成孔質(zhì)量對預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)結(jié)果的影響

張軍

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710054)

成孔質(zhì)量對預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)結(jié)果的影響

張軍

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710054)

結(jié)合旁壓試驗(yàn)的原理，分析了不同地層、不同成孔工藝形成的孔壁質(zhì)量情況對旁壓試驗(yàn)結(jié)果的影響，并提出了解決和控制的方法，指出旁壓試驗(yàn)具有儀器設(shè)備簡單、試驗(yàn)方便、適用地層廣泛，可對不同深度地層進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。

旁壓試驗(yàn)，成孔質(zhì)量，影響，土體

0 引言

20世紀(jì)50年代，法國土木工程師Menard發(fā)明了旁壓儀，并成功應(yīng)用于巖土工程測試領(lǐng)域。旁壓試驗(yàn)作為一種巖土原位測試方法，相較于其他測試方法，如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、十字板試驗(yàn)及靜力觸探試驗(yàn)等具有儀器簡單、操作方便，可對不同深度的粘性土、粉土、砂土、碎石土及軟巖進(jìn)行測試的優(yōu)點(diǎn)，它可以模擬基礎(chǔ)的實(shí)際受力狀態(tài)，測定巖土體天然應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)、基床系數(shù)，估算地基承載力，并可利用經(jīng)驗(yàn)公式估算基礎(chǔ)沉降、單樁承載力［1］。

1 旁壓試驗(yàn)原理

旁壓試驗(yàn)的原理是在鉆孔中進(jìn)行的一種水平向載荷試驗(yàn)，將圓柱形中空旁壓器下放至鉆孔中預(yù)定深度后，利用向測量腔充水使旁壓膜膨脹，將旁壓膜內(nèi)壓力橫向傳遞給孔壁土體，使土體產(chǎn)生彈塑性變形直至破壞，通過測量旁壓膜擴(kuò)張的體積和壓力得出壓力—變形曲線，圖解得出土體的臨塑壓力及極限壓力，并計(jì)算變形模量。

旁壓試驗(yàn)簡化原理圖見圖1。

為獲得上述測試參數(shù)，需要把旁壓試驗(yàn)簡化為軸對稱平面應(yīng)變狀態(tài)下的圓柱孔穴擴(kuò)張問題［2，3］。旁壓器在滿足一定長徑比(l/d=4～10)［1］要求下，且測量腔橡膠膜在旁壓器上下護(hù)腔的約束下，測量腔充水膨脹后呈一圓柱體，可近似為無限長度下的平面應(yīng)變狀態(tài)橡膠膜向孔壁土體施加壓力，且僅沿水平方向發(fā)生變形。滿足以上假定條件后，繪制出的典型旁壓試驗(yàn)壓力—變形曲線見圖2。

圖1 旁壓試驗(yàn)原理圖

圖2 旁壓試驗(yàn)典型曲線

從曲線形態(tài)上可分為三個(gè)階段［4］:0a段:表示旁壓膜膨脹的初始階段，即旁壓膜充水膨脹后與孔壁土體接觸并將土體壓縮推回至孔壁擾動前的狀態(tài)。該段曲線對應(yīng)的初始壓力p0及初始體積v0反映了孔壁土體的擾動情況，也直接反映出成孔質(zhì)量的好壞。

ab段:該階段p—v曲線一般為直線段［3］，反映出孔壁土體受壓后的彈性變形過程，其與載荷試驗(yàn)p—s曲線的直線段物理意義相同。該階段旁壓測試數(shù)據(jù)的好壞，直接關(guān)系到是否能計(jì)算出符合實(shí)際情況的地基土旁壓模量Em。

bc段:反映出土體由彈性變形階段開始向塑性變形階段發(fā)展，b點(diǎn)可看作是試驗(yàn)點(diǎn)土體塑性變形的起始點(diǎn)，其對應(yīng)的壓力為土體臨塑壓力值pf［3］，其等同于載荷試驗(yàn)的比例界限點(diǎn)。c點(diǎn)表示旁壓試驗(yàn)的極限壓力，理論上相當(dāng)于孔穴體積無限大時(shí)的試驗(yàn)壓力［3］，但受旁壓儀加壓水箱體積限制，通常取體積變形達(dá)到初始狀態(tài)的2倍(2v0+vc)［2］時(shí)所施加的壓力值為旁壓試驗(yàn)極限壓力pl。

2 影響分析

正常成孔情況下，對于使用梅納型旁壓儀NX型旁壓器(外徑74 mm)，采用 φ72 mm的平頭鉆頭成孔，成孔直徑一般為76 mm～78 mm，理論計(jì)算的初始體積 v0范圍值 150 cm3～200 cm3。由于地基土的不均勻性及不同地層采用的成孔工藝特性，在實(shí)際旁壓測試工作中，經(jīng)常會出現(xiàn)如圖3所示的旁壓試驗(yàn)曲線類型。

通過對試驗(yàn)曲線與理想曲線之間的差異分析，并結(jié)合成孔工藝對孔壁土體的擾動情況，作者分析得出不同地層條件下成孔質(zhì)量對旁壓試驗(yàn)曲線的影響。

1)v0過大(孔徑過大)。

圖3 不同類型旁壓試驗(yàn)曲線

圖4 v0值過大的異常曲線

旁壓曲線如圖3中的3，4曲線，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因，往往是由于鉆孔工藝不合適而引起試驗(yàn)點(diǎn)孔壁土體受到嚴(yán)重?cái)_動或孔壁坍塌，不符合旁壓試驗(yàn)對孔壁平直、光滑的要求。當(dāng)孔壁土體為軟土?xí)r，若鉆井液配比不好或壓力不足時(shí)，孔壁土?xí)蜚@孔內(nèi)側(cè)涌出，旁壓膜膨脹后需很大初始變形將涌出的土體推回至原始狀態(tài)，造成旁壓曲線初始段表現(xiàn)為斜率很大，而后續(xù)直線段斜率也會增大，從而引起旁壓模量Em偏低;同樣，若孔壁地層為砂卵石時(shí)，因成孔質(zhì)量不好造成孔壁坍塌，旁壓器測量腔開始充水加壓時(shí)，由于橡膠膜未受到土體約束，導(dǎo)致測量腔需充入大量水后產(chǎn)生膨脹變形才能貼住孔壁，造成的結(jié)果是，因旁壓儀內(nèi)水箱容積的限制，又不能再向內(nèi)注水，而無法加壓到極限狀態(tài)(甚至無法加壓達(dá)到塑性變形狀態(tài))，在旁壓曲線初始階段表現(xiàn)出斜率很大，施加很小的初始壓力就會產(chǎn)生很大的測量腔體積變化。圖4是某工程砂土及卵石層進(jìn)行旁壓試驗(yàn)的典型曲線。

2)v0接近于0(孔徑過小)。

旁壓曲線如圖3中的1曲線。旁壓試驗(yàn)點(diǎn)成孔直徑一般要求比旁壓器外徑大2 mm～5 mm為宜。實(shí)際工作中，常因?yàn)殂@頭的磨損導(dǎo)致成孔直徑偏小不能達(dá)到要求，下放旁壓器常常需要施加下壓力方可達(dá)到測試位置，此時(shí)測量腔外膜已緊貼孔壁并對內(nèi)、外膜施加了橫向約束力，開始加壓后，需對處于橫向約束狀態(tài)下的內(nèi)、外膜施加較大的壓力才能將周圍土體推回至初始狀態(tài)，表現(xiàn)在旁壓曲線上為初始體積v0接近于0，曲線初始段基本與坐標(biāo)p軸相切，而一旦孔壁土體達(dá)到初始狀態(tài)，因施加于測量腔內(nèi)膜的水壓比較大，若操作不當(dāng)，往往會達(dá)到或超過土體臨塑壓力pf，同樣引起第二階段直線段不明顯或斜率很大，曲線上表現(xiàn)出的pf往往被人為高估，導(dǎo)致提供的地基承載力偏大，而旁壓模量Em偏低。

圖5中旁壓試驗(yàn)曲線是在西安地區(qū)某工程黃土狀土進(jìn)行旁壓試驗(yàn)的典型曲線，經(jīng)事后對試驗(yàn)結(jié)果的分析，并查看鉆頭磨損情況，實(shí)際測量成孔直徑僅達(dá)到74 mm。

3)孔壁與旁壓器外膜間夾雜其他物質(zhì)。

這種情況通常不易發(fā)生，但當(dāng)成孔工藝不適宜或成孔時(shí)鉆具擺動過大時(shí)，則會出現(xiàn)這種異?，F(xiàn)象。如泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)時(shí)泥漿稠度過大，孔壁附著了一層較厚的泥皮，旁壓膜膨脹時(shí)，有部分壓力消耗在將泥皮擠開的過程中，當(dāng)旁壓膜接觸到孔壁原始土體后，旁壓曲線又表現(xiàn)為正常狀態(tài)。

圖5 v0值過小的異常曲線

圖6 異常曲線

在陜北某項(xiàng)目旁壓試驗(yàn)時(shí)，因?yàn)榭碧饺右?，對某層新黃土進(jìn)行干鉆鉆進(jìn)，因該土層屬于硬塑狀態(tài)，在鉆進(jìn)過程中，鉆具與土體長時(shí)間摩擦發(fā)熱將孔壁土體燒蝕產(chǎn)生“硬殼”，試驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)為初始壓力p0較大而初始體積v0較小，但是測量腔壓力達(dá)到一定程度后，曲線形態(tài)逐漸恢復(fù)正常。以上兩種情況，在曲線上均表現(xiàn)出有“兩個(gè)”初始體積v0值，即曲線初始階段出現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖6所示。

另外，旁壓試驗(yàn)中出現(xiàn)過旁壓器下放到試驗(yàn)土層后，上部粉細(xì)砂局部塌落夾在旁壓器外膜與孔壁之間，在旁壓膜加壓膨脹過程中將孔壁間粉細(xì)砂壓密，表現(xiàn)在曲線上為初始段v0很小，而初始壓力p0過大，曲線形態(tài)與上節(jié)中孔徑過小造成的異常試驗(yàn)曲線相似，導(dǎo)致臨塑壓力pf偏大，直線段斜率減小，計(jì)算的旁壓模量偏大。

3 采取的措施

通過不同成孔質(zhì)量對旁壓試驗(yàn)結(jié)果的影響分析，作者認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面對旁壓試驗(yàn)成孔質(zhì)量進(jìn)行控制:

1)對旁壓測試點(diǎn)深度不大，且地層為可塑狀態(tài)粘性土或粉土，建議采用旁壓試驗(yàn)推薦使用的勺形鉆人工鉆進(jìn)。該成孔方法不但可以保證較好的孔壁質(zhì)量，更主要的是對孔壁土的擾動很小，但缺點(diǎn)是人工鉆進(jìn)效率低，且受人力所限鉆進(jìn)深度較小，對地層成分要求較高。

2)根據(jù)使用的旁壓器型號，選擇合理直徑的鉆頭，且鉆探較硬地層時(shí)，應(yīng)經(jīng)常檢查鉆頭磨損情況，以保證成孔直徑大于旁壓器直徑2 mm～5 mm為宜。

3)在砂類土或卵礫石地層中鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)工藝，并配制合適稠度的泥漿，既要保證孔壁的直立性，又要盡量減少孔壁附著泥皮的厚度。

4)旁壓器下孔時(shí)，要居中放置，盡量不觸碰孔壁，防止將上部土體夾帶到旁壓器與試驗(yàn)點(diǎn)孔壁之間。

5)對旁壓試驗(yàn)孔的鉆進(jìn)，應(yīng)要求鉆機(jī)操作人員嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，相較于其他鉆孔更應(yīng)謹(jǐn)慎操作，盡量降低鉆進(jìn)過程對孔壁土體的擾動。

4 結(jié)語

成孔質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到旁壓試驗(yàn)外業(yè)測試能否成功，對測試結(jié)果的可靠性有很大影響。作者利用實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合旁壓試驗(yàn)原理，分析總結(jié)了不同孔壁狀態(tài)下對試驗(yàn)結(jié)果的影響，并提出有效措施避免該影響，以保證旁壓試驗(yàn)結(jié)果的可靠。

［1］ 林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］ 弗·巴居蘭.旁壓儀和基礎(chǔ)工程［M］.盧世深，譯.北京:人民交通出版社，1984.

［3］ 王長科.用旁壓試驗(yàn)原位測定土的強(qiáng)度參數(shù)［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，1992(6):25-27.

［4］ YS 5224—2000，旁壓試驗(yàn)規(guī)程［S］.

The influence of pore form ing quality on the results of preboring pressuremeter test

Zhang Jun

(Xi’an Engineering Investigation and Design Research Institute of China NonferrousMetals Industry，Xi’an 710054，China)

Combining with the principle of pressuremeter test，this paper analyzed the influence of hole wall quality situation to pressuremeter test results from different stratum，different pore forming process，and put forward the solution and controlmethods，pointed out the pressuremeter test had simple equipment，easy to test，applied board formation，could made test to different depth stratum and other advantages.

pressuremeter test，pore forming quality，influence，soil

TU411

A

1009-6825(2015)29-0063-02

2015-08-02

張 軍(1973-)，男，工程師