北京王四營地區(qū)土體旁壓模量與壓縮模量關系初探

李方震 李超

摘 要：城市化進程的加快，產(chǎn)生了人口密集、交通堵塞、資源短缺等諸多問題，城市空間需求增長與地面空間有限的矛盾日益突現(xiàn)，地下空間的開發(fā)利用越來越受到重視。北京交通網(wǎng)的建設已通過建設地鐵線網(wǎng)、地下停車場和地下交通換乘樞紐形成地下交通系統(tǒng)，緩解了地面空間、環(huán)境資源對交通網(wǎng)的限制。以地下輸送的高效率支持地下、地上各功能設施運轉(zhuǎn)的高效率，局部地下空間利用已經(jīng)超過50 m。為了使地下空間開發(fā)利用安全穩(wěn)定，提供所需的巖土體物理力學參數(shù)（特別是50～100 m深度）具有重要的意義。北京王四營地區(qū)土體旁壓試驗，獲取了0～100 m深度內(nèi)黏性土及粉土力學性質(zhì)，并在相同深度采取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，分析了旁壓模量和壓縮模量隨深度變化的相互關系，并用數(shù)理統(tǒng)計方法總結出二者的定量關系，為王四營地區(qū)100 m深度地下空間的利用提供可靠的力學參數(shù)。

關鍵詞：旁壓試驗;旁壓模量;壓縮模量：對比分析

Abstract： Acceleration of urbanization has caused many problems， such as dense population， traffic jam， shortage of resources and so on. The contradiction between the growth of urban space demand and the limited ground space has become increasingly prominent， and more and more attention is paid to the efficient development and utilization of underground space. The construction of Beijing transportation network has formed an underground transportation system with subway networks， underground parking lots and underground transportation interchange hubs， which alleviates the restrictions of ground space and environmental resources on the transportation network， and supports the efficient operation of underground and above-ground functional facilities with efficient underground transportation. Deeper underground space development is necessitated with utilization of local underground space exceeding 50 meters. In order to make safe and stable development and utilization of the underground space， it is of great significance to provide the required physical and mechanical parameters of rock and soil （especially at the depths of 50-100 meters） for the development and utilization. In this paper， the author has carried out the pressuremeter test of soil in Wangsiying area， Beijing， and obtained the mechanical properties of cohesive soil and silt at the depths of 0-100 meters. Undisturbed soil samples are taken for indoor geotechnical test， and the relationship between pressuremeter modulus and modulus of compressibility with depth is analyzed， and the quantitative relationship between them is summarized in mathematical statistics， which provides reliable mechanical parameters for the utilization of underground space in Wangsiying area at the depth of 100 meters.

Keywords： pressuremeter test; pressuremeter modulus; modulus of compressibility; contrastive analysis

隨著城市化進程的不斷加快，城市建設用地逐年減少，為了充分利用有限空間，大量高層甚至超高層建筑、交通網(wǎng)開始興建，其地下空間的利用也向著更深的方向發(fā)展，局部地區(qū)已經(jīng)超過地下50 m。所以，為穩(wěn)定安全開發(fā)利用地下空間，提供可靠的巖土體物理力學參數(shù)（特別是50～100 m深度）具有重要的意義。

北京地區(qū)深部黏性土及粉土的物理力學參數(shù)主要通過鉆探取樣、室內(nèi)土工試驗獲取，然而室內(nèi)試驗并不能完全反映土體原位的工程力學特性，原位測試（旁壓試驗）仍是了解深層巖土體力學參數(shù)的一個發(fā)展方向。

旁壓試驗作為原位測試中為數(shù)不多的幾種具有完整理論體系的測試手段，可以得到土的應力-變形關系的整個過程（萬長珠，1988）。1930年，德國工程師寇可婁（Kogler）發(fā)明了最早的旁壓儀。1957年，法國道橋工程師梅那（Menard）成功研制了三腔式旁壓儀，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，在很多國家已被廣泛認同和應用（石祥鋒等，2004）。旁壓試驗儀具有體積小、操作方便、結果可靠、經(jīng)濟實用等特點，尤其是對深部巖層、地下水位以下、場地受限等情況，有著很大優(yōu)勢，廣泛應用于港口、橋梁、地鐵、建筑地基的地質(zhì)勘察中（郝冬雪，2011）。上海地區(qū)旁壓試驗深度已經(jīng)達到100 m（顧國榮等，1996），北京平原區(qū)旁壓試驗試驗深度也達到100 m（李超等，2016;北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，2017），并與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，得出100 m深度范圍內(nèi)壓縮模量和旁壓模量的定性關系，根據(jù)旁壓試驗得出了估算土體水平基床系數(shù)的方法（李超等，2020）。為了準確掌握地下土體力學參數(shù)，筆者在北京王四營地區(qū)深部（100 m以內(nèi)）開展了旁壓試驗，并根據(jù)旁壓試驗得出旁壓模量，與土工試驗所得的壓縮模量數(shù)據(jù)進行了對比分析，得出了二者的相互關系。

1 試驗場地的工程地質(zhì)概況

王四營位于永定河沖洪積扇中部，第四系為黏性土、粉土及砂土交互層，以細顆粒為主（何靜等，2019）。根據(jù)對現(xiàn)場鉆探、原位測試與室內(nèi)土工試驗成果的綜合分析，王四營地區(qū)100 m范圍內(nèi)的地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層和一般第四紀沉積層（DBJ 11-501-2009，2016年版），按巖性特征、物理力學性質(zhì)進一步劃分為17個大層，自上而下分述如表1（該區(qū)潛水水位埋深約10 m）：

2 試驗方案

由于取土直徑和旁壓探頭直徑不能匹配，一個鉆孔內(nèi)同一深度采集原狀土樣后，造成孔徑較大，旁壓試驗無法實施。如開展二者對比試驗分析，至少需要設計2個鉆孔，1個鉆孔對黏性土及粉土采取原狀土樣，另1個鉆孔在上述鉆孔取原狀土的深度開展旁壓試驗。為了保證2個鉆孔同一深度土層的物理力學性質(zhì)相同或基本相同，2個鉆孔的水平距離宜盡量接近。試驗鉆孔間距2 m，孔深均為100 m，旁壓試驗成孔時先將土取出，直接判斷土層的類別、塑性狀態(tài)、密實程度等（與表1一致）。首先與同一深度土樣進行對比，然后再開展旁壓試驗，最后將室內(nèi)土工試驗所得的壓縮模量和旁壓試驗所得的旁壓模量進行對比。

本次試驗在朝陽區(qū)王四營地區(qū)設計鉆孔3個，孔深為100 m，總進尺300 m，其中1個是原狀土取樣鉆孔;2個是旁壓試驗鉆孔。3個鉆孔成等邊三角形布置，間距均為2 m，共取原狀土樣55件，進行旁壓試驗67次。

3 預鉆式旁壓試驗

預鉆式旁壓試驗是通過旁壓器在預先完成的鉆孔中對孔壁施加橫向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，利用儀器量測孔周巖土體的徑向壓力與變形關系，測求地基土的原位力學狀態(tài)和力學參數(shù)。預鉆式旁壓試驗適用于孔壁能保持穩(wěn)定的黏性土、粉土及砂土，不適用于飽和軟黏土（工程地質(zhì)手冊編委會，2018）。王四營地區(qū)100 m深度范圍內(nèi)主要為黏性土、粉土及砂土，黏性土呈可塑—硬塑狀態(tài)，粉土及砂土一般為中密—密實狀態(tài)，鉆探采用巖芯管鉆進，泥漿護壁以確?？妆诓凰Ｅ詨簝x由旁壓器、加壓裝置和變形量測系統(tǒng)及控制裝置等部分組成。旁壓器是旁壓儀的主要部分，用以對孔壁施加壓力，由一空心金屬圓柱筒、固定在金屬筒上的彈性膜和膜外護鎧組成，分三腔式和單腔式。三腔式中腔為量測腔，上、下兩腔為輔助腔，上、下兩腔由金屬管連通而與中腔嚴密封閉。輔助腔的作用在于延長孔壁土層受壓段長度，減小量測腔的端部影響，當土體受壓時，使量測腔部分周圍土體均勻受壓使土體近似地處于平面應變狀態(tài)。加壓裝置由高壓氮氣瓶連接減壓閥組成，測量及控制裝置由水箱、量管、壓力表和導管組成，最大工作壓力可達10 MPa，最大測試深度100 m以上。本次試驗使用法國APAGEO公司制造的MENADRD（GA）預鉆式三腔式旁壓儀，為NX型。在進行旁壓試驗前，施工一個110 mm直徑的鉆孔，至試驗段以上1 m采用75 mm巖芯鉆進行平穩(wěn)鉆進，確?？妆诠饣?，然后下放旁壓儀進行旁壓試驗，按照相應的操作規(guī)程獲取壓力和變形曲線，根據(jù)GB 50021-2001（2009年版）《巖土工程勘察規(guī)范》中旁壓模量公式計算黏性土及粉土旁壓模量。旁壓試驗得到的旁壓模量是水平模量，主要反映土體的抗剪變形性質(zhì)（萬長珠，1988）。

4 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)旁壓試驗實測數(shù)據(jù)計算旁壓模量，將室內(nèi)試驗壓縮模量和計算的旁壓模量進行分層綜合統(tǒng)計，結果見表2。

表2中壓縮模量取土的有效自重壓力P0至土的有效自重壓力P0加100 kPa段計算而得，壓縮模量和旁壓模量從物理意義來看，均反映土體在外力作用下抵抗變形的能力，模量越大，土越硬，壓縮性越小，抵抗變形的能力越強。不同的是室內(nèi)試驗將土樣放進固結儀中，在完全側限的條件下分級施加垂向壓力，當施加壓力等于有效自重壓力時，繼續(xù)施加壓力也可近似視為土樣在原始應力條件下受力的變形特性。而旁壓試驗為原位試驗，土體在原位受到旁壓器施加的水平方向外力而發(fā)生變形。

5 試驗數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)表2可以看出，旁壓模量及壓縮模量平均值隨深度增加總體上同步增大，31 m以上同一層位黏性土及粉土旁壓模量和壓縮模量比較相近，差值在1.80 MPa以內(nèi);31～50 m未獲取有效試驗數(shù)據(jù)，50 m以下旁壓模量比壓縮模量大25%～89%，而且隨深度增加兩者差值有增大的趨勢。

通過對旁壓模量和壓縮模量平均值數(shù)據(jù)對比分析（表3），以及試驗深度H進行多元線性回歸得出，

Es = 0.4084Em - 0.006 729H + 8.8752? ? ? ? ? （1）

相關系數(shù)r =0.947

擬合公式中深度系數(shù)估計值-0.006 729，系數(shù)很小，即使100 m深僅能貢獻-0.6729 MPa，相比深部旁壓模量及壓縮模量數(shù)值可忽略不計。擬合公式（1）可為

Es = 0.4084Em + 8.8752? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

壓縮模量Es及旁壓模量Em均來源于試驗資料，不含憑經(jīng)驗確定的因素，兩者關系式通過對比試驗建立，具有一定的試驗基礎。根據(jù)以上樣本數(shù)值可知，該關系式是在旁壓模量13.86 MPa≤Em≤47.72 MPa區(qū)間內(nèi)擬合的，通過試算，當Em <13.86 MPa時，旁壓模量數(shù)值越小，擬合公式的相關性及適用性越差。根據(jù)工程地質(zhì)手冊以及其他地區(qū)的經(jīng)驗，地表以下31 m以內(nèi)，旁壓模量相對較小，可取Es=Em。

淺部（31 m以內(nèi)）旁壓模量與壓縮模量基本相近，深部二者相差越來越大，旁壓試驗屬于原位試驗，不論深淺試驗操作流程均一樣，所得的旁壓模量真實反映了土體的軟硬程度。而淺部或深部土樣室內(nèi)試驗操作規(guī)程也是完全一樣，從數(shù)據(jù)上面來看，土體壓縮模量也是越深總體越大，深部土樣壓縮模量與旁壓模量差異的主要原因可能與取樣形成的擾動有關。

6 結論

試驗獲得了北京王四營地區(qū)深部黏性土與粉土地層的壓縮模量和旁壓模量試驗數(shù)據(jù)。試驗證明，預鉆式旁壓試驗測試深度可達地下100 m，且擾動較小，結果可靠。旁壓模量Em和壓縮模量Es呈線形關系，關系式為Es = Em（深度H< 31 m），Es = 0.4084Em + 8.8752（深度H>50 m）。深部土體（地表31 m以下），采用旁壓試驗所得的旁壓模量更接近實際土層的力學性質(zhì)，其壓縮模量的選取宜進行常規(guī)室內(nèi)試驗及原位試驗（旁壓試驗）數(shù)據(jù)對比分析，綜合確定。

參考文獻：

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