對旁壓試驗用于河床深厚覆蓋層勘察的探討

2016-04-08 13:21:35楊文鵬

陜西水利 2016年5期

楊文鵬

（新疆水利水電勘測設計研究院新疆烏魯木齊830091）

對旁壓試驗用于河床深厚覆蓋層勘察的探討

楊文鵬

（新疆水利水電勘測設計研究院新疆烏魯木齊830091）

在河床深厚覆蓋層的勘察過程中，為了得到較為準確的地基土承載力以及變形情況，經常借助于載荷試驗、旁壓試驗等。本文在介紹了旁壓試驗的主要原理及設備，并討論重要特征值與參數的選取基礎上。以拉西瓦水電站為例分析了試驗取樣過程中可能存在的問題，并具體分析旁壓試驗在河床深厚覆蓋層勘察中的應用。

河床；旁壓試驗；覆蓋層；勘察

1　旁壓試驗

1.1旁壓試驗原理

旁壓試驗屬于原位測試方法，可具體反映出于土體的原位應力狀態(tài)，于同一土層內展開試驗，其離散性較低；在試驗土層內的適應度高，能夠于同一鉆孔中展開不同土層的持續(xù)試驗，存在適用度、安全系數大、操作簡易等優(yōu)勢。最初應用在國外的外巖土工程中，在國內的應用時間較短。伴隨工程施工經驗的不斷豐富，旁壓試驗的理論和實踐得到完善，并且以靈活、準確的優(yōu)勢得到廣泛應用。我國真正開始普及旁壓試驗是從上世紀80年代開始，在巖土工程勘察工作中的應用較為集中。旁壓試驗需要首先打好鉆孔，并利用旁壓器在孔壁上加載一個橫向的壓力，導致土體發(fā)生徑向的形變量。然后通過旁壓器測量該形變量，并分析形變量與壓力兩個參數得到地基土的力學參數，可以在粘性土、風化巖、碎石土等多種情況下發(fā)揮測量成效［1］。我國工程普遍采用的旁壓儀為PM型旁壓儀，這種儀器具備加壓裝置，可借助增壓缸面積變換的方式，將氣壓轉換成水壓，利用高壓導管將其導入旁壓器，產生膜膨脹，使地基孔壁位置因壓力產生形變，該變形量的確定可以通過活塞位移進行推算。與此同時，其壓力可通過壓力傳感器獲取。

1.2旁壓試驗設備

國內開展的旁壓試驗多采用PM型旁壓儀，其中PM-2B型預鉆式旁壓儀包括了注水系統、旁壓器、測量系統、壓力激勵產生設備等共同構成。在評價旁壓試驗儀器時往往會用到以下技術指標：旁壓器總長、膠膜公稱外徑、位移量、可承受的最大壓力、增壓缸直徑。

1.3明確特征值與參數

為保證力學參數的精準度，首先需繪制出旁壓曲線，通過旁壓曲線得到特征值。在旁壓試驗中關鍵性的特征值主要為初始壓力、極限壓力、臨塑壓力。其中初始壓力通過將旁壓曲線中的直線段進行延長，使其和S軸有一交點，通過此交點做一條和P軸相互平行的直線，該平行線和曲線的交點所對應的壓力值，即初始壓力；臨塑壓力，即旁壓曲線的直線段末端對應的壓力；極限壓力是旁壓曲線經過臨塑壓力后，所對應的S軸漸近線壓力［2］。

2　試驗過程中面臨的問題

2.1工程案例

拉西瓦水電站位于青海省境內，為黃河上游龍羊峽到青銅峽河段規(guī)劃的第二座大型電站。該電站壩址河谷十分狹窄，為“V”形，河床覆蓋層厚度在60m～72m內。河床覆蓋層內主要分為混合土塊石層、粉土質砂層、塊石層、粉土質砂層、混合土卵石層、粉土質砂層、混合土卵石層。這七層均處于水面之下，不同層之間的厚度和成分存在差異。本次工程中，試驗取樣主要針對粉土質砂層。

2.2試驗取樣時面臨的問題

本次工程對河床鉆孔取樣質量要求極高，然而鉆探過程中難免由于各種因素導致取樣質量下降。本試驗中使用了SM植物膠鉆進結合套管護壁，以達到強化取芯質量的目的。但該施工方法，容易受到植物膠沖洗液流速的制約，孔底清洗情況不理想，對試驗取樣的準確度造成負面影響。此外，套管護壁將不可避免地對孔底土層產生一定擾動，進而惡化取樣質量。河床位置所受應力情況相當復雜，室內試驗很難及時反映每一個取樣點的原位應力，所以得到的力學參數不夠精確。

2.3測試時面臨的問題

原位試驗結果容易受地層、地下水、測試條件的影響，因此，拉西瓦水電站工程在進行河床地層力學特性分析時采用了螺旋板載荷試驗與淺層平板載荷試驗，以保障所獲取河床地層地基承載力特性的精準度。螺旋板載荷試驗在地下水位以下、深層中的應用優(yōu)勢顯著，但是因砂層涌沙容易產生孔底沉沙隱患，多次試驗所得結果偏差值過大，存在較大制約性；淺層平板載荷試驗，僅適用于混合土卵石層，無法滿足深度需求［3］；除此之外，分析拉西瓦水電站工程河心灘處的三個試驗點，淺層平板載荷試驗受地層成分影響，所得載荷結果的離散性較大。

3　論述旁壓試驗對河床深厚敷蓋層的勘察

旁壓試驗作為一種逐漸發(fā)展成熟的原位測試手段和方法，分為預鉆式和自鉆式兩種，均具有方法簡單、靈活快捷的特點。從20世紀80年代發(fā)展以來，逐步成為我國巖土工程勘察中的原位測試方法之一。旁壓試驗的應用價值主要表現在以下幾個方面：反映土體原位力學性狀、判斷旁壓試驗對土層的適應性、旁壓試驗是否受地下環(huán)境制約、實驗操作的準確真實性等。下文闡述了該試驗在拉西瓦水電站工程中的應用。

3.1土體原位應力狀態(tài)的勘察

旁壓試驗于鉆孔內展開，可最大程度保證土地原位應力狀態(tài)、土體力學參數的精準性。一旦在鉆探過程中出現砂層涌沙、卵粒石層塌孔等現象，可通過改變鉆孔孔徑，來合理控制孔深，降低涌沙、塌孔對孔壁造成的安全隱患。因控制孔底涌沙影響試驗取樣的技術并不全面，使得拉西瓦水電站工程沒有較好的設備可對卵礫石層加以原狀取樣。

因試驗結果的精準度取決于鉆孔成孔質量的高低與否，旁壓試驗對鉆孔成孔質量提出的標準較高。在進行試驗前，要先將φ110mm的鉆頭鉆孔到旁壓試驗點以上2m處，再用φ94mm的鉆頭鉆進1m～2m處。注意，若孔內需要連續(xù)進行旁壓試驗，相鄰兩個試驗點的間距必須保持在1m以上，以防止試驗點之間互相影響。在進行旁壓試驗時，如果鉆探過程中稍有不慎，就會破壞某些薄弱地層的結構，導致土體原始結構受損，這將大大降低結果的準確性。所以，旁壓試驗中最重要的一個要求就是不能干擾孔壁土層，要確保孔壁土層的原始性。試驗時，要保證試驗點狀態(tài)最大程度地接近土地原位狀態(tài)。

土體結構直接關系到旁壓試驗結構的準確性。通常情況下，同一土層的土體結構相似，土層原位應力狀態(tài)較接近。如果在試驗中，土體結構受到干擾，則旁壓試驗結果會產生很大的離散性。即使是同一土層，也有可能會產生差異很大的結構。反之，如果試驗中注意保護土體結構，則試驗結果準確性較高。如在土層類別為粉土質砂層中進行旁壓試驗。在該試驗中，土體結構沒有受到太大干擾，只是鉆孔編號、試驗深度、初始水平壓力、臨塑壓力、極限壓力、承載力基本值等數據的不同。最后，所得試驗結果可以較好地反映土體的原位力學狀態(tài)。

3.2地層適應度的勘察

旁壓試驗對地層的適應度較高，即可以在單一地層中進行，也能在不同地層中做試驗。對土層的要求較低，如粘性土、粉土、砂土、碎石層、軟巖等。各地層中均可采用旁壓器進行旁壓試驗。旁壓試驗在地下水環(huán)境中進行時，會因水壓力的不同對試驗結果產生一定程度的影響。但要注意，淺層平板載荷試驗只能在地下水位以上進行。在拉西瓦水電站工程中，將鉆孔編號為ZK05的鉆孔分別于卵礫石、砂卵礫石、粉土質砂層此三類試驗土層中展開深度試驗。分析初始水平壓力、臨塑壓力、極限壓力、地基承載力基本值發(fā)現：當地下水位處于53.0m以下時，不影響旁壓試驗結果的精準性，但需要參考水壓力的變化來整改試驗結果，優(yōu)化試驗內容。

在進行螺旋板載荷試驗旁壓試驗時，需要注意以下幾點：1.試驗段砂層和卵礫石層孔壁的完整與否；2.孔徑大小是否合適；3.控制孔底沉砂、塌孔以及涌沙等情況的出現，防止對試驗產生不良影響。為了避免孔壁發(fā)生不穩(wěn)塌孔現象，在進行試驗前，要用鉆具在易塌孔地層鉆進1m左右。

通過在拉西瓦水電站內所有河床覆蓋層、同一鉆孔內的不同地層、同一鉆孔的不同深度土層的大量旁壓試驗，不難發(fā)現，旁壓試驗均適用于拉西瓦水電站中的每一河床覆蓋層，能準確反映每一土層的力學特征，可以在拉西瓦水電站工程中勘察河床深厚覆蓋層中廣泛應用。

3.3控制成孔質量

對成孔質量的控制要求兩個方面：鉆孔孔徑和旁壓器的直徑匹配；孔壁的要求。PM-2B型旁壓器帶鎧保護套公稱外徑94mm，成孔直徑一般大于旁壓器公稱外徑2mm～5mm，不宜過大或過小。孔壁要求垂直、光滑。為保證試驗結果的準確性，應當減小對孔壁土體的干擾。可采取的措施如下：鉆進前，仔細檢查鉆桿，防止鉆孔引起擺動；鉆進過程中保持速度均勻不變，采用套管進行護壁；確保旁壓器有足夠的膨脹空間［4］。

3.4操作方便，勘察數據精確

在進行旁壓器對河床深厚敷衍蓋層的試驗時，要注意以下幾點：試驗前全面檢查儀器是否完好無損；測試時保證旁壓試驗段始終在同一土層；為保證實驗過程中彈性膜不受損，應選擇在彈性膜外側加保護鎧；實驗過程中要注意嚴格按照操作流程，如遇水量過大的情況，應立即停止試驗。

以拉西瓦水電站某鉆孔10.8m深度的旁壓試驗為例，根據記錄儀記錄的位移數據對壓力位移進行校正，繪制校正后的各級壓力和位移值曲線。在壓力分別為178kPa、344kPa、545kPa、861kPa、1000kPa、1300kPa、1400kPa時，位移數據分別為8.0cm、94.cm、10.3cm、11.5cm、11.9cm、12.9cm、13.4cm。之后對壓力進行校正，校正后的壓力數據分別為262kPa、428kPa、629kPa、945kPa、1084kPa、1384k Pa、1484kPa，此時的位移分別為8.0cm、9.4cm、10.3cm、11.5cm、11.9cm、12.9cm、13.4cm。依據這些數據可以整理出各特征參數，提供準確的試驗參考數據。旁壓試驗一個顯著的特點就是操作簡便，不需太多特別的專業(yè)儀器，且試驗結果真實可靠。旁壓試驗對試驗鉆孔及鉆孔結構并無特殊要求。將旁壓儀放入孔內后即可在孔口處進行實驗操作。在記錄試驗數據時，為了確保記錄的實驗數據準確性和節(jié)約試驗時間，通常采用自動記錄儀記錄數據。