岩土工程勘察4.7 旁压试验

旁压仪试验是在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验。具体试验方法是将一个圆柱形的旁压器放到钻孔内设计标高，加压使得旁压器横向膨胀，根据试验的读数可以得到钻孔横向扩张的体积-压力或应力-应变关系曲线，据此可用来估计地基承载力，测定土的强度参数、变形参数、基床系数，估算基础沉降、单桩承载力与沉降。旁压试验于1930年起源于德国，最初是在钻孔内进行侧向载荷试验的仪器，这也就是最早的单腔式旁压仪。1957年，法国工程师路易斯-梅纳研制成功三腔式旁压仪。现在旁压仪器包括预钻式、自钻式和压入式三种，国内国外都是以预钻式为主预钻式旁压仪预钻式旁压仪的原理是预先用钻具钻出一个符合要求的垂直钻孔，将旁压器放入钻孔内的设计标高，然后进行旁压试验。自钻式旁压仪自钻式旁压仪是将旁压仪设备和钻机一体化，将旁压器安装在钻杆上，在旁压器的端部安装钻头，钻头在钻进时，将切碎的土屑从旁压器(钻杆)的空心部位用泥浆带走，至预定标高后进行旁压试验。自钻式旁压试验的优越性就是最大限度自钻式旁压试验的优越性就是最大限度地保证了地基土的原状性。地保证了地基土的原状性。压入式旁压试验压入式旁压试验又分为圆锥压入式和圆筒压入式，都是用静力将旁压器压入指定的试验深度进行试验，压入式旁压试验在压入过程中对周围有挤土效应，对试验结果有一定的影响，目前，国际上出现一种将旁压腔与静力触探探头组合在一起的仪器，在静力触探试验的过程中可随时停止贯入进行旁压试验，从旁压试验的角度，这应属于压入式。预钻式旁压试验适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩。自钻式旁压试验适用于粘性土、粉土、砂土，尤其适用于软土。仪器名称型号厂家配置价格(万元)特点梅纳旁压仪G-AM法国APAGEO比较烦琐,不详细列举.主要包括:读数仪(主机),探头,压力源(氮气瓶),连接管路.(数据采集,分析,打印)选配.16使用广泛,知名度高,性能稳定.功能齐全.压力能达到10MPa,但最进该厂家提供仪器质量有所下降.钻孔旁压仪ELASTMETER-2日本OYO读数仪,探头,手动压力泵.连接管路,标定筒和工具箱.自动采集和数据分析(选配)40试验压力大(做岩石),能达到20MPa,可以随钻测量和预钻测量,性能超稳定,完全适应恶劣环境.孔径范围大钻孔旁压仪LLT TYPE-M日本OYO同上.40压力范围小2.5MPa,使用于软土.个人感觉实用性不大,国产完全可以取代.同ELASTER-2使用液压源钻孔旁压仪 TEXAM加拿大ROCTEST压力表和压力源油罐,探头,管路,工具包和防冻液19仪器配件齐全,设计新颖,更为轻便,完全水压.自钻式旁压仪Mark VIIId 3臂式英国cambridge包括自钻旁压组件,钻进设备和用于回旋钻进的附件.226(包括厂家调试和培训)适用于软土,沙土等成孔质量不佳的旁压试验.旁压仪PY-3江苏省溧阳县仪器厂/温州也有一家,但不知道厂家名配置同梅纳旁压仪差不多,但是配件很多.备用件也很多.6数字显示,自动记录,价格便宜,但是压力只能做到5MPa,而且做不了深孔试验.旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，为轴对称平面应变问题。典型的旁压曲线(压力P-体积变化量V曲线或压力p-测管水位下降值S)可分为三段，I段曲线AB):初步阶段，反映孔壁受扰动土的压缩;II段(直线BC):似弹性阶段，压力与体积变化量大致成直线关系;III段(曲线CD):塑性阶段，随着压力的增大，体积变化量逐渐增加，最后急剧增大，达到破坏。I-II段的界限压力相当于初始水平压力po,II-III段的界限压力相当于临塑压力pf,III段末尾渐近线的压力为极限压力Pl。VABCDplpfpopIIIIII 依据旁压曲线似弹性阶段(BC段)的斜率，由圆柱扩张轴对称平面应变的弹性理论解，可得旁压模量EM,和旁压剪切模量GM。工作时，由加压装置将较低的气压转换为较高压力的水压。并通过高压导管传至旁压器，使弹性膜膨胀导致地基孔壁受压而产生相应的变形。根据所测结果，得到压力p和位移值S间的关系,即旁压曲线。从而得到地基土层的临塑压力，极限压力、旁压模量等有关土力学指标。变形量测装置快速接头旁压器加压稳压装置中压表氮气加压阀低压表低压表阀减压阀中压表高压表氮气加压阀手动加压阀排水阀中压表辅 管测 管调压阀测管阀辅管阀手动加压储气罐导压管导压管调零阀高压氮气源21水箱加压水箱注水管注水管注水阀中腔注水阀旁压器注：343.1 预钻式旁压仪 预钻式旁压仪由旁压器、控制单元和管路三部分组成。3.2 自钻式旁压仪 自钻式旁压仪通常由三部分组成:包含自钻机构的探头部分;设置在地面的控制单元;连接控制单元和探头的管路部分。(1)旁压器 旁压器是对孔壁土(岩)体直接施加压力的部分，是旁压仪最重要的部件。它由金属骨架、密封的橡金属骨架、密封的橡皮膜和膜外护铠组成。皮膜和膜外护铠组成。旁压器分单腔式和三腔式两种，目前常用的是三腔式。三腔式旁压器由测量腔(中腔)和上下两个护腔构成。测量腔和护腔互不相通，但两个护腔是互通的，并把测量腔夹在中间。试验时有压介质(水或油)从控制单元通过中间管路系统进入测量腔，使橡皮膜沿径向膨胀，孔周土(岩)体受压呈圆柱形扩张，从而可以量测孔壁压力与钻孔体积变化的关系。(2)控制单元 控制单元位于地表，通常是设置在三脚架上的一个箱式结构。其功能是控制试验压力和测读旁压器体积(应变)的变化。一般由压力源(高压氮气瓶)、调压器、测管、水箱、各类阀门、压力表、管路和箱式结构架等组成。(3)管路系统 管路系统是用于连接旁压器和控制单元、输送和传递压力与体积信息的系统，通常包括气路、水(油)路和电路。自钻的原理是把装有旁压器的薄壁取样器用某一速率压入土中，同时用几个转动的刀片将进入取样器内的土芯弄碎，形成钻屑，钻屑因刀片标高处射出的液体作用而变成悬浮液，从旁压器的中央通过钻杆空心孔排到地面。一、试验前准备工作二、仪器校正三、预钻成孔使用前，必须熟悉仪器的基本原理、管路图和各阀门的作用，并按下列步骤做好准备工作:1.向水箱注满蒸馏水或干净的冷开水。2.连通管路。3.注水:打开高压气瓶阀门并调节其上减压器，使其输出压力为左右。4.调零:把旁压器垂直提高，使其测试腔的中点与目测管0刻度相起平。5.检查传感器和记录仪的连接等是否处于正常工况。并设置好试验时间标准。试验前，应对仪器进行弹性膜(包括保护套)约束力校正和仪器综合变形校正，具体项目按下列情况确定:弹性膜约束力校正方法是:将旁压器竖立地面，按试验加压步骤适当加压左右即可)使其自由膨胀。先加压，当测水管水位降至近36cm时，退压至零，如此反复5次以上。再进行正式校正，其具体操作、观测时间等均按上述正式试验步骤进行。压力增量采用10kPa，按1min的相对稳定时间测记压力及水位下降值，并据此绘制弹性膜约束力校正曲线图，如图所示。仪器综合变形校正方法是:联接好合适长度的导管，注水至要求高度后，将旁压器放入校正筒内，在旁压器受到刚性限制的状态下进行。按试验加压步骤对旁压器加压，压力增量为100kPa,逐级加压至800 kPa以上后，终止校正试验。各级压力下的观测时间等均与正式试验一致，根据所测压力与水位下降值绘制其关系曲线.曲线应为一斜线，如图所示。其直线对P轴的斜率S/P即为仪器综合变形校正系数a。针对不同性质的土层及深度，可选用与其相应的提土器或与其相适应的钻机钻头。例如，对于软塑流塑状态的土层，宜选用提土器;对于坚硬-可塑状态的土层，可采用勺型钻;对于钻孔孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁钻进。孔径根据土层情况和选用的旁压器外径确定，一般要求比所用旁压器外径大2-3mm为宜，不允许过大。钻孔深度应以旁压器测试腔中点处为试验深度。开孔至预定深度以下35cm处值得注意的是，试验必须在同一土层，否则，不但试验资料难以应用，且当上、下两种上层差异过大时，会造成试验中旁压器弹性膜的破裂，导致试验失败。另外。钻孔中取过土样或进行过标贯试验的孔段，由于土体已经受到不同程度的扰动，不宜进行旁压试验。成孔后，应尽快进行试验。压力增量等级和相对稳定时间(观察时间)标准可根据现场情况及有关旁压试验规程选取。其中：压力增量建议选取预估临塑压力pf的1/8-1/12.如不易预估。根据PY型预钻式旁压试验规程，压力增量可参考下表确定。各级压力下的观测时间，可根据土的特征等具体情况。采用1 min或2min，按下列时间顺序测记测量管的水位下降值S。（1）观测时间为1min时:15s,30s,60s;（2）观测时间为2min时:15s,30s,60s,120s.当测管水位下降接近40cm或水位急剧下降无法稳定时，应立即终止试验，以防弹性膜胀破。可根据现场情况，采用下列方法之一终止试验:（1）尚需进行试验时:当试验深度小于2m.可迅速将调压阀按逆时针方向旋至最松位置，使所加压力为零。利用弹性膜的回弹，迫使旁压器内的水回至测管，取出旁压器。（2）试验全部结束:利用试验中当时系统内的压力将水排净后旋松调压阀。导压管快速接头取下后，应罩上保护套，严防泥沙等杂物带入仪器管道口若准备较长时间不使用仪器时，须将仪器内部所有水排尽，并擦净外表，放置在阴凉、干燥处。另外，在试验过程中，如由于钻孔直径过大或被测岩土体的弹性区较大时，有可能发生水量不够的情况，即岩土体仍处在弹性区域内，而施加压力尚远离仪器最大压力值。且位移已达到320mm以上，此时,如要继续试验，则应进行补水。在试验资料整理时，应分别对各级压力和相应的扩张体积(或径向增量)进行约束力和体积校正。(kPa)-P (kPa);-P (kPa);-P (kPa);-P :23)-(5 )1 iwm的弹性膜约束力管水位下降值对应弹性膜约束曲线上与测静水压力压力表读数校正后的压力式中iwmPPPP(cm/kPa)-;)(-S (cm);-S :26)-(5 )(S )2 m仪器综合变形校正系数实测测管水位下降值值校正后的测管水位下降式中cmPPSwmmP(kPa)S(cm)Pm(kPa)Pt=Pm+PwPiPSm(3min)Si=(Pm+Pw)S000.0Pw13850.20.0260.17425383171.80.0761.724506344194.10.1263.974758852365.80.1765.62410011357567.00.2266.774.绘制旁压曲线 用校正后的压力P和校正后的测管水位下降值S，绘制p-S曲线，即旁压曲线。曲线的作图可按下列步骤进行:（1）定坐标:选用厘米格记录纸，以S(cm)为纵坐标，1cm代表5cm水位下降值;以P为横坐标，比例可以自行选定。(2)根据校正后各级压力P和对应的测管水位下降值S，分别将其确定在选定的坐标上，然后先连直线段并两端延长，与纵轴相交的截距即为So;再用曲线板连曲线部分，定出曲线与直线段的切点，此点为直线段的终点。成孔质量加压方式旁压仪构造和规格旁压测试临界深度影响1、成孔质量（这对于预钻式旁压试验来说是非常重要）、成孔质量（这对于预钻式旁压试验来说是非常重要）软土的扰动对测试结果的影响很大，必须根据土类选择软土的扰动对测试结果的影响很大，必须根据土类选择不同的钻孔方法不同的钻孔方法1.成孔应该是垂直，且其直径与旁压器吻合的好。成孔应该是垂直，且其直径与旁压器吻合的好。加压方式加压方式分为加压速率与加压等级两个方面分为加压速率与加压等级两个方面加压等级加压等级一般按预估土的临塑压力或极限压力而定，一般按预估土的临塑压力或极限压力而定，为它们的为它们的1/81/12加荷速率加荷速率反映了不同的试验条件，如排水或不排水反映了不同的试验条件，如排水或不排水快速法：快速法：1、2、3min慢速法：慢速法：5、10min 不同的加压速率对临塑荷载影响不大，而对于极限荷不同的加压速率对临塑荷载影响不大，而对于极限荷载影响比较大。载影响比较大。旁压器的有效长旁压器的有效长(l)、径径(D)比是设计旁压器的关键参数。比是设计旁压器的关键参数。当单腔式有效长径比为当单腔式有效长径比为10时，与三腔式旁压器所取得变形时，与三腔式旁压器所取得变形模量的结果没有明显的差别，但单腔式的临塑压力和极限模量的结果没有明显的差别，但单腔式的临塑压力和极限压力则偏小。压力则偏小。土体变形近似为圆柱形 104Dl在均质土层中测试，在均质土层中测试，Pf自地表向下逐渐增大，自地表向下逐渐增大，当超过一定深度后，才趋近一个常数值，这个当超过一定深度后，才趋近一个常数值，这个土层表面一定深度就称为临界深度。土层表面一定深度就称为临界深度。砂土中表现明显，临界深度随砂土密实度的增砂土中表现明显，临界深度随砂土密实度的增加而增加，一般为加而增加，一般为13m。在临界深度内，由于地面是临空面，土体可以在临界深度内，由于地面是临空面，土体可以产生较明显的垂向变形，而在临界深度以下，产生较明显的垂向变形，而在临界深度以下，因上覆土层压力加大，限制了垂向变形，基本因上覆土层压力加大，限制了垂向变形，基本上只有径向变形。上只有径向变形。7.1 粘性土稠度状态和砂土密实度划分7.2 地基承载力计算7.3 桩基础承载力计算7.4 地基变形计算