旁壓試驗技術在工程中的應用

摘　要:結合廣州地鐵三號線B 標段詳細勘察階段中旁壓試驗(PMT) 技術的應用,介紹了旁壓試驗的成果分析方法。
關鍵詞:旁壓試驗;旁壓曲線;特征值
1 　概述
廣州市軌道交通三號線是廣州市的重點工程建設項目,本次采用多種勘察方法進行綜合分析,詳細查明隧道區的工程地質及水文地質條件,進行工程地質條件評價,分層提供設計所需的巖土層技術參數,提出工程措施建議。
旁壓試驗是工程地質勘察中的一種原位測試方法, 簡稱PM T ,也稱橫壓試驗。它的原理是通過旁壓器,在豎直的孔內使旁壓膜膨脹并由該膜(或護套) 將壓力傳給周圍土體,使土體產生變形直至破壞,從而得到壓力與鉆孔體積增量(或徑向位移) 之間的關系。根據這種關系對地基土的承載力(強度) 、變形性質等進行評價。
2. 1 　旁壓試驗曲線的繪制
旁壓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。從物理概念講P —V 曲線和P —r 曲線更明確。同時考慮到利用旁壓孔穴體積增加一倍確定極限荷載和計算旁壓模量Em的方便,本次詳勘階段采用P —V 曲線比較合適。以廣州地鐵三號線大塘站為例,分別繪制不同深度的試驗成果圖,見圖1 、圖2 。

圖1 　6. 0m處P-V曲線
P0 = 106kPa ,Pf = 274kPa ,P1 = 356kPa ,V0 = 733cm3 ,Vf = 1032cm3
2. 2 特征值的確定和計算利用旁壓試驗確定地基土參數,首先要從旁壓試驗的P —V

圖2 　10. 0m處P—V曲線
P0 = 140kPa ,Pf = 397kPa ,P1 = 518kPa ,V0 = 442cm3 ,Vf = 1288cm3
曲線求取特征值。這里主要討論: P0 ———地層原始水平壓力; Pf 臨塑荷載;PL 極限荷載; Vcm —P —V 曲線直線段體積變化增量。
(1) V0 ———P —V 曲線的直線段延長與V 軸相交,其交點定義為V0 ;
(2) P0 ———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 ———相應于P —V 曲線的直線段末端的體積;
(5) Pl ———極限荷載,孔穴原來的體積增加一倍所對應的壓力;
(6) Vl —Pl 對應的體積,Vl = 2V0 + Vc,Vc —旁壓器固有體積;
(7) Vcm ———旁壓曲線直線段中點對應的體積。Vcm = Vc + (V0 + Vf)/2 ;
(8)ΔP 旁壓試驗直線段壓力增量;ΔP = Pf-P0
(9)ΔV ———旁壓曲線直線段體積增量。ΔV = Vf-V0

2. 3 　旁壓試驗成果計算
(1) 確定粘性土的不排水抗剪強度Cu :Cu =(P1-P0)/5. 5
(2) 確定砂土內摩擦角φ:φ=Ln( (P1-P0)/180) + 24
(3) 確定旁壓剪切模量Gm : Gm = (Vc+ V0 +ΔV/ 2) ·ΔP/ΔV Vcm·
(4) 確定旁壓模量Em : Em = 2(1 +μ) ·ΔP/ΔV 式中:μ 土的泊松比, 查表: 砂土0. 3 , 可塑硬塑粘性土0. 33 ,軟塑粘性土0. 38 ,流塑粘性土0. 41 ; ΔP/ΔV ———旁壓曲線直線段的斜率。
(5) 確定基本承載力。
①臨塑壓力法:

σ0 = Pf -σn0 式中:
σn0 ———地層的靜止水平總壓力,粘性土、砂類土的σn0 = γd
K0··—靜止土壓力系數,查表砂類土0. 4 ,可塑堅硬粘性
K0 —— 土0. 5 ,軟塑狀粘性土0. 6 ,流塑狀粘性土0. 7 ;
γ 土的重度,kN/ m3 ;
d 旁壓試驗深度,m。
軟質巖及風化巖石的σn0 = P0

②極限壓力法:
σ0 = F(P1 -σn0) 式中:F ———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。
(6) 確定粘性土的變形模量及壓縮模量Es(根據旁壓剪切模量Gm估算) 見表1。

　　注:當Gm/ P1值(粘性土Gm/ P1的均值約為4) 由大到小,塑性狀態由流塑至硬塑,E0、Es由小到大取值。
　　(7) 確定砂性土的變形模量:
E0= K·Gm 式中: K 變形模量轉換系數,查表:粉砂4～5 ,細砂5～7 ,中砂7～9 ,粗砂9～11。
(8) 確定地基土水平基床系數:
Kh=(1 -a)ΔP/Δr

式中:Δr =r1-r0 r1 臨塑壓力時鉆孔空腔的半徑; r0 初始壓力時鉆孔空腔的半徑; a 孔隙壓力系數,查表:砂土0 ,粉土0. 1～0. 2 ,粉質粘土
0. 15～0. 25 ,粘土0. 25～0. 50。
1.(9) 估算單樁極限承載力和沉降(Menard? 梅那) 。
2.①樁端極限壓力qL :
qL= K(p1-p0) +q0

圖3 　承載力系數K 的取值
　　鉆孔樁; 　　打入樁; 　　地下連續墻

圖4 　τL —P1 關系圖
對于軟巖地基τL —P1 的相對關系,可用下列公式估算:
τL =0. 033P1 + 30(kPa)
說明:圖4 中曲線A 適用于一般土地基的情況,曲線B 適用于緊密的顆粒狀土中樁尖嵌入土體中3 倍直徑范圍內的τL 值, 從圖中可以看出,當P1 > 15MPa 時,
τL不再增加而維持常值。　　
③樁的軸向容許承載力[ P] : n τLiuihi qLA
[ P] = ρ +
i=12 3 式中:τLi 、Ui 、hi ———第I 土層的極限摩阻力、樁的周邊長和土層的厚度; A 樁的底面積; qL 樁端極限壓力。
④單樁的沉降:
式中: K 承載力系數(圖3) 。(a) 鉆孔樁s = 0. 006B(B 為基礎寬度或直徑) 。
②樁側極限摩阻力τL(圖4) 。(b) 打入樁s = 0. 009B