旁压测试成果整理及影响试验成果的主要因素

Question

如题所述

Answer 1

旁压试验最后得到压力与变形的关系曲线(即P-S、P-V曲线)，可从曲线上求出一些和土的性质有关的参数。由于仪器设备、工程地质条件等复杂性，试验曲线存在一些误差，为了克服这些误差，必须要进行校正。

一、数据校正

在绘制P-S曲线之前，需要对试验记录中的各级压力及其相应的测管水位下降值进行校正：

1.压力校正

P=P_m+P_w+P_i (6-11)

式中：P为校正后的压力(kPa)；P_m为压力表读数(kPa)；P_w为静水压力(kPa)；P_i为弹性膜约束力曲线上与测管水位下降值对应的弹性膜约束力(kPa)。

2.测管水位下降值，其校正公式为：

S=S_m-(P_m+P_w)·α (6-12)

式中：S为校正后的测管水位下降值(cm)；S_m为实测测管水位下降值(cm)；α为仪器综合变形校正系数(cm/kPa)；其他符号意义同前。

二、绘制旁压压力P与测管水位下降值S曲线

1.坐标轴的确定

通常采用纵坐标为压力P(kPa)，横坐标为测管水位下降值S(cm)绘制P-S曲线。绘制旁压曲线的比例尺要合适，一般情况下采用以横坐标1cm代表体积变量100cm³或1cm测管水位下降值，纵坐标1cm代表100kPa，或根据具体情况选择比例尺的标准，图幅尺寸要求一般为10×10(cm²)。

2.绘制曲线

先连直线段，再用曲线板连曲线部分。曲线与直线的连接处要圆滑。

另外，有时用P-V曲线代替P-S曲线。设V_m为测管内的体积变量(cm³)，换算公式为：

V_m=S·A (6-13)

式中：A为测管内截面积(cm³)；S为测管水位下降值(cm)。

从S换算到V后，按下式对体积V进行校正：

V=V_m-(P_m+P_w)·α (6-14)

式中：V为校正后的体积(cm³)；V_m为P_m+P_w所对应的体积(cm³)；其他符号意义同前。校正后，即可绘制P-V曲线。

三、曲线特征值的确定和计算

利用旁压试验确定土体的工程地质性质指标，首先要从旁压试验的曲线上几个特征段落上确定其特征值。典型的预钻式旁压曲线有三个变形阶段(见图6-9中P-S(或P-V)曲线)。

图6-9 预钻式旁压曲线及特征值

1.初始阶段及特征值的确定

该区段压力逐渐由零增加到

，曲线下凸，斜率ΔP/ΔV由小变大，在

处趋于直线段。其原理是：开始时，旁压器弹性膜膨胀，不受孔壁土体的阻力，只充填了膜与孔壁之间的空隙，进而将成孔后因应力释放而向孔内膨胀的土体挤压回原来位置。这个阶段的终点压力为

(对应的体积增量为

)。

根据梅纳德理论，曲线中直线段的起点

应相当于测试深度处土的静止侧压力P₀。但是，由于预先钻孔，因孔壁土体受到了扰动等因素的影响，

值一般都大于P₀值。静止侧压力P₀值(以下压力单位均为kPa)可以用计算法或图解法求取。

(1)计算法 按下式计算：

P₀=ξ(γh-μ)+μ (6-15)

式中：ξ为静止土侧压力系数(按土质而定)；一般砂土、粉土取0.5；粘性土取0.6；淤泥取0.7；γ为土的重度(地下水位以下为饱和重度)(kN/m³)；h为测试点深度(m)；μ为测试点的孔隙水压力(kPa)。

正常情况下，它极接近于由地下水位算得的静水压力，即在地下水位以上，μ=0；在地下水位以下时，按下式计算：

μ=γ_w(Z-h_w) (6-16)

符号意义同前。此种方法要预估ξ值。

(2)图解法 由于

值一般都大于P₀值，因此，基于图解法求P₀的基本想法均是往小的方向修正

值。应用较多的方法有：①将旁压曲线直线段延长，与S(υ)轴相交，由交点作P轴平行线与P-S曲线相交，其交点对应的压力即为P₀；②上述作图法受成孔质量的影响，可能产生较大的误差，一般无规律性。现又提出一种新的作图法(图6-10)。

图6-10 交点法求P₀值

(据王长科)

根据P-S曲线特征，开始的曲线段因受土的扰动所致，直线段表示土处于末扰动状态的似弹性段。作曲线段的初始切线与直线段的延长线相交，其交点对应的压力即为P₀值。其物理意义较明了，是扰动土和原状土接触点，表示土的原位水平应力值。该法考虑了成孔扰动的影响，合理简便。经检验，P₀值随深度增加而增大，和理论计算值基本相符合。而又比理论计算更符合实际，不用估算ξ值，完全由旁压曲线即可求得P₀值。只不过该法要求在试验初期采用小等级加荷，以便所测的旁压曲线能准确地反映原状土和孔周扰动土的应力变形特性。

2.似弹性变形阶段及区临塑压力P_f值的确定

指P-S曲线上的近似直线段，压力由

增至P_f，直线段的终点压力称为临塑压力P_f(也称屈服压力或比例极限)，对应的体积增量为V_f该区段内的土层变形，可视为线性变形阶段。各类土预钻旁压曲线的这一直线段，都比较明显。

临塑压力P_f可按下列方法之一确定：

(1)直线段的终点所对应的压力为临塑压力P_f；

(2)可按各级压力下的30 s 到60 s 的测管水位下降值增量 ΔS_60～30(或体积增量ΔV_60～30)，或30 s到120 s的测管水位下降值增量ΔS_120～30(或V_120～30)同压力P的关系曲线辅助分析确定，即P-ΔS_60～30或P-ΔS_60～30，其曲线拐点所对应的压力即为临塑压力P_f。

3.塑性变形发展阶段和水平极限压力P_L值的确定

指孔壁压力大于P_f以后的曲线段。曲线呈上凸形，斜率由大变小，表明土体中的塑性区的范围不断发展和扩大。从理论上讲，当曲线斜率趋于零时，即使压力不再增加，体变也会继续发展，表明土体已完全达到破坏状态，其相应的压力称为极限压力P_L。实测时，由于测管水量限制，常常不出现这种情况，而是用体变增量达到或超过某一界限值时所对应的压力P_L表示。P_L称为名义上的极限压力。极限压力P_L按下列方法之一确定：

(1)手工外推法：凭眼力将曲线用曲线板加以延伸，延伸的曲线应与实测曲线光滑而自然地连接，并呈趋向与S(或V)轴平等的渐近线，其渐近线与P轴的交点即为极限压力P_L。

(2)倒数曲线法：把临塑压力P_f以后的曲线部分各点的测管水位下降值S(或体积V)，取倒数1/S(或1/V)，作P-1/S(或P-1/V)关系曲线(近似直线)，在直线上取1/(2S₀+S_c)或(1/(2V₀+V_c))所对应的压力，即为极限压力P_L。

(3)在工程实践中，常用双倍体积法确定极限压力P_L。

V_L=V_c+2V₀ (6-17)

式中：V_L为P_L所对应的体积增量(cm³)；V_c为旁压器中腔初始体积(cm³)；V₀为弹性膜与孔壁接触时的体积增量，即直线段与V轴交点的值(cm³)。

国内常用测管水位下降值S表示，即：

S_L=S_c+2S₀ (6-18)

式中：S_L为P_L所对应的测管水位下降值(cm)；S_c为与中腔原始体积相当的测管水位下降值(cm)；S₀为直线段与S轴的交点所代表的测管水位下降值(cm)。

V_L或S_L所对应的压力即为P_L。

在试验过程中，由于测管中液体体积的限制，使试验往往满足不了体积增量达到(2V₀+V_c)即相当孔穴原来体积增加一倍的要求。这时，需凭眼力用曲线板将曲线延伸，延伸的曲线与实测曲线，应光滑自然地连接，取S_L(或V_L)所对应的压力作为极限压力P_L。

四、影响旁压测试成果精度的主要因素

旁压试验受多种因素的制约。有资料表明：影响旁压试验成果的主要有钻孔质量、加压方式、旁压仪构造和规格、变形稳定标准及地下水等因素。

1.钻孔质量

由于预钻式旁压测试要预先钻孔，然后在钻孔中做测试，所以成孔质量对保证测试的精度及成果的获取甚为重要，是旁压测试成败的关键。

预钻式钻孔试验要求钻孔垂直、光滑、横截面呈完整的圆形才能运用弹性理论和轴对称问题，来研究有关计算公式，否则应力分布不均匀，影响测试的结果；同时还应特别注意钻孔大小必须与旁压器直径相匹配，钻孔孔壁土体要尽可能少受扰动，只有这样，才能保证测试成果可靠；否则，将使测试结果——旁压曲线无法应用(图6-11)。图中只有一条旁压曲线是正常的，其他曲线，由于成孔质量不合格而反常：缩孔曲线反映钻孔太小或有缩孔现象，旁压器被强行压入钻孔中。旁压曲线前段消失，是因为测试前孔壁已受到挤压，同时孔壁挤压旁压器，只有施加一定压力后，旁压器三腔体积才能恢复到原始状态，所以只有压力增加而无体积增量，求不出P₀值；当孔壁被严重的扰动时，会形成较厚的松动圈，加荷后反映在曲线上有一长段呈弧形的上弯，说明扰动土层被压密，此时因旁压器的膨胀量所限，使试验达不到要求，逐呈现图中的曲线形态；若孔径太大，曲线上形成一长段的S₀，则测管中的水量有相当一部分用来填补旁压器与孔壁之间的孔隙，造成测管中的水量不足，使试验达不到极限压力值。

图6-11 旁压曲线的几何形状

当土质较硬(如硬粘土、中密以上的砂、风化或半风化岩石以及某些砂砾石混合土)或钻孔深度较大(如15m)时，使用人力手钻有困难，可以采用机械钻进。钻进方法可分干法和湿法两种。用干法钻进，要钻进一个回次提一次土，适用于稳定性较好的土层；对稳定性差的土层须用湿法钻进，并用泥浆护孔。

2.加压方式

加压方式主要指加压等级与加压速率两方面。

加压等级的选择和设计，是个重要的技术问题。试验中，加压等级选择不当：如过密，则会延长试验时间；如过稀，则不易在旁压曲线上准确获得P₀及P_f值。

加压等级要根据土质情况而定。土的力学强度越低，加压等级越小：反之，则越大。

考虑旁压曲线首段变化较大的特点。为准确确定P₀值，应在首段加密观测点，即一般土的临塑压力前，压力级差要小一点，压力增量适当减小。这样可明确地确定P₀和P_f值，待超过P_f值时，要适当放大级差，否则将影响工作效率。

3.稳定变形标准的影响

旁压试验的加压稳定变形标准不同，对试验有一定的影响，特别是对水平极限压力的影响较大。1min和5min产生的孔隙水压力是不相同的，土体排水的不同，其效果也不尽相同。国内规范规定了稳定时间为1min、2min为标准。

4.旁压测试临界深度影响

在均质土层中进行旁压测试中，P_f或P_L自地表随埋深加大而明显增加；但到某一深度之后，随埋深加大基本上保持不变、或增加趋势明显减缓。这一深度，称为旁压测试的临界深度。临界深度随砂土密实度的增加而增加，尤其是在砂土中表现明显，一般临界深度为1～3m。在粘性土中还未发现，应继续研究。

产生临界深度的原因是旁压时有垂向变形，在临界深度以内垂向变形明显。在临界深度以下，因上覆土压力加大，限制了旁压的垂向变形，基本上只有径向变形。

应该指出，地下水位的变化和旁压仪构造和规格的不同，也会影响测试成果的精度。水位的波动影响到压缩模量的变化。所以，对这样的地区进行旁压试验时就要考虑到地下水位的影响。