土勘察工程中的旁压试验进行了力学模型、数据分析、工程应用研究，根据研究结果得到如下结论：

（1）对地铁工程勘察中的旁压试验与标准贯入试验、静力触探试验原始数据相关性分析研究，得到了回归方程和皮尔森系数；

（2）利用旁压试验临塑法求得承载力特征值pf-p0与标贯试验击数N、静力触探锥头阻力qc相关性研究，得到皮尔森指数为正值且大于0.8，说明旁压试验成果pf-p0与N、qc具有同向变化且相关性良好等特征，验证了通过旁压试验经验公式计算获得本地区粉质黏土层标贯击数和锥头阻力是切实可行的。

（3）在地铁工程中的应用研究结果，说明了旁压试验与其他试验方法具有较好的相关性，具有推广价值。