旁壓試驗在軌道交通卵石層勘察中的應用

李建宏，魏 峰

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

旁壓試驗（PMT）是近幾十年來在國內外巖土工程中得到迅速發展并成為成熟的一種原位測試手段和方法。由于其試驗方法具有簡單、靈活、方便、準確等特性，其試驗成果在國外工程設計中已被廣泛應用。我國自八十年代以來，旁壓試驗也得到了較為廣泛的應用，至今已積累了相當的經驗，也逐漸成為巖土工程勘察中的主要方法之一。

旁壓試驗分為預鉆式、自鉆式和壓入式三種旁壓儀，國內目前以預鉆式為主，其原理是通過旁壓腔對孔壁施加橫向均勻壓力，使孔壁土體發生徑向變形直至破壞，利用量測儀器量測壓力與徑向變形關系，推求地基土力學參數。預鉆式旁壓儀適用于孔壁能保持穩定的粘性土、粉土、砂土、碎石土、風化巖和軟巖。

旁壓試驗的成果應用：

（1）旁壓試驗可用于確定土的臨塑壓力Pf和極限壓力PL，以評定地基土的承載力fk。

（2）確定土的旁壓剪切模量GM和旁壓模量Em，用以估算土的壓縮模量ES。

（3）確定靜止土壓力P0和靜止土壓力系數K0。

（4）估算軟粘土的不排水抗剪強度以及估算地基土強度、單樁承載力和基礎沉降量等。

近年來，國內研究表明：采用旁壓試驗成果確定地基土承載力、估算單樁極限承載力與基礎沉降量，其計算精度和安全度與現有其他方法相當或更接近與工程實測值[1，2]。

1 目前卵石層勘察現狀

在工程勘察中，由于卵石層難以采取原狀樣進行試驗，目前在工程勘察中獲取較為準確參數的試驗測試方法較少，手段較為單一，一般采用現場載荷試驗以及動力觸探試驗的方法來判定、估算卵石層的有關力學參數。

現場載荷試驗可以較為準確的了解淺層卵石層的有關力學參數，但其費用較高，工期較長，施工難度較大，在現場工程勘察過程中考慮勘察費用及工期的要求，目前在蘭州地區開展的較少。

圓錐動力觸探試驗（DPT）是目前卵石勘察中使用較為普遍也較為成熟的一種現場原位測試手段，根據圓錐動力觸探數據，可以估算承載力以及變形模量等指標。但根據我們多年已有經驗，蘭州市七里河盆地卵石層動探（N63.5）一般貫入較為困難，大多數情況下打不動，采用N120效果也不是很好。

根據區域地質資料，蘭州市七里河盆地地區卵石層厚度一般達2～300 m，卵石層是該地區各種建筑物的主要基礎持力層，如何在勘察中現場獲得較為準確的卵石層的力學參數為設計服務，而不是靠查表借鑒經驗值甚至勘察人員拍腦袋的辦法提出參數建議值，是七里河卵石層工程勘察中需要解決的主要問題。

本文主要根據蘭州市城市軌道交通一號線馬灘車站—七里河車站段巖土工程勘察實際，介紹旁壓試驗在蘭州市七里河盆地內卵石層工程勘察中的具體應用，為以后卵石層中工程勘察積累經驗。

2 旁壓試驗在蘭州市七里河盆地卵石層勘察中的應用

2.1 儀器設備

本次勘察中旁壓試驗采用江蘇省溧陽市天目儀器廠生產的PM-1B型預鉆式旁壓儀，最大試驗壓力3.0 MPa，采用自動數據記錄儀，見表1。

表1 PM-1B型預鉆式旁壓儀主要技術指標

2.2 旁壓試驗曲線的繪制

試驗得到的土體壓力與變形的對應關系,用曲線有幾種表示方法。即壓力孔壁土被壓縮的體積變化量，P-V曲線；壓力孔徑徑向變化值，P-r曲線；壓力表示孔壁土體積壓縮的測管水位下降值，P-S曲線。這些曲線所表示的含義是一樣的，它們之間有固定的轉換關系。本次勘察時采用P-V曲線與P-S曲線進行表示，見圖1、圖2。

圖1 卵石層P-S曲線

圖2 卵石層P-V曲線

2.3 特征值的確定和計算（以圖2曲線為例）

利用旁壓試驗確定地基土參數,首先要從旁壓試驗的P-V曲線求取特征值。這里:P0地層原始水平壓力；Pf臨塑荷載；PL極限荷載。

（1）V0為P-V曲線的直線段延長與V軸相交,其交點定義為V0；

（2）P0為從V0引水平線與P-V相交,交點對應的壓力為P0；

（3）Pf相應于P-V曲線的直線段末端的臨塑荷載；

（4）Vf為相應于P-V曲線的直線段末端的體積；

（5）PL為極限荷載,孔穴原來的體積增加一倍所對應的壓力；

（6）VL為 PL對應的體積，VL=2V0+Vc，Vc—旁壓器固有體積；

（7）ΔP旁壓試驗直線段壓力增量，ΔP=Pf-P0；

（8）ΔV為旁壓曲線直線段體積增量，ΔV=Vf-V0。

利用試驗曲線確定的基本數據見表2。

表2 利用試驗曲線確定的基本數據

2.4 旁壓試驗成果計算

（1）確定旁壓剪切模量Gm

圖2計算得Gm=50.2 MPa。

（2）確定旁壓模量Em

圖2計算得Em=121.5 MPa。

式中:μ為土的泊松比，按工程地質手冊查表:碎石土0.15～0.25，本次勘察中卵石土一般取0.2；ΔP/ΔV為旁壓曲線直線段的斜率。

（3）確定地基土承載力

根據旁壓試驗特征值計算地基土承載力：

a.臨塑荷載法:

b.極限壓力法:

式中:fak為地基土承載力特征值（kPa）；Fs為承載力安全系數，應綜合考慮工程地質條件和建筑物特點，一般情況下可取2。本次勘察中承載力取值原則是取兩種方法中的小值。

在現場勘察中我們在卵石層中不同深度內共累計完成現場旁壓試驗61組，其承載力隨深度變化散點見圖3。

圖3 承載力隨深度變化散點圖

分析數據統計圖可知：

七里河盆地卵石層承載力隨深度增加而增大，一般從400 kPa變化到800 kPa。

從散點圖上可以看出，約卵石層頂板以下2 m以內一般承載力較低，一般最小為280 kPa，最大為868 kPa，平均值為611 kPa，變異系數為0.35，數據離散性很大；2～10 m內承載力逐漸增大，一般最小為523 kPa，最大為983 kPa，平均值為779 kPa，變異系數為0.16，數據離散性較大；10m以下承載力一般最小為858 kPa，最大為993 kPa，平均值為934 kPa，變異系數為0.06，數據離散性較小。（10 m以下數據個數較少，有待進一步積累數據）

（4）確定地基土水平基床系數:

式中:Δr=r1-r0；r1為臨塑壓力時鉆孔空腔的半徑；r0為初始壓力時鉆孔空腔的半徑；a為孔隙壓力系數，卵石土取0。

在現場勘察中我們在卵石層中不同深度內共累計完成現場旁壓試驗61組，其水平基床系數隨深度變化散點見圖4。

由試驗資料及圖4可知：

圖4 水平基床系數隨深度變化散點圖

七里河盆地卵石層水平基床系數一般隨深度增加而略有增大，但從圖上可以看出，增大趨勢不是太明顯，有待于進一步進行試驗數據的積累。

根據本次由旁壓試驗得出的61組水平基床系數試驗數據，最小值為229MPa/m，最大值為1353 MPa/m，平均值為715 MPa/m，變異系數為0.49，數據整體上偏大，經與現場基床系數（K30）試驗數據進行對比，將旁壓試驗數據乘以0.2～0.3的修正系數后，試驗數據將更接近于基床系數試驗數據，見圖5。

圖5 水平基床系數修正比對圖

3 應用的效果及需要注意的問題

我們在蘭州市城市軌道交通一號線馬灘-七里河段巖土工程勘察中，在卵石層中采用了現場旁壓試驗，獲得了一些力學參數，通過室內數據分析處理，由旁壓試驗得出的承載力等指標和其他試驗得出的指標基本是一致的，我們認為旁壓試驗在卵石層勘察中應用是可行的，可以在很大程度上縮短勘察工期，節約成本。但仍存在一些問題：

（1）目前僅在卵石層中做了較少的試驗，僅對現有的61組數據進行了簡單的分析，需要在將來的工作中繼續進行數據和經驗的積累，成熟的東西有待進一步的積累、完善。

（2）需要注意的是旁壓試驗對成孔質量要求較高，成孔較差的鉆孔其現場試驗數據離散型較大，導致試驗數據失真，因此現場勘察鉆探成孔時要嚴格控制成孔質量，鉆孔成孔孔徑要與旁壓器探頭相配套，同時采取有效地護壁措施。