旁壓試驗在砂礫石地層中的應用

李青山

（新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊 新疆 昌吉 831100）

1 引言

近年來，新疆現行勘察的大型水利工程大多位于河流上游，深山河谷中。這些壩址的地層特點有：由于壩址在河谷中，覆蓋層深度達幾十米到上百米；覆蓋層中地下水位高，沿河流方向滲流量大，部分河床覆蓋層有分層的承壓水；覆蓋層由碎石土、砂礫、卵礫、漂卵礫石層組成，一般都有深厚的砂礫石或者砂卵礫石層覆蓋層覆蓋，其特殊性是：結構性弱，很難取得原狀樣；顆粒分選性差，級配良好，大小不同的砂礫石相互交替，形成水平排列的透鏡體或不規則的夾層。其粒徑組成顆粒極不均勻，特別是新疆河流中的漂卵礫石含量較大。為了對工程區砂卵礫石的基礎力學性質隨深度的變化規律進行研究，旁壓試驗被越來越多的引入水利工程基礎勘察研究中。

旁壓試驗是現場原位測試方法之一，可以直接在土層中進行，具有原位、準確、測試深度大等特點。它是利用可膨脹的圓柱形旁壓器在預鉆孔內對孔壁施加壓力，使孔壁產生變形。通過控制裝置測出壓力和相應的變形，從而得到土體變形和壓力的關系曲線，即旁壓曲線，根據旁壓曲線計算各巖(土)層的旁壓模量值及極限壓力。其優點是：可以測定難以取得不擾動土樣的有關工程力學性質；避免取樣過程中應力釋放的影響；測試土樣的影響范圍比室內試驗大，代表性強；縮短地基土層勘察周期；測試方便，不受地下水位限制，與室內試驗相比，試樣大，擾動小。

2 關于砂礫石進行旁壓試驗的簡要介紹

2.1 測試方法

針對該水利工程中砂礫石覆蓋層開展旁壓試驗的特點，對旁壓試驗進行了以下改進：

（1）考慮到該工程河床砂礫石層的特性，試驗方法采用預鉆式。

（2）試驗段一般選擇在礫徑較小的孔段，試驗孔采用SM植物膠護壁，鉆進中首先以Ф77非標金鋼石鉆頭鉆進，每次進尺2.0m。如發現適于試驗部位或砂層透鏡體，立即下旁壓儀探頭進行試驗，否則對已進尺部位換大一號鉆頭進行擴孔至距孔底0.5m處，再換Ф77非標金鋼石鉆頭鉆進，如此逐米尋找試驗部位。試驗點的垂直間距不小于2m，試驗孔與其它鉆孔的水平距離不小于1m。

（3）試驗采用法國梅納爾公司生產的GA型旁壓儀，探頭用BX型(Ф60mm)，并結合開縫保護鋼管 (Ф76mm)，探頭初始體積為535cm3。

2.2 旁壓試驗參數的計算

旁壓曲線，即根據彈性膜及開縫鋼管標定曲線。對試驗的壓力和體積修正后，繪制p～V曲線，典型旁壓曲線見圖1，典型標定曲線見圖2。根據旁壓曲線可求得旁壓曲線的特征值旁壓模量Em、原位水平土壓力p0、臨塑壓力pf、極限壓力pL。并由此確定旁壓模量Em，推算變形模量E0、旁壓變形參數Gm和地基土承載力特征值fak等指標。對于未測得極限壓力的部分試驗點，采用與標準旁壓曲線擬合的方法求取極限壓力。

3 新疆某水利工程的旁壓試驗成果

該水利工程是一座以灌溉為主兼顧發電的樞紐性工程，壩址河床砂礫石覆蓋層厚度在100m～120m之間，本單位于2011年10月～2012年3月在現場完成了鉆孔旁壓試驗。各鉆孔旁壓試驗成果見表1。

圖1 典型旁壓曲線（ZK50深31.25m）

圖2 1-1#模標定曲線

表1 趾板線覆蓋層旁壓試驗成果表

本次在壩址趾板線河床覆蓋層共進行了2個旁壓試驗鉆孔，按地質資料，壩址河床覆蓋層由上至下可分為二大層：第Ⅰ層為全新統漂卵礫石層（l）；第Ⅱ層為中更新統冰水沉積卵礫石層l)。

將趾板線河床覆蓋層Ⅰ、Ⅱ層的旁壓試驗測試成果采用SL237-1999《土工試驗規程》附錄A試驗數據的整理規定進行統計，統計分析后的標準值作為推薦值。

第Ⅰ層為全新統沖積漂卵礫石層（Q4al）：共進行2點旁壓試驗，旁壓模量Em為 12258.1kPa～24575.3kPa，平均值為18416.7kPa；變形模量E0為61290.5kPa～122876.7kPa，平均值為 92083.6kPa。因只有兩組數據，無法進行標準值計算，故取平均值為推薦值。第Ⅱ層為中更新統冰水沉積卵礫石層(Q2fgl)：共進行40點旁壓試驗，旁壓模量 Em為 6660.7kPa～201903.5kPa,平均值為98440.6kPa，推薦值為81386.9kPa；變形模量E0為33303.5kPa～443241.9kPa，平均值為256160.8kPa，推薦值為222321.6kPa。

4 試驗總結及成果分析

（1）成孔的質量對砂礫石中旁壓試驗的成果準確性有重要影響。如成孔偏大或孔壁沙礫石嚴重擾動，由于儀器注水體積的限制，試驗往往達不到極限壓力所需的體積，試驗就因探頭膨脹體積達到極限而終止，試驗無法測出極限壓力，進而無法求出其他相關參數。如孔中試驗段是穿過沿鉆孔軸向50mm的漂卵礫石，則試驗很可能由于儀器壓力限制，往往發生達到儀器的極限壓力而沒達到該次旁壓試驗的極限壓力，并且極易發生測試腔因變形不均勻而爆炸。但上述兩類情況只要試驗超過臨塑壓力，就可以采用曲線外推法直至最大體積增量值VL（VL=Vc+2V0，Vc為旁壓器中腔初始體積，V0為孔穴體積與中腔初始體積的差值）,取對應VL的壓力為極限壓力pL；有時也可根據經驗關系pL=1.8pf～2.0pf來估算。

（3）從旁壓試驗實例試驗成果看，成果的影響因素復雜使得對測定值的準確判斷造成一定的困難。如旁壓試驗數據在部分相鄰近的試驗點上存在很大差異，所以旁壓試驗與砂礫石其他物理性之間的關系是建立在整體統計數理分析上的。建議應同一旁壓試驗區域，采用相隔幾米同時開兩個孔，一個進行試驗，一個為取芯孔，以為試驗孔作地層參照。同時因對取出的芯樣進行顆粒分析試驗，以作為對測定值的準確判斷的一種參考。

（4）由試驗成果可知，試驗符合砂礫石地層實際情況，即在同一種砂礫石覆蓋層中旁壓模量Em和變形模量E0大體上隨深度而增加，越深覆蓋層越密實。但根據試驗推算的地基承載力值明顯大于工程地質手冊（第四版）記載的各種碎石土承載力特征值，造成這種差異的原因有待試驗研究，但個人認為其數值異常可能與新疆砂礫石地層的特殊性有關（如顆粒大小、形狀、沉積方式、排布方式、顆粒級配等）。因此在砂礫石中進行旁壓試驗得到的各項參數，應僅供參考，不應作為工程基礎設計數據。陜西水利

[1]SL237-1999，土工試驗規程[S].中國水利水電出版社.1999.

[2]常士膘，張蘇民.工程地質手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3]石林珂，孫文懷，赫小紅等.巖土原位測試[M].鄭州：鄭州大學出版社.2003，9.