预钻式旁压试验成果与成孔质量相关的影响因素

5.4.1　预钻式旁压试验

预钻式旁压试验（pre-boring　pressuremeter）是在预先钻好的钻孔内放入旁压器进行试验。可以利用压力与应变旁压曲线特征值（初始压力P0、临塑压力P_f和极限压力PL）确定地基承载力特征值和旁压模量等指标。

旁压试验的试验深度可达50m以上，测试压力以10～70MPa居多，测试适于土类已从黏性土、砂土扩展到碎石土、残积土、软岩和强风化岩。

5.4.1.1　试验设备

预钻式旁压试验的主要设备为旁压仪。它由四部分组成，即旁压器（亦称为探头）、加压稳压装置、变形量测装置和管路系统（图5-23）。

图5-23　PY-2型旁压仪管路结构图

（1）旁压器:是对土体施加压力的部分，分为三腔式和单腔式，由金属骨架和包在其外的橡皮膜所组成。国内常用三腔式圆柱型结构，中间为主腔（也称测量腔或中腔），上下为护腔。主腔和护腔互不相通，护腔之间用铜导管相通。试验时，有压力的水通过中间的管路进入主腔，使橡皮膜径向膨胀，给周围土体施加压力，从而得到主腔压力和体积增量之间的关系。与此同时，上下护腔同步注入同样压力的水，使护腔也同时膨胀，向孔壁施加压力，这样便基本上可以把主腔周围土体的压力变形当作一个平面应变问题来处理。

常用旁压器技术规格见表5-20。

（2）加压稳压装置:其基本功能是给旁压器加压并保持稳定。它包括气源、压力表、调压阀等部件。压气源用高压氮气瓶，加压稳压均采用调压阀。

（3）变形量测装置:由体变管（测管）、辅管、水箱组成。此装置的主要功能是向旁压器注水并量测进入旁压器水量，经过一定转移，确定孔壁土体的变形，也可以采用横向变形传感器直接测出径向变形。

（4）试验钻孔工具，主要有勺形钻、提土器和泥浆泵等。

表5-20常用旁压器技术规格

5.4.1.2　试验准备

1.仪器设备的检定和标定

按相关规程或规范对压力表、体变管（测管）进行检定；对弹性膜约束力和仪器综合变形进行标定，其标定曲线分别如图5-24和图5-25所示。

图5-24　弹性膜约束力标定曲线　　　　　　　图5-25　仪器综合变形标定曲线

2.成孔

（1）成孔工具应使用勺钻、环刀成孔器、回转钻机及泥浆泵等，以便对试验孔孔壁土体扰动小，保证试验孔横截面为完整的圆形。

（2）对成孔质量的要求:

①钻孔直径比旁压器外径应略大2～6mm。

②尽量避免对孔壁土体的扰动，保持孔壁土体的天然含水量。当钻进遇到松散砂层和软土地层时，则须用泥浆护壁。

图5-26　各种形态的旁压试验P-V曲线

a-钻孔直径太小或有缩孔；b-孔径太大；c-孔壁土体严重扰动；d-正常

③钻孔横截面须呈圆形，孔壁应垂直光滑。

成孔质量好坏是预钻式旁压试验成败的关键。图5-26是根据勘察实践经验，成孔质量影响旁压试验曲线的几种常见情况。

3.试验点布置原则

试验时必须保证旁压器上、中、下三腔都在同一土层中。试验点垂直间距一般小于1m，每层土不少于1个测点。层厚大于3m的土层，一般不少于2个测点，亦可视工程需要确定测点位置和数量。

取完土样或做过标准贯入试验的部位不得进行旁压试验。

4.试验加荷等级

加荷等级可按预估临塑压力Pf值或极限压力PL值而确定，一般采用预估临塑压力的1/5～1/7或按预估极限压力的1/8～1/12等级加荷，也可参照表5-21选用。

5.加压稳定标准

旁压试验按加压稳定标准也有快速法和慢速法之分，对其进行对比试验后结果表明，两种不同加荷速率对临塑压力和极限压力影响不大。但为了提高试验效率，通常使用快速法，即:每级压力下应维持1min或2min的相对稳定时间后再施加下一级压力（应注意:快速法所得的旁压模量相当于不排水模量），并按下列时间顺序测读变形量（体积V或量管水位下降值S）:

维持1min稳定时间标准时:15s、30s、60s；

维持2min稳定时间标准时:15s、30s、60s、120s。

表5-21　旁压试验加荷等级

5.4.1.3　现场操作要点

（1）在水箱内注满蒸馏水或无杂质的冷开水，打开水箱安全盖。

（2）检查并接通管路。把旁压器竖立于地面，打开水箱至量管、辅管各管阀门，使水从水箱分别注入旁压器各个腔管，并返回到量管和辅管。当量管和辅管水位升到刻度零或稍高于零，即可终止注水，关闭注水阀和量测腔注水阀。

（3）调零。把旁压器垂直提高，直到使中腔的中点与量管零位相平，打开调零阀，并密切注意水位的变化，当水位下降到零时，立即关闭调零阀、量管阀和辅管阀，然后放下旁压器。

（4）将旁压器放入钻孔中预定的试验深度，其深度以中腔中点为准。打开量管阀和辅管阀施加压力。

（5）用高压氮气源加压时，接上氮气加压装置导管（手动加压装置则应关闭），把减压阀按逆时针方向拧到最松位置，打开气源阀，按顺时针方向调节减压阀，使高压降低到比所需最高试验压力大100～200kPa，然后缓缓地按顺时针方向调节调压阀并调到所需的试验压力。

（6）手动加压时，先接上打气筒，关闭氮气加压阀，打开手动加压阀，用打气筒向贮气罐加压，使贮气罐内的压力增加到比所用最高试验压力大100～200kPa以上。然后按顺时针方向缓慢旋转调节阀调到所需的试验压力。

（7）按试验前确定的稳定时间标准，测记各级压力下的体积V或量管水位下降值S。

（8）旁压试验终止试验条件如下:

①压力达到仪器的容许最大压力时；(www.xing528.com)

②量测腔的扩张体积相当于量测腔的固有体积时；

③国产的PY2-A型旁压仪，当量管水位下降刚达36cm时（绝对不能超过40cm），即应终止试验；

④法国GA型旁压仪规定，当蠕变变形等于或大于50cm³或量筒读数大于600cm³时应终止试验。

（9）试验结束后，使弹性膜恢复原状。

5.4.1.4　资料整理

（1）压力和体积变形校正。

①按下式校正各级压力

式中:P——校正后的压力，kPa；

Pm——压力表读数，kPa；

Pw——静水压力［有地下水时，Pw＝10（h₀＋h_w）γ_w；无地下水时，Pw＝10（h₀＋z）γ_w。其中h₀为量管水面离孔口的高度，m；z为地面至旁压器主腔中点的距离，m；h_w为地下水

位离孔口的距离，m；γ_w为水的重度，10kN/m³］，kPa；

P_i——弹性膜约束力［由各级压力（Pm＋Pw）所对应的体积或量管水位下降值查弹性膜约束力标定曲线］，kPa。

②按下式校正扩张体积

式中:V——校正后的扩张体积，cm³；

Vm——实测扩张体积（Vm＝Sm·A，A为量管底面积），cm³；

S——校正后量管水位下降值，cm；

Sm——实测量管水位下降值，cm；

α——仪器综合变形标定系数，cm/kPa；

其余符号意义同上。

（2）用校正后的压力P和校正后的体积V绘制P-V曲线，如图5-27。也可用校正后的压力P和校正后的量管水位下降值S绘制P-S曲线。

P-V曲线作图比例:纵坐标以1cm代表体积变量100cm³；横坐标以1cm代表100kPa，或根据具体情况选择比例R。

图5-27　P-V旁压曲线

（3）在绘制的P-V曲线上，确定3个特征压力值:P0、Pf、PL。

①将旁压曲线直线段延长与纵坐标相交，交点为V0，过V0作与P轴的平行线相交于曲线的一点，其对应的压力为原位水平压力P0值。

②取旁压曲线直线段的终点，即曲线与直线段的第2个切点所对应的压力为临塑压力P_f值。

③曲线过临塑压力后，趋向于与纵轴平行的渐近线时，其对应的压力为极限压力PL值。当从P-V曲线上不能直接求出极限压力PL值时，可用曲线外推方法至最大体积增量值VL（＝Vc＋2V0，其中Vc为旁压器量测腔初始固有体积，cm³；V0为与初始压力P0对应的体积，cm³），取对应VL的压力为极限压力PL。

5.4.1.5　成果应用

（1）用3个压力特征值确定承载力特征值f_ak。

①临塑压力法:

②极限压力法:

式中:P0——原位水平压力，kPa；

F——安全系数，一般取2～3。各类土的安全系数根据统计可参考表5-22选用。

表5-22　各类土的安全系数

表5-23　土的泊松比μ值

（2）计算旁压模量Em。

式中:Em——旁压模量，kPa；

μ——泊松比，按表5-23取值；

V——平均体积增量

Vc——旁压器量测腔初始固有体积，cm³；

V0——与初始压力P₀对应的体积，cm³；

Vf——与临塑压力P_f对应的体积，cm³；

ΔP/ΔV——旁压试验曲线直线段的斜率，kPa/cm³。

（3）其他方面。

预钻式旁压试验成果在确定地基土变形模量E0、预估浅基础的沉降变形量、检验地基加固效果、估算桩的承载力方面已取得了较好的成效。目前，各部门还在不断探讨其新的应用领域。