基于旁壓試驗的花崗巖力學參數確定

摘要 強風化花崗巖具有抗剪強度較高、孔隙度相對較高、含水率較低等特性，且具有較高的硬度，取樣時對工具的要求較高。旁壓試驗是一種可用于評估強風化花崗巖性質的原位試驗方法，被廣泛用于工程、地質和環境研究中。文章基于池黃鐵路工程，闡述了旁壓試驗應用在該地區強風化花崗巖地質勘察中的廣泛性，通過對旁壓試驗所得力學參數進行分析，結果表明：在深層和淺層強風化花崗巖層進行旁壓試驗時旁壓曲線有著不同的特點；旁壓試驗的結果同時還能夠反映同一土體對于不同巖土深度土體指標的變化情況，強風化花崗巖土體性質隨巖土深度變化而有所不同。該分析結果很好地驗證了旁壓試驗在強風化花崗巖地質勘察應用的優越性。

關鍵詞 旁壓試驗；強風化花崗巖；地質勘察；旁壓模量

中圖分類號 P624文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0066-03

0 引言

受氣候因素的長期影響，強風化花崗巖地質層，逐漸形成了大量的地貌特征，包括但不限于河道、峽谷以及高原臺地等地形特征。強風化花崗巖在我國分布廣泛，是一種經過長時間自然風化作用的花崗巖巖石，通常表現為高強度、壓縮模量大、孔隙度較高、含水率較低的特性，選用合適的試驗方式對強風化花崗巖地質進行取樣成為當前的研究熱點之一。旁壓試驗具有諸多優點，可以用來評估土體的物理性質、力學特性和水文特性，并能模擬不同的荷載條件和土壤特性，幫助評估土體的承載力、沉降性能和穩定性等。學者鄧東等[1]有針對性地將旁壓試驗運用在了不同地質條件城市地質勘察中，為城市地質勘察調查提供了一種方法。學者王曉兵等[2]將旁壓試驗運用到某核電廠巖土工程勘察中，通過與標準貫入試驗的結果進行對比，考慮旁壓試驗更適用的場合，得出旁壓試驗結果受成孔的質量和加壓速率影響較大。學者唐偵湛[3]基于長沙市地鐵3號線，通過現場旁壓試驗所獲得數據進行室內分析來研究旁壓參量之間的關系，結果表明：利用旁壓試驗來進行地質勘察，其水平基床系數、旁壓模量和地基承載力三者成正比例相關，該試驗結果同時也可以為城市地鐵地質勘察提供參考。學者李君韜[4]對旁壓試驗和靜力觸探試驗兩種原位測試方法進行了簡單的介紹，對比室內試驗有著不會破壞土層的原位應力，即所得到的力學參數更加符合實際情況的優勢，闡述了旁壓試驗的試驗流程和注意事項，并且基于北京某大型巖土勘察的實測數據，通過利用有限元仿真模擬軟件進一步對比說明旁壓試驗在實際工程中的應用價值。學者馮宇等[5]對旁壓試驗的使用方法進行了詳細介紹，分析了在潮汐影響下如何進行旁壓試驗，基于旁壓試驗對蘇通大橋的強度參數進行試驗，為同類工程提供了參考。

1 旁壓試驗介紹

旁壓試驗是一種常見的原位測試技術，在巖土勘察等領域應用廣泛。可以在不破壞土層原位應力狀態的情況下得到土體的各項參數，因此在一定條件下，旁壓試驗所得到的參數更符合實際地質情況，旁壓試驗技術可以極大提高地質勘察結果的準確性。簡單來說，預鉆式旁壓試驗是一種通過在地下提前鉆孔并安裝壓力計來進行的旁壓試驗，其原理是在地下鉆孔的過程中，先安裝一個壓力計設備，然后通過在壓力計內施加穩定的壓力來測量土體的應力－應變關系，以評估土體的力學性質。預鉆式旁壓試驗的步驟大概為鉆孔、安裝壓力計、施加壓力、測量壓力和變形、數據分析。

完整的旁壓曲線分為初始、似彈性和塑性階段，其中，初始階段反映孔壁受擾后土的壓縮與恢復過程。似彈性階段：在旁壓試驗的初始階段，加載施加在試樣上時，會出現線性彈性變形。當施加的應力移除時，試樣將恢復到初始狀態。塑性階段：當施加的應力超過試樣的彈性極限時，試樣會進入塑性階段。在這個階段，試樣會出現塑性變形，應變不再與應力成正比。試樣會發生永久性變形，而且應力和應變之間的關系不再是線性的。試樣會沿著一條曲線進行塑性變形，這條曲線稱為塑性應變曲線。典型旁壓曲線示意圖見圖1。

2 場地概況

此次勘察位置為池州至黃山鐵路（池黃鐵路），池黃鐵路位于安徽省南部皖南山區，經由池州市、黃山市，通過九華山、太平湖、黃山等風景名勝區。在該次旁壓試驗之前，已通過室內土工試驗和標準貫入試驗等方法對該工程巖土強度以及其變形參數進行了測量。但對于強風化花崗巖地質來說，該巖體極易破碎，采集樣品十分困難，采用上述方法土體原位應力已經被破壞，所獲得的土層承載力和變形能力不能很好地反映實際情況，故采用旁壓試驗對該工程再次勘察。該次勘察目的主要是利用旁壓試驗方法對強風化花崗巖承載力以及變形能力進行勘察，該工程地貌分布見圖2。

3 旁壓試驗結果分析

3.1 旁壓試驗曲線分析

對池州至黃山鐵路（池黃鐵路）工程進行了12個孔的旁壓試驗，這些孔的區間深度為[?20 m，?65 m]，對旁壓試驗曲線進行分析并計算對應地基承載力特征值和土體的旁壓模量，采用公式（1）：

fak=Pf?P0 （1）

式中，fak——地基承載力特征值；Pf ——臨塑壓力；P0——初始水平土壓力。

土體的旁壓模量可根據公式（2）進行計算。

（2）

式中，——似彈性階段的直線斜率；μ——泊松比；Ve——初始體積；V0——初始水平土壓力對應體積；Vf ——臨塑壓力對應體積。

如圖3所示，為旁壓試驗在測點深度為35 m時的一條旁壓曲線，該旁壓曲線可很好符合典型旁壓曲線的三個階段。根據圖3可得：深度25 m時土層的初始壓力位800 kPa，小于800 kPa時，位于初始階段；深度25 m時土層的臨塑壓力為2 800 kPa，處在800 kPa和2 800 kPa之間，土體位于似彈性階段；當超過2 800 kPa時，土體會處于破壞狀態。

如圖4所示，為旁壓試驗在測點深度為33 m時的一條旁壓曲線，該曲線僅出現典型旁壓曲線的初始階段和似彈性階段。根據圖4分析該深度的土體沒有出現塑性階段的原因，可能是由于隨著勘察深度的增加，巖土的風化程度會降低，其相應的強度會增大，所以土體還未達到塑性階段。

將兩種不同測點深度的旁壓曲線進行對比，可以得出，在不改變其他條件時，在強風化花崗巖層不同深度進行旁壓試驗時旁壓曲線有著不同的特點。具體而言，對于淺層強風化花崗巖巖層來說，旁壓曲線很好地符合了典型旁壓曲線的三個階段，但是對于深層強風化花崗巖巖層來說，由于深度太大，存在使臨塑壓力超過量程的可能，但這種情況下巖層的承載能力已經非常高，證明了旁壓試驗在對深層地質勘察的優越性。

3.2 旁壓模量隨深度變化分析

如圖5所示，為旁壓模量隨深度變化曲線。從圖5可得：深度小于41 m時，旁壓模量隨著深度的變化為不均勻分布，未呈現明顯的規律性，旁壓模量的激增和驟減可能是由于地層中存在不同的土層所導致的；深度大于41 m時，旁壓模量隨著深度的增大呈現逐漸增大的趨勢。

如圖6所示，為旁壓模量隨深度變化曲線。從圖6可得：旁壓模量隨著深度的變化為不均勻分布，旁壓模量隨深度的變化大致呈Z形分布，深度為53～62 m時旁壓模量差值較大是在較深處，強風化花崗巖不單單只有一個巖土層，不同巖土層的力學性質也有著明顯的區別。

根據圖5和圖6的旁壓模量隨深度變化曲線圖可知，對于強風化花崗巖來說土體性質變化很大，對同一鉆孔而言，強風化花崗巖層的旁壓模量隨深度變化最大值與最小值之間的差異非常大。很明顯，在采樣困難的情況下，室內試驗等方法難以獲得各個深度土層力學性質準確、全面的信息。相比之下，旁壓試驗更容易滿足試驗條件，因此其結果更可靠。

3.3 根據旁壓試驗計算的土層參數

采用公式（1）和（2）結合旁壓試驗所得旁壓曲線和旁壓模量隨深度變化關系得到不同土層深度下各參數（承載力標準值、旁壓模量和抗剪強度），計算所得土層參數見表1。

經對該地質土層調研得出，根據旁壓試驗所計算的土層參數與該地區的強風化花崗巖巖層力學參數較為符合。該地區各項指標參考《建筑抗震設計規范》[6]。

4 結論

為了探究旁壓試驗在強風化花崗巖地質勘察中的實際應用，該研究首先對國內旁壓試驗技術發展應用進行了總結，簡單地介紹了旁壓試驗的全過程和注意事項，以及對比其他原位試驗方法的優勢，并基于池州至黃山鐵路（池黃鐵路）工程利用旁壓試驗技術對其進行了地質勘察，最終得出以下結論：

（1）在深層和淺層強風化花崗巖層進行旁壓試驗時旁壓曲線有著不同的特點。當強風化花崗巖巖層深度較大并且到達一定界限時，存在會使臨塑壓力超過量程的情況，無法對其計算。同時，旁壓試驗的結果還能夠反映對于同一土體材質在巖土深度變化時土體指標的變化情況。然而對于室內試驗來說，獲得足夠的樣本來反映土體指標隨著巖土深度變化的情況是十分困難的。

（2）對于強風化花崗巖來說土體性質隨巖土深度變化有所不同，對同一鉆孔而言，強風化花崗巖層的旁壓模量隨深度變化最大值與最小值之間的差異非常大。在土體采樣困難的情況下，室內試驗和標準貫入等方法難以對各個深度土層力學性質進行準確有效的勘察。因此，相比之下旁壓試驗所獲得土體指標更可靠。

參考文獻

[1]鄧東， 于許兵， 謝鵬程. 旁壓試驗在城市地質調查中的應用[J]. 四川建材， 2021（10）： 64-65.

[2]王曉兵， 丁鵬飛. 旁壓試驗在某核電廠巖土工程勘察中的應用[J]. 勘察科學技術， 2021（3）： 21-27.

[3]唐偵湛. 旁壓試驗在地質勘察中的應用——以長沙市地鐵3號線為例[J]. 湖南交通科技， 2019（3）： 196-198.

[4]李君韜. 基于旁壓試驗和靜力觸探估算地基承載力和壓縮模量[D]. 北京：中國地質大學（北京）， 2017.

[5]馮宇. 低應變檢測技術在樁基檢測中的應用[J]. 建材與裝飾， 2017（16）： 68-69.

[6]國家標準《建筑抗震設計規范》（2016年版）局部修訂通過審查[J]. 工程建設標準化， 2022（4）： 23.

收稿日期：2023-11-22

作者簡介：李磊（1992—），男，本科，工程師，研究方向：工程地質。