預鑽

1 概況

旁壓試驗是地質勘察中的一種原位測試方法,它包括預鑽式旁壓試驗、自鑽式旁壓試驗和壓入式旁壓試驗。目前國內以預鑽式為主, 預鑽式旁壓試驗實質上是一種利用鑽孔做的原位橫向載荷試驗,它是利用可側向膨脹的旁壓器對鑽孔壁施加橫向均勻應力使孔壁土體發生徑向變形直至破壞,利用量測裝置測出施加的壓力與相應的土體變形值,然後繪出應力-應變關係曲線,按照理論公式或有關的經驗方法來確定地基土的承載力特徵值,壓縮模量等有關設計參數。

其試驗基本原理如下:旁壓試驗可理想化為無限彈性介質中的圓柱狀孔穴徑向擴張模型,為軸對稱平面應變問題。根據彈性理論,可以推導出土的旁壓模量。假設似彈性階段中土處於彈性狀態,由軸對稱平面應變理論,可推出旁壓模量的公式如下:Em=2(1 +μ)[Vc+(V0+Vf)/2] P/ V式中:Em———旁壓模量;μ———泊松;Pf———屈服壓力;P0———初始水平應力;Vf——— Pf對應的V值;V0——— P0對應的V值;Vc———旁壓器量測腔初始固有體積;ΔP/ΔV———V旁壓曲線直線段的斜率。由理論公式,可以計算出壓縮模量及地基承載力特徵值等基礎設計參數。根據旁壓試驗曲線的特徵值,得出地基土承載力特徵值公式為:臨塑荷載法:fak=Pf-P0極限荷載法:fak=PL-P0/ Fs式中:fak———地基承載力特徵值, 單位為kPa;Fs ———安全係數,根據地區經驗一般取2～3。一般土宜採用臨塑荷載法;對旁壓試驗曲線過臨塑壓力後急劇變陡的土,宜採用極限荷載法。

旁試驗理論上採用完善的彈性及彈塑性理論,其試驗設備輕便,操作簡易,測試迅速,可在不同深度進行試驗,而且不受地下水的限制。與室內試驗相比,旁壓試驗涉及的試樣範圍大得多,而且擾動不大。但在工程實踐上,由於對試驗中的一些影響因素認識不夠,試驗結果偏差較大,甚至造成試驗數據嚴重失誤。

2旁壓試驗分析

在正常情況下,旁壓試驗所得壓力與變形關係,它可以滿足確定各種特徵值的需要。分析一下a 線,當P 值較小時,旁壓膜變形值已很大, 即在試驗初始階段施加壓力,土體變形迅速。説明土體在試驗前已被破壞,且土體較軟。在孔隙比較大、含水量高的粘性土中,若試驗孔無泥漿護壁,則會導致縮孔嚴重,使孔內試驗區周圍土體產生嚴重擾動,形成一定厚度的擾動圈。此時得到的旁壓曲線類同於a 線。初始階段V 值迅速變大,導致在確定初始水平應力為P0時,P 所對應的V0值變大;曲線末端漸近線趨勢不明顯, 因而無法確定極限壓力PL。分析原因為試驗孔孔徑偏大,加荷初期旁壓器末接觸到土體,旁壓膜末受到周圍土體的壓力,變形迅速;同時致使在旁壓膜變形範圍內,土體未能被破壞,故無法得到極限壓力PL。在V值為0 時,已對應有一個P 值,且未形成正常曲線的恢復區,分析原因為試驗孔孔徑偏小, 在試驗開始以前,孔內土體已經受到了擠壓,旁壓曲線往往類同於d 線。

以上分析的只是旁壓試驗中幾種較常見的失真曲線,而在實際工作中,影響旁壓試驗的因素是多種多樣的,因而失真的曲線也是各種各樣的。認真分析失真的曲線, 找出影響旁壓試驗的主要原因,是控制實驗的質量的關鍵。

3主要影響因素分析與控制

綜合分析試驗曲線失真的原因, 進行分類論證,得出影響旁壓試驗的主要因素為試驗成孔質量問題,其次是加荷等級問題、旁壓膜的約束力問題以及試驗前的注水排氣問題。要保證試驗質量, 必須控制住這幾個方面的主要因素。

3 .1 試驗成孔

成孔質量是預鑽式旁壓試驗成敗的關鍵,試驗孔質量的優劣直接關係到旁壓試驗的結果,不合格的試驗孔可導致試驗的失敗。旁壓試驗的目的, 就是在原位量測非擾動土的力學性質。由於旁壓器有效長徑比大於4 ,故認為屬無限長圓柱擴張軸對稱平面應變問題。理想的試驗孔應是圓柱狀,而且孔壁要光滑平順。

因此,要控制試驗孔的質量,首先要保證土體不受擾動或少受擾動這一技術要求。其次,還要保證試驗孔孔壁光滑平順, 與旁壓器匹配合理。目前,國內使用的各種旁壓器的變形範圍都有一定的限度,試驗孔孔徑過大,將達不到試驗求取極限壓力的需要;孔徑過小,旁壓器下放時會使土體產生擾動,二者都是不合理的。如果試驗孔不能達到滿足上述兩個技術要求,便會使旁壓曲線反常失真,無法應用。為保證成孔質量,要注意:

(1)壁垂直、光滑、呈規則圓形, 儘可能減少對孔壁的擾動;

(2)軟弱土層(易發生縮孔、塌孔)用泥漿護壁;鑽孔孔徑應略大於旁壓器外徑, 一般宜大2～8mm 。控制試驗孔的質量,使土體不受擾動或少受擾動,在成孔時必須緩慢進行,鑽速應嚴格控制在0.25 m/min 左右,儘量減少土體的擾動 ;控制試驗孔的質量,確保試驗孔不塌不縮孔,必須採用泥漿護壁。泥漿最好採用膨潤土混合而成,每 100 kg 水加入20 ～ 40 kg 膨潤土(對砂土採用上限)。這兩條是控制試驗孔質量的關鍵。

3 .2 加荷等級控制

加荷等級的選擇是重要的技術問題,其大小影響測試點的多少和試驗成果精度。在試驗中,選定合適的加荷等級是十分關鍵和重要的。長期實踐證明,在不同類型的地基土中, 加荷等級是不一致的。通常,國內的常規加荷等級採用預期臨塑壓力的1/5 ～ 1/7 。在加荷初始階段, 旁壓膜的變形較小,故加荷等級宜儘量小。經過多次對比試驗, 在加荷初始階段,加荷等級採用預期臨塑壓力的1/7 ,所得到的試驗曲線的精度和指標的準確率 ,要比常規的加荷等級的精確提高一倍以上。

3 .3 約束力控制

隨着旁壓膜的膨脹,克服橡膠膜的約束力需要消耗一定的壓力,致使施加於土的實際力小於壓力錶顯示的壓力值,故壓力必須進行校正。常規標定中,一般只對新膜和放置或使用了一段時間後(6～8次試驗後)的膜進行。實際上,新膜經過第一次標定後的試驗階段, 旁壓膜的變形較快。經過3 ～4 次試驗後,旁壓膜的變形值就變大了,這時就應再次進行標定。另外在從試驗孔內取出旁壓器的過程中,由於孔壁阻力的影響,有時會出現膜拉翻下面的箍的現象(通常稱作“翻箍”),此時也應對旁壓膜進行重新標定。另外,温度對旁壓膜的影響較大,當温度大於30℃時, 可將旁壓膜置於25 ℃左右的水中,靜置5 ～10 min ,然後再進行標定。以上3 種情況,在實際工作中容易被忽視。因此,除常規標定項目外, 經過3～4次試驗後的膜、試驗時“翻箍”和温度影響為旁壓膜標定的關鍵控制點。

3 .4 注水排氣

在試驗前要嚴格按要求進行旁壓系統的注水排氣工作,確保排除旁壓器和管路中滯留的氣體。少量殘留氣體的存在,將會引起加荷不穩、變形異常。另外水位的調零、注水時調壓閥進水等都可能造成一定的誤差,尤其在軟土中影響較大。

4 結語

在試驗準備工作中,嚴格按照儀器使用説明書的要求及規範中規定的操作步驟,盡能減少人為誤差。在旁壓試驗過程中,把握以上幾個方面的主要影響因素並實施控制,使整個試驗過程完全處於受控狀態。定期檢查分析,發現問題及時確定補救方法,確保旁壓試驗的真實性、準確性, 將會大大提高試驗的技術質量和水平,進而提高工程建設的投資效益。 ^[1]