深厚強風化花崗巖層旁壓試驗關鍵技術探究

摘 要：為了有效計算深厚強風化花崗巖層的地基承載力，本次研究過程分析了旁壓試驗的原理和關鍵技術，在其基礎上獲取此類地基的旁壓模量，再計算地基承載力特征值，并且與室內土工試驗的測試結果進行對比。結果顯示，旁壓試驗求出的地基承載力特征值、地基變形模量明顯高于室內土工試驗，能夠更好地反映深厚強風化花崗巖層的地質特點。

關鍵詞：深厚強風化花崗巖；旁壓試驗；關鍵技術

中圖分類號：TU 45" " 文獻標志碼：A

深厚強風化花崗巖層屬于不良的地質條件，傳統的室內土工試驗方法難以有效檢測此類地基的承載力。旁壓試驗是典型的原位測試方法，能夠滿足較大埋深的地質檢測工作要求，可分層測試地基的承載力特征值、抗剪強度以及旁壓模量，其結果更加接近實際情況，因此對其進行研究。

1 深厚強風化花崗巖的特點

某地區年平均降水量為1300～2500mm，年平均氣溫約為22.7℃，夏季歷史最高氣溫為39.1℃，屬于亞熱帶季風氣候。受到降雨、季風、環境溫度等諸多因素的影響，該地區巖石出現強烈風化。根據地質調查的結果，該地區分布著大量的花崗巖，其風化巖層的厚度可達到10～55m，為深厚強風化花崗巖層。

2 旁壓試驗的關鍵技術

旁壓試驗是一種地基原位測試方法，主要的技術依據為《地基旁壓試驗技術標準》（JGJ/T 69—2019），常用的實施方法分為預鉆式旁壓試驗和自鉆式旁壓試驗，此次研究采用預鉆式旁壓試驗法。

2.1 試驗儀器及率定

試驗儀器：預鉆式旁壓儀是預鉆式旁壓試驗的核心設備，其結構由水箱、測管、精密壓力表、數據測記裝置、控制閥門、調壓閥、旁壓器、加壓穩壓、高壓氣源裝置組成，整體呈圓柱狀，根據腔體的數量，可分為單腔式和三腔式[1]。

率定方法：為保證試驗結果的精確性和可靠性，必須校準儀器，主要包括綜合變形率定和彈性膜約束力率定。綜合變形率定主要用于校準儀器的整體性能，而彈性膜約束力率定則用于檢查儀器承受壓力時的性能。為了檢查儀器在長時間使用后的性能以及保證儀器承受壓力時的準確性和可靠性，根據規定，旁壓儀初次使用時或長期放置后重新啟用前，應進行儀器校準。如果旁壓儀使用次數達到20次，就應進行彈性膜約束力率定。為保證試驗結果的精確性和可靠性，除了儀器校準外，還須注意其他因素。例如，操作過程中應嚴格遵守相關規定，避免人為誤差，同時，也需要定期進行儀器維護和保養，以保證儀器正常運轉。此外，為提高試驗結果的可靠性，需要進行多次測量并取平均值。以綜合變形率定為例，實施方法如下。

將旁壓器放置在率定管內，在彈性膜的徑向形成剛性限制力，率定時逐級加壓，下一級對上一級的壓力增量為儀器額定壓力的1/10，加壓時的最高限制為額定壓力的80%。測量每一級壓力對應的位移或體積數值，繪制相關曲線，該曲線對應壓力軸的斜率即為綜合變形率定系數[2]。

2.2 現場試驗方法

2.2.1 試驗流程

現場試驗是獲取地下工程地質參數的主要方式之一，其基本流程包括預鉆式旁壓儀定位、調節水平、連接主機與旁壓器、調整高壓氣源瓶上的減壓閥、注水、調零、將旁壓器放至試驗深度、測量記錄試驗深度及地下水位等步驟。在整個試驗過程中，加壓操作應逐級進行，對強風化巖來說，達到臨塑壓力前的壓力增量為200kPa～500kPa，臨塑壓力后的壓力增量應≥500kPa。預鉆式旁壓儀定位，決定了試驗的準確性和可靠性。在定位過程中，需要充分考慮地層條件、試驗目的和現場環境等因素，以保證旁壓儀能夠正確放置在所需的位置。如果旁壓儀放置存在水平誤差，就會導致測量結果出現誤差，從而影響整個試驗的結果。因此，在試驗前需要對旁壓儀進行仔細調平，以保證其水平度滿足要求。在連接主機與旁壓器過程中，施工人員需要保證連接的緊密性和穩定性，防止在試驗過程中出現漏氣或壓力損失等問題。減壓閥的作用是控制高壓氣源的輸出壓力，從而對旁壓器進行加壓操作。在這個步驟中，施工人員需要保證減壓閥的調節精度以及穩定性，避免對試驗結果造成影響。注水、調零試驗旨在讓旁壓器與地層充分接觸，并排除地層中的氣體、水分。當施工人員執行這兩個步驟時，需要特別注意注水量和調零操作的準確性。在測量記錄試驗深度及地下水位過程中，施工人員需要使用準確的測量工具以及記錄方法，保證測量結果的準確性和可靠性。

2.2.2 現場試驗的技術要點

注水和調零實施要點：注水和調零是旁壓試驗的關鍵步驟，將清潔的冷水注入旁壓儀的水箱內，結束后旋緊水箱蓋，注水時應保持旁壓儀垂直于地面，并保證基礎可靠、平穩，管路中有可能殘存一定量的空氣，注水時應保證旁壓器和導壓管充滿清水，因此可通過持續抖動排除滯留的空氣。觀察目測管內的水位，當其水位上升或者略高于“0”時，即可停止注水操作，再將水箱蓋打開[3]。在旁壓器恢復原狀后，將其提升至一定高度，排出多余的水，最終使目測管的“0”刻度線與測量腔保持平齊。

試驗加壓方法：試驗過程采用逐級加壓法，將壓力差設計為預估臨塑區壓力的1/5～1/7，亦可按照表1確定每次的壓力增量，加壓穩壓以及變形量測量時間見表2。

試驗加壓靜水壓力計算方法：試驗的第一級壓力載荷會在旁壓器內產生一定的靜水壓力，可根據孔口至試驗段中點的深度計算靜水壓力。

2.3 數據處理方法

旁壓試驗可得到一系列現場數據，經過校正后，可通過這些數據建立旁壓曲線，其作用是表征巖體應力和應變關系之間的關聯變化規律，從而通過該曲線計算巖土的模量和承載力，為工程建設提供理論依據。以旁壓模量Em為例，其計算方法分為兩種，用方法一計量數據是位移量，用方法二計算數據是體積。旁壓試驗的目的是通過其結果計算地基的承載力，相應的計算方法分為兩種：根據巖土體的臨塑壓力計算承載力；根據巖土體的極限壓力計算承載力[4]。

3 深厚強風化花崗巖旁壓試驗應用實例

3.1 勘察場地基本情況

本次研究以辦公樓場地項目為研究對象，由工程技術人員對場地進行詳細勘察，按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50213—2019）檢測場地內的巖土強度，在具體實施過程中，發現深厚強風化花崗巖層遇水后易崩壞，難以有效取樣，導致其檢測獲得的巖土強度值不能反映巖土層的實際承載力，因此采用旁壓試驗檢測地基巖土層的強度及變形參數[5]（巖土強度測試項目及適用標準見表3）。

經過地質鉆探，獲得施工場地的地層結構，按照從上到下的順序，分別為含卵石砂礫（厚度約為14.7m）、粗砂（厚度約為2.6m）、砂質性黏土（厚度約為5.9m）、全風化花崗巖（厚度約為5.6m）、強風化花崗巖（厚度約為18.7m）。

3.2 旁壓試驗結果分析

3.2.1 典型旁壓試驗分析

基于典型旁壓曲線的旁壓模量計算結果：試驗場地的面積約為3000㎡，試驗過程利用梅納G-AM型高壓旁壓儀進行鉆孔，數量為13個，旁壓試驗的深度為-26～-70m。分析試驗數據，得到兩種典型的旁壓曲線，圖1為第一種典型旁壓曲線的示意圖，該曲線的測點在地下41m處，土層的初始壓力p0=800kPa，臨塑區壓力pf=2800kPa。利用相應的計算公式，求出旁壓模量Em=112MPa。

當旁壓試驗的測點深度達到地下60m處時，得到另一種典型的旁壓試驗曲線，其特點為幾乎無法觀察到塑性階段，造成這種現象的原因是在這個深度，花崗巖的風化程度降低，巖土層的強度有所提升，在試驗壓力下并未引發塑性變形，因此對試驗數據進行校正，計算該深度的旁壓模量為441MPa。

3.2.2 典型地塊旁壓模量隨深度的變化

表4為旁壓試驗中典型地塊旁壓模量隨深度的變化情況，當深度為34.5m、38.0m、42.0m時，旁壓模量明顯提高，分析地質調查的資料，造成這種現象的主要原因是地層中出現了風化花崗斑巖，此類巖石硬度較大，導致Em檢測值驟增，試驗結果符合地質資料。

3.3 基于旁壓試驗的地基勘察成果分析

3.3.1 土工試驗的結果

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50213—2019），通過標準貫入試驗對強風化花崗巖場地進行地質勘察，并且采集土樣，進行室內土工試驗。結果顯示，強風化花崗巖的承載力特征值fak=800kPa，變形模量E0=150MPa，內摩擦角ψ=32°，凝聚力c=50kPa。當獲取fak時，標準貫入試驗的錘擊次數超過50次。E0的計算方法為E0=αN'，其中N'是未修正的標準貫入次數，N'=50，α=30。

3.3.2 旁壓試驗的結果

根據旁壓試驗的數據，分層計算巖土層的承載力特征值、旁壓模量以及抗剪強度參數，結果見表5。

3.3.3 試驗結果對比

在土工試驗中，強風化巖層的承載力特征值為800kPa，旁壓試驗計算的平均承載力特征值為2742.93kPa，為前者的3.42倍。在土工試驗中，測得巖層的變形模量E0=150MPa，旁壓模量與變形模量存在一定的差異，二者之間具有轉換關系，通常按照E0=kEm進行轉換，系數kgt;1。但是實測的旁壓模量均值為190.66MPa，大于E0，說明通過土工試驗測量的變形模量偏小。

利用旁壓試驗測量地基抗剪強度的理論模型尚不完善，根據現有的研究成果，此次研究過程采用一種反推的計算方法，根據已知數據計算抗剪強度中的凝聚力，過程如下。強風化花崗巖層的埋置深度可達到數十米，采用試驗方法求出地基承載力特征值后，還應對其進行修正，將修正后的地基承載力特征值記為fa，則fa的計算過程如公式（1）所示。

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5） （1）

式中：ηb為基礎寬度的地基承載力修正系數；ηd為埋置深度的地基承載力修正系數；b為基礎底面寬度；γ為基礎底面以下土的重度；γm為基礎底面以上土的加權平均重度；d為基礎的埋置深度。若b=3，d=0.5，則有fa=fak。當偏心距e小于或等于0.33倍基礎底面寬度時，可采用抗剪強度指標計算地基承載力特征值，如公式（2）所示。

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck （2）

式中：Mb、Md、Mc均為承載力系數，可根據土的內摩擦角標準值確定這3個參數的取值；ck為基底下一倍短邊寬度對應深度范圍內的土黏聚力標準值。將b=3和d=0.5代入公式中，再綜合公式（1），即可得到公式（3）。

fa=fak=3Mbγ+0.5Mdγm+Mcck （3）

式中：令γ=γm=20kN/m3，Mb、Md、Mc的取值與巖土內摩擦角的關系見表6。在計算過程中，內摩擦角為32°，對應的Mb=2.60，Md=6.35，Mc=8.55。因此公式（3）中僅剩的未知量為ck，從而可推導各地質層的黏聚力。綜合對比土工試驗和旁壓試驗的結果，后者求出的地基承載力特征值、風化巖層變形模量以及抗剪強度均大于土工試驗。

3.3.4 深層強風化花崗巖旁壓試驗注意事項

體積校正：當土層的剛度較大時，儀器管路在下探過程中會出現一定的變形，在這種情況下，管路自身的變形程度較大，而孔壁的變形量較小，因此儀器管路的變形量成為不可忽視的影響因素，每次測量時應校正管路的變形量，否則會干擾旁壓模量的測量結果。

嚴格控制偏壓調節的誤差：對梅納G-AM型高壓旁壓儀來說，當試驗深度持續增加時，探頭內空氣腔、水腔的固定壓差與試驗深度呈正相關，導致偏壓調節難度增加，有可能產生較大的誤差。因此，可適當增加壓差試驗的次數，從1次提升為2次或者3次，將多次測量的平均值作為結果。如果2次測量的結果基本一致，可直接采納，如果2次測量結果的偏差較大，就可進行第三次試驗，剔除其中的較大值。

4 結語

深厚強風化花崗巖層的結構性、破碎性較為突出，傳統的土工試驗方法需要進行取樣，而此類巖層的地質特點導致取樣困難，計算結果也難以反映實際情況。旁壓試驗是一種可行的風化巖層地質勘察方法，經過實測，該方法獲取的地基承載力特征值、抗剪強度以及變形模量都更為可靠，效果強于傳統的土工試驗方法。

參考文獻

[1]黃傳寶.福建花崗巖殘積土工程特性的研究[J].四川水泥，2021（11）：255-256.

[2]陳法波，李志云，楊光華，等.福建平潭風化花崗巖原位測試及巖土參數取值研究[J].水利水電技術，2020，51（7）：147-153.

[3]沈振，屈鵬飛，孟軻荊，等.旁壓試驗和標準貫入試驗與砂土變形模量的相關性[J].巖土工程技術，2021，35（6）：416-419.

[4]陳法波，溫勇，楊光華，等.基于自鉆式旁壓試驗的花崗巖殘積土原位力學特性研究[J].水利水電技術，2019，50（增刊2）：188-192.

[5]張鳳海，徐明江，宋兵.旁壓試驗與標準貫入試驗在地基檢測中的對比研究[J].廣東土木與建筑，2019，26（2）：26-28.