旁压试验技术在工程中的应用
摘 要:结合广州地铁三号线B 标段详细勘察阶段中旁压试验(PMT) 技术的应用,介绍了旁压试验的成果分析方法。
关键词:旁压试验;旁压曲线;特征值
1 概述
广州市轨道交通三号线是广州市的重点工程建设项目,本次采用多种勘察方法进行综合分析,详细查明隧道区的工程地质及水文地质条件,进行工程地质条件评价,分层提供设计所需的岩土层技术参数,提出工程措施建议。
旁压试验是工程地质勘察中的一种原位测试方法, 简称PM T ,也称横压试验。它的原理是通过旁压器,在竖直的孔内使旁压膜膨胀并由该膜(或护套) 将压力传给周围土体,使土体产生变形直至破坏,从而得到压力与钻孔体积增量(或径向位移) 之间的关系。根据这种关系对地基土的承载力(强度) 、变形性质等进行评价。
2. 1 旁压试验曲线的绘制
旁压试验得到的土体压力与变形的对应关系,用曲线有几种表示方法。即压力孔壁土被压缩的体积变化量, P —V 曲线;压力孔径径向变化值, P —r 曲线;压力表示孔壁土体积压缩的测管水位下降值, P —s 曲线。这些曲线所表示的含义是一样的,它们之间有固定的转换关系。从物理概念讲P —V 曲线和P —r 曲线更明确。同时考虑到利用旁压孔穴体积增加一倍确定极限荷载和计算旁压模量Em的方便,本次详勘阶段采用P —V 曲线比较合适。以广州地铁三号线大塘站为例,分别绘制不同深度的试验成果图,见图1 、图2 。
图1 6. 0m处P-V曲线
P0 = 106kPa ,Pf = 274kPa ,P1 = 356kPa ,V0 = 733cm3 ,Vf = 1032cm3
2. 2 特征值的确定和计算利用旁压试验确定地基土参数,首先要从旁压试验的P —V 
图2 10. 0m处P—V曲线
P0 = 140kPa ,Pf = 397kPa ,P1 = 518kPa ,V0 = 442cm3 ,Vf = 1288cm3
曲线求取特征值。这里主要讨论: P0 ———地层原始水平压力; Pf 临塑荷载;PL 极限荷载; Vcm —P —V 曲线直线段体积变化增量。
(1) V0 ———P —V 曲线的直线段延长与V 轴相交,其交点定义为V0 ;
(2) P0 ———从V0引水平线与P —V 相交,交点对应的压力为P0 ;
(3) Pf 相应于P —V 曲线的直线段末端的临塑荷载;
(4) Vf ———相应于P —V 曲线的直线段末端的体积;
(5) Pl ———极限荷载,孔穴原来的体积增加一倍所对应的压力;
(6) Vl —Pl 对应的体积,Vl = 2V0 + Vc,Vc —旁压器固有体积;
(7) Vcm ———旁压曲线直线段中点对应的体积。Vcm = Vc + (V0 + Vf)/2 ;
(8)ΔP 旁压试验直线段压力增量;ΔP = Pf-P0
(9)ΔV ———旁压曲线直线段体积增量。ΔV = Vf-V0
2. 3 旁压试验成果计算
(1) 确定粘性土的不排水抗剪强度Cu :Cu =(P1-P0)/5. 5
(2) 确定砂土内摩擦角φ:φ=Ln( (P1-P0)/180) + 24
(3) 确定旁压剪切模量Gm : Gm = (Vc+ V0 +ΔV/ 2) ·ΔP/ΔV Vcm·
(4) 确定旁压模量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 ,软塑粘性土0. 38 ,流塑粘性土0. 41 ; ΔP/ΔV ———旁压曲线直线段的斜率。
(5) 确定基本承载力。
①临塑压力法:
σ0 = Pf -σn0 式中:
σn0 ———地层的静止水平总压力,粘性土、砂类土的σn0 = γd
K0··—静止土压力系数,查表砂类土0. 4 ,可塑坚硬粘性
K0 —— 土0. 5 ,软塑状粘性土0. 6 ,流塑状粘性土0. 7 ;
γ 土的重度,kN/ m3 ;
d 旁压试验深度,m。
软质岩及风化岩石的σn0 = P0
②极限压力法:
σ0 = F(P1 -σn0) 式中:F ———承载力安全系数;应综合考虑工程地质条件和建筑物特点,一般情况下可取2。
(6) 确定粘性土的变形模量及压缩模量Es(根据旁压剪切模量Gm估算) 见表1。
注:当Gm/ P1值(粘性土Gm/ P1的均值约为4) 由大到小,塑性状态由流塑至硬塑,E0、Es由小到大取值。
(7) 确定砂性土的变形模量:
E0= K·Gm 式中: K 变形模量转换系数,查表:粉砂4～5 ,细砂5～7 ,中砂7～9 ,粗砂9～11。
(8) 确定地基土水平基床系数:
Kh=(1 -a)ΔP/Δr
式中:Δr =r1-r0 r1 临塑压力时钻孔空腔的半径; r0 初始压力时钻孔空腔的半径; a 孔隙压力系数,查表:砂土0 ,粉土0. 1～0. 2 ,粉质粘土
0. 15～0. 25 ,粘土0. 25～0. 50。
1.(9) 估算单桩极限承载力和沉降(Menard? 梅那) 。
2.①桩端极限压力qL :
qL= K(p1-p0) +q0
图3 承载力系数K 的取值
钻孔桩; 打入桩; 地下连续墙
图4 τL —P1 关系图
对于软岩地基τL —P1 的相对关系,可用下列公式估算:
τL =0. 033P1 + 30(kPa)
说明:图4 中曲线A 适用于一般土地基的情况,曲线B 适用于紧密的颗粒状土中桩尖嵌入土体中3 倍直径范围内的τL 值, 从图中可以看出,当P1 > 15MPa 时,
τL不再增加而维持常值。
③桩的轴向容许承载力[ P] : n τLiuihi qLA
[ P] = ρ +
i=12 3 式中:τLi 、Ui 、hi ———第I 土层的极限摩阻力、桩的周边长和土层的厚度; A 桩的底面积; qL 桩端极限压力。
④单桩的沉降:
式中: K 承载力系数(图3) 。(a) 钻孔桩s = 0. 006B(B 为基础宽度或直径) 。
②桩侧极限摩阻力τL(图4) 。(b) 打入桩s = 0. 009B
