旁壓試驗在炭質軟巖強度和變形參數測試中的應用

唐曉玲，袁永洪，劉宗祥

（四川省地質工程勘察院，成都 610072）

旁壓試驗在炭質軟巖強度和變形參數測試中的應用

唐曉玲，袁永洪，劉宗祥

（四川省地質工程勘察院，成都 610072）

本文介紹了岷江廟子坪特大橋工程地質勘察中的難點，闡明了采用旁壓試驗測試含炭質軟巖各項強度和變形參數的可行性，以及取得的實際效果。

旁壓試驗；含炭質軟巖；變形參數；強度參數

DO I：10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.026

岷江廟子坪特大橋位于四川省都江堰市和阿壩藏族羌族自治州汶川縣映秀鎮交界處，紫坪鋪水庫庫區中段，橫跨岷江，岷江江面寬1 200m左右。橋梁設計采用簡支梁引橋+預應力混凝土剛構主橋+簡支梁引橋結構。設計橋梁長1 436m，主跨220m，其余橋跨50m，因紫坪鋪水庫水庫設計蓄水深度85m，主墩高102.47m，采用樁基埋深約60m，該橋是都汶高速公路第一大橋，也是2004年國內在建的內河單跨最大、最高的橋梁。該橋于2007年12月建成通車，期間經歷2008年“5.12”汶川特大地震的考驗，僅一跨橋墩結構受損，整體情況良好，經修復后為地震災區恢復重建的交通運輸發揮了重要作用。

橋梁建設場地地層為三疊系須家河組，巖性為砂巖夾炭質頁巖、煤層等，地質構造復雜、巖性軟弱不均。工程地質勘察中，由于炭質軟弱巖層（炭質頁巖、煤層）因構造擠壓破碎難以獲取原狀樣、或難以制樣等因素，使室內試驗難以獲取相應參數，為提供準確的基礎設計參數，在設計階段的詳勘中嘗試采用旁壓試驗的原位測試手段，對炭質軟弱破碎巖層的承載力、變形性質進行評價，取得了良好的效果。

1 工程地質條件

橋位區所在岷江段河谷寬闊，河道蜿蜒曲折，勘察期間岷江水面高程在769～771米左右，主流靠右岸（為一河曲頂部），河谷兩側山體渾厚呈垅脊狀，山頂海拔1 500～1 800m余，受坡表流水侵蝕，多梁子、山包、溪溝。

勘察場地內，岷江右岸為一下陡上緩的折線狀斜坡地形，發育多條寬淺不一的沖溝，坡形完整性較差；左岸為一多級臺狀地形，發育有四級階地，受后期冰水、江水及階面流水剝蝕、侵蝕，各級階面、階坡完整性差，呈多級平臺、寬坦坳溝與斜坡相間的地貌形態。

橋位區地層以第四系冰水堆積、沖洪積粘性土、砂土、漂石、砂卵礫石層構成松散覆蓋層，下伏三疊系須家河組巖屑石英細砂巖、粉砂巖、泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、炭質頁巖夾煤層互層狀巖層。

構造上位于龍門山斷褶帶中段，映秀斷裂與二王廟斷裂控制的斷塊上（彭灌脆性逆沖斷裂構造帶）。新構造運動以大面積的間歇性抬升和地震為主，岷江岸邊發育四級階地，Ⅳ級階地階面與江水高差達140米。場區有兩條隱伏逆斷層，斷層破碎帶厚度約10m，由炭質頁巖和煤構成，夾少量鈣質泥巖、粉砂巖，帶內炭質頁巖、煤已成碎屑狀，鈣質泥巖、粉砂巖成碎塊狀和少量構造角礫巖形態，并與炭質頁巖、煤相互包裹、彎曲混雜。受擠壓作用影響，斷層破碎帶周圍夾層也異常破碎，巖石呈碎屑～碎石狀。

由于荷載要求高，變形要求嚴格，橋梁設計以基巖為持力層，采用樁基。然而因橋位區受構造影響嚴重，巖體結構復雜，極為破碎，故勘探深度最深達70m余。勘察過程中揭露的基巖中炭質頁巖、煤層等軟弱巖層因構造擠壓破碎，類似于碎石土等土體，難以獲取原狀樣、或難以制樣，室內試驗難以獲取相應參數，故嘗試采用旁壓試驗的原位測試手段，獲取其強度及變形參數。

2 儀器和試驗方法

試驗儀器為國產PM-2型預鉆式旁壓儀。其結構由3個部分組成，即讀數箱、管路和旁壓器。設備規格如下：

旁壓器測量腔外徑為88mm，測量腔長度為356mm，初始體積2165cm3。最大工作壓力可達4.0MPa，旁壓器徑向位移≤0.1mm。

試驗用工程鉆機在巖層中采用φ91鉆頭成孔至試驗深度，采取泥漿護壁。旁壓試驗前采取了試驗前后量測孔內水位，了解水位變化帶來的水壓力對土體試驗壓力的變化；進行旁壓膜約束力的校正；嚴格控制鉆孔質量，保證孔徑等一系列措施控制試驗的精度。

由于無法預估試驗的加荷等級，現場采用200～300kPa一級試探性加荷，直到獲取理想的P—S曲線。

3 試驗數據的分析

3.1 變形參數的確定方法

根據似彈性階段直線的斜率,由軸對稱平面應變問題的彈性解可得旁壓模量Em、旁壓剪切模量Gm。

按照《巖土工程勘察規范》，旁壓模量按式（1）進行計算：

試驗過程中以測管水位下降值近似代替體積V，根據獲得的P（壓力）—S（測管水位下降值）曲線，則旁壓模量按公式（2）、旁壓剪切模量按式（3）計算：

式中：

Em—旁壓模量(MPa)；Gm—旁壓剪切模量 (MPa)；μ—泊松比，試驗建議值，由于炭質軟弱巖層為固結巖石，構造影響破碎具有碎石土相似性質，故試驗取0.25；Vc—初始壓力P0對應的體積(cm3)；

V0—初始壓力P0對應的體積，(cm3)；Vf—臨塑壓力Pf對應的體積，(cm3)；ΔP/ΔV—似彈性階段直線段的斜率(kPa/cm3)；Pf—臨塑壓力，(kPa)；Sc—初始壓力 P0對應的測管水位值，(cm)；S0—初始壓力P0對應的測管水位下降值(cm)；Sf—臨塑壓力Pf對應的測管水位下降值，(cm)。

根據《鐵路工程地質旁壓測試技術規則》，地基承載力R值，可以用式（4）關系確定：

軟弱巖層的彈性模量，按經驗采用式（5）關系確定：

旁壓試驗孔周圍土體受到的作用是以剪切為主，與樁的作用機理相似，可以利用旁壓試驗極限壓力Pl與樁的極限摩阻力建立相關關系。可用式（6）估算樁的樁側摩阻力qsik：

3.2 旁壓試驗結果

旁壓試驗在XZK5、XZK7、XZK8、XZK12、XZK36、XZK37、XZK40鉆孔7個鉆孔內進行了17次。試驗巖性主要包括炭質頁巖、炭質頁巖夾煤層、煤層。試驗曲線如圖（圖1、圖2）。

通過相關計算，得到炭質軟弱巖層的相關強度與變性參數（表1）。

圖1 炭質頁巖、煤層實測旁壓P-S曲線

圖2 炭質頁巖夾煤層實測旁壓P-S曲線

表1 炭質軟弱巖層旁壓試驗計算結果

4 試驗結果分析與應用

旁壓試驗在XZK5、XZK7、XZK8、XZK12、XZK36、XZK37、XZK40鉆孔7個鉆孔內進行了17次。試驗巖性主要包括炭質頁巖、炭質頁巖夾煤層、煤層、泥巖夾炭質頁巖。

1）旁壓試驗的曲線，均包括3個階段,即初始階段、彈性階段和塑性階段。曲線顯示，因不同土層強度參數與變形參數的差異，試驗的直線段斜率和長度都不一致。

2）統計試驗結果可發現，各巖性未隨深度變化其強度和變形參數存在相關性，但三類軟弱層具有變異大的相似性。

3）從平均變形指標分析，按照炭質頁巖—炭質頁巖夾煤層—煤層的順序依次降低，這與巖石本身強度相一致。

4）同類軟弱巖層的承載力及變形指標的變異性大，主要與巖體的破碎程度，以及破碎后的密實度相關。

基于在實際勘察過程中，炭質軟弱層難以獲取巖樣、取得樣品難以制樣進行相應的試驗，即便取得樣品進行室內試驗其實驗值嚴重偏低的現狀，通過旁壓等原位測試獲取其強度和變性參數即顯得十分重要（表2）。岷江廟子坪特大橋勘察過程中即將上述試驗值通過修正后作為建議值提供給設計，彌補了以往憑經驗任意提供建議值的缺陷。

表2 旁壓試驗計算結果統計參數

5 結論

1）預鉆式旁壓儀在工程勘察中廣泛用于對松散土體等強度、變性參數的測試，但沒有見諸于測試破碎含炭質軟巖的實例。

2）本文介紹了應用旁壓儀對岷江廟子坪特大橋橋墩含炭質軟弱巖層的原位測試成果，為工程設計提供了基礎數據，取得了較好的效果，也可為類似工程提供參考。

[1] 林宗元. 巖土工程試驗監測手冊[M]. 遼寧科學技術出版社，1994, 12.

[2] 汪稔，胡建華. 旁壓試驗在蘇通大橋地質勘察工程中的應用[J]. 巖土工程學報，2003,24（6）：887～891.

[3] 中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范（GB50021-2001）(2009年版)[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4] 中華人民共和國建設部. PY型預鉆式旁壓試驗規程(JGJ69-90)[S]. 北京：中國建筑工業出版社，1991.

The App lication of PMT to the Determ ination of Deformation Parameters of Soft Carbonaceous Rock

TANG Xiao-ling YUAN Yong-hong LIU Zong-xiang
(Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072)

This paper deals w ith difficulties of engineering geological exploration for the M iaoziping Bridge in the M injiang River valley, feasibility and practice results of the application of PMT to the determination of deformation parameters of soft carbonaceous rock.

PMT; soft carbonaceous rock; deformation parameter; intensity parameter

P642[.3]

A

1006-0995（2014）01-0109-04

2013-07-17

唐曉玲（1967-），女，高級工程師，長期從事水工環地質調查、勘察、科研及技術質量管理