第8章-旁壓試驗(yàn)

1、第8章 旁壓試驗(yàn)主講：崔德山目錄 1. 概述 2. 試驗(yàn)基本原理 3. 試驗(yàn)儀器設(shè)備與安裝 4. 技術(shù)要求與試驗(yàn)方法 5. 資料整理與分析 6. 主要影響因素 7. 工程應(yīng)用 8. 下一課：扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)1. 概述 旁壓儀試驗(yàn)是在現(xiàn)場鉆孔中進(jìn)行的一種水平向荷載試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法是將一個(gè)圓柱形的旁壓器放到鉆孔內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)高，加壓使得旁壓器橫向膨脹，根據(jù)試驗(yàn)的讀數(shù)可以得到鉆孔橫向擴(kuò)張的體積-壓力或應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，據(jù)此可用來估計(jì)地基承載力，測定土的強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)、基床系數(shù)，估算基礎(chǔ)沉降、單樁承載力與沉降。 1. 概述旁壓試驗(yàn)于1930年起源于德國，最初是在鉆孔內(nèi)進(jìn)行側(cè)向載荷試驗(yàn)的儀器，這也就是最早

2、的單腔式旁壓儀。1957年，法國工程師路易斯-梅納研制成功三腔式旁壓儀?，F(xiàn)在旁壓儀器包括預(yù)鉆式、自鉆式和壓入式三種，國內(nèi)國外都是以預(yù)鉆式為主預(yù)鉆式旁壓儀預(yù)鉆式旁壓儀的原理是預(yù)先用鉆具鉆出一個(gè)符合要求的垂直鉆孔，將旁壓器放入鉆孔內(nèi)的設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。自鉆式旁壓儀自鉆式旁壓儀是將旁壓儀設(shè)備和鉆機(jī)一體化，將旁壓器安裝在鉆桿上，在旁壓器的端部安裝鉆頭，鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，將切碎的土屑從旁壓器(鉆桿)的空心部位用泥漿帶走，至預(yù)定標(biāo)高后進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。自鉆式旁壓試驗(yàn)的優(yōu)越性就是最大限度自鉆式旁壓試驗(yàn)的優(yōu)越性就是最大限度地保證了地基土的原狀性。地保證了地基土的原狀性。1. 概述 壓入式旁壓試驗(yàn)壓入式旁壓試

3、驗(yàn)又分為圓錐壓入式和圓筒壓入式，都是用靜力將旁壓器壓入指定的試驗(yàn)深度進(jìn)行試驗(yàn)，壓入式旁壓試驗(yàn)在壓入過程中對(duì)周圍有擠土效應(yīng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，目前，國際上出現(xiàn)一種將旁壓腔與靜力觸探探頭組合在一起的儀器，在靜力觸探試驗(yàn)的過程中可隨時(shí)停止貫入進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，從旁壓試驗(yàn)的角度，這應(yīng)屬于壓入式。1. 概述 預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)適用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、殘積土、極軟巖和軟巖。 自鉆式旁壓試驗(yàn)適用于粘性土、粉土、砂土，尤其適用于軟土。儀器名稱型號(hào)廠家配置價(jià)格(萬元)特點(diǎn)梅納旁壓儀G-AM法國APAGEO比較煩瑣,不詳細(xì)列舉.主要包括:讀數(shù)儀(主機(jī)),探頭,壓力源(氮?dú)馄?,連接管路.(數(shù)據(jù)采集,分析,

4、打印)選配.16使用廣泛,知名度高,性能穩(wěn)定.功能齊全.壓力能達(dá)到10MPa ,但最進(jìn)該廠家提供儀器質(zhì)量有所下降.鉆孔旁壓儀ELASTMETER-2日本OYO讀數(shù)儀,探頭,手動(dòng)壓力泵.連接管路,標(biāo)定筒和工具箱.自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)分析(選配)40試驗(yàn)壓力大(做巖石),能達(dá)到20MPa,可以隨鉆測量和預(yù)鉆測量,性能超穩(wěn)定,完全適應(yīng)惡劣環(huán)境.孔徑范圍大鉆孔旁壓儀LLT TYPE-M日本OYO同上.40壓力范圍小2.5MPa,使用于軟土.個(gè)人感覺實(shí)用性不大,國產(chǎn)完全可以取代.同ELASTER-2使用液壓源鉆孔旁壓儀 TEXAM加拿大ROCTEST壓力表和壓力源油罐,探頭,管路,工具包和防凍液19儀器配件齊

5、全,設(shè)計(jì)新穎,更為輕便,完全水壓.自鉆式旁壓儀Mark VIIId 3臂式英國cambridge包括自鉆旁壓組件,鉆進(jìn)設(shè)備和用于回旋鉆進(jìn)的附件.226(包括廠家調(diào)試和培訓(xùn))適用于軟土,沙土等成孔質(zhì)量不佳的旁壓試驗(yàn).旁壓儀PY-3江蘇省溧陽縣儀器廠 /溫州也有一家,但不知道廠家名配置同梅納旁壓儀差不多,但是配件很多.備用件也很多.6數(shù)字顯示,自動(dòng)記錄,價(jià)格便宜,但是壓力只能做到5MPa,而且做不了深孔試驗(yàn).2. 試驗(yàn)基本原理 旁壓試驗(yàn)可理想化為圓柱孔穴擴(kuò)張課題，為軸對(duì)稱平面應(yīng)變問題。典型的旁壓曲線(壓力P-體積變化量V曲線或壓力p-測管水位下降值S)可分為三段， I段曲線AB):初步階段，反映孔

6、壁受擾動(dòng)土的壓縮; II段(直線BC):似彈性階段，壓力與體積變化量大致成直線關(guān)系; III段(曲線CD):塑性階段，隨著壓力的增大，體積變化量逐漸增加，最后急劇增大，達(dá)到破壞。 I-II段的界限壓力相當(dāng)于初始水平壓力po,II-III段的界限壓力相當(dāng)于臨塑壓力pf, III段末尾漸近線的壓力為極限壓力Pl。 VABCDplpfpopIIIIII2. 試驗(yàn)基本原理 依據(jù)旁壓曲線似彈性階段(BC段)的斜率，由圓柱擴(kuò)張軸對(duì)稱平面應(yīng)變的彈性理論解，可得旁壓模量EM,和旁壓剪切模量GM。2. 試驗(yàn)基本原理 工作時(shí)，由加壓裝置將較低的氣壓轉(zhuǎn)換為較高壓力的水壓。并通過高壓導(dǎo)管傳至旁壓器，使彈性膜膨脹導(dǎo)致地

7、基孔壁受壓而產(chǎn)生相應(yīng)的變形。 根據(jù)所測結(jié)果，得到壓力p和位移值S間的關(guān)系,即旁壓曲線。從而得到地基土層的臨塑壓力，極限壓力、旁壓模量等有關(guān)土力學(xué)指標(biāo)。變 形 量 測 裝 置快 速 接 頭旁 壓 器加 壓 穩(wěn) 壓 裝 置中 壓 表氮 氣 加 壓 閥低 壓 表低 壓表 閥減 壓 閥中 壓 表高 壓 表氮 氣 加 壓 閥手 動(dòng) 加 壓 閥排 水 閥中 壓 表輔 管測 管調(diào)壓閥測管閥輔管閥手動(dòng)加壓儲(chǔ)氣罐導(dǎo)壓管導(dǎo)壓管調(diào)零閥高壓氮?dú)庠?1水 箱加 壓水 箱注水管注水管注 水 閥中腔注水閥旁壓器注 ：343. 試驗(yàn)儀器設(shè)備與安裝 3.1 預(yù)鉆式旁壓儀 預(yù)鉆式旁壓儀由旁壓器、控制單元和管路三部分組成。 3.2

8、 自鉆式旁壓儀 自鉆式旁壓儀通常由三部分組成:包含自鉆機(jī)構(gòu)的探頭部分;設(shè)置在地面的控制單元;連接控制單元和探頭的管路部分。3.1 預(yù)鉆式旁壓儀 (1)旁壓器 旁壓器是對(duì)孔壁土(巖)體直接施加壓力的部分，是旁壓儀最重要的部件。它由金屬骨架、密封的橡金屬骨架、密封的橡皮膜和膜外護(hù)鎧組成。皮膜和膜外護(hù)鎧組成。旁壓器分單腔式和三腔式兩種，目前常用的是三腔式。三腔式旁壓器由測量腔(中腔)和上下兩個(gè)護(hù)腔構(gòu)成。測量腔和護(hù)腔互不相通，但兩個(gè)護(hù)腔是互通的，并把測量腔夾在中間。試驗(yàn)時(shí)有壓介質(zhì)(水或油)從控制單元通過中間管路系統(tǒng)進(jìn)入測量腔，使橡皮膜沿徑向膨脹，孔周土(巖)體受壓呈圓柱形擴(kuò)張，從而可以量測孔壁壓力與鉆

9、孔體積變化的關(guān)系。3.1 預(yù)鉆式旁壓儀 (2)控制單元 控制單元位于地表，通常是設(shè)置在三腳架上的一個(gè)箱式結(jié)構(gòu)。其功能是控制試驗(yàn)壓力和測讀旁壓器體積(應(yīng)變)的變化。一般由壓力源(高壓氮?dú)馄?、調(diào)壓器、測管、水箱、各類閥門、壓力表、管路和箱式結(jié)構(gòu)架等組成。3.1 預(yù)鉆式旁壓儀 (3)管路系統(tǒng) 管路系統(tǒng)是用于連接旁壓器和控制單元、輸送和傳遞壓力與體積信息的系統(tǒng)，通常包括氣路、水(油)路和電路。3.2 自鉆式旁壓儀 自鉆的原理是把裝有旁壓器的薄壁取樣器用某一速率壓入土中，同時(shí)用幾個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的刀片將進(jìn)入取樣器內(nèi)的土芯弄碎，形成鉆屑，鉆屑因刀片標(biāo)高處射出的液體作用而變成懸浮液，從旁壓器的中央通過鉆桿空心孔排到

10、地面。4. 技術(shù)要求與試驗(yàn)方法 一、試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作 二、儀器校正 三、預(yù)鉆成孔一、試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作 使用前，必須熟悉儀器的基本原理、管路圖和各閥門的作用，并按下列步驟做好準(zhǔn)備工作: 1.向水箱注滿蒸餾水或干凈的冷開水。 2.連通管路。 3.注水:打開高壓氣瓶閥門并調(diào)節(jié)其上減壓器，使其輸出壓力為0.15MPa左右。 4.調(diào)零:把旁壓器垂直提高，使其測試腔的中點(diǎn)與目測管0刻度相起平。 5.檢查傳感器和記錄儀的連接等是否處于正常工況。并設(shè)置好試驗(yàn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。二、儀器校正 試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行彈性膜(包括保護(hù)套)約束力校正和儀器綜合變形校正，具體項(xiàng)目按下列情況確定: 彈性膜約束力校正方法是:將旁壓器豎立地

11、面，按試驗(yàn)加壓步驟適當(dāng)加壓(0.05MPa左右即可)使其自由膨脹。先加壓，當(dāng)測水管水位降至近36cm時(shí)，退壓至零，如此反復(fù)5次以上。再進(jìn)行正式校正，其具體操作、觀測時(shí)間等均按上述正式試驗(yàn)步驟進(jìn)行。壓力增量采用10kPa，按1min的相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間測記壓力及水位下降值，并據(jù)此繪制彈性膜約束力校正曲線圖，如圖所示。二、儀器校正 儀器綜合變形校正方法是:聯(lián)接好合適長度的導(dǎo)管，注水至要求高度后，將旁壓器放入校正筒內(nèi)，在旁壓器受到剛性限制的狀態(tài)下進(jìn)行。按試驗(yàn)加壓步驟對(duì)旁壓器加壓，壓力增量為100kPa ,逐級(jí)加壓至800 kPa以上后，終止校正試驗(yàn)。各級(jí)壓力下的觀測時(shí)間等均與正式試驗(yàn)一致，根據(jù)所測壓力與水

12、位下降值繪制其關(guān)系曲線.曲線應(yīng)為一斜線，如圖所示。 其直線對(duì)P軸的斜率S/P即為儀器綜合變形校正系數(shù)a。三、預(yù)鉆成孔 針對(duì)不同性質(zhì)的土層及深度，可選用與其相應(yīng)的提土器或與其相適應(yīng)的鉆機(jī)鉆頭。例如，對(duì)于軟塑流塑狀態(tài)的土層，宜選用提土器;對(duì)于堅(jiān)硬-可塑狀態(tài)的土層，可采用勺型鉆;對(duì)于鉆孔孔壁穩(wěn)定性差的土層，宜采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。 孔徑根據(jù)土層情況和選用的旁壓器外徑確定，一般要求比所用旁壓器外徑大2-3mm為宜，不允許過大。鉆孔深度應(yīng)以旁壓器測試腔中點(diǎn)處為試驗(yàn)深度。三、預(yù)鉆成孔開孔至預(yù)定深度以下35cm處三、預(yù)鉆成孔 值得注意的是，試驗(yàn)必須在同一土層，否則，不但試驗(yàn)資料難以應(yīng)用，且當(dāng)上、下兩種上層差異過

13、大時(shí)，會(huì)造成試驗(yàn)中旁壓器彈性膜的破裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。另外。鉆孔中取過土樣或進(jìn)行過標(biāo)貫試驗(yàn)的孔段，由于土體已經(jīng)受到不同程度的擾動(dòng)，不宜進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。四、試驗(yàn) 成孔后，應(yīng)盡快進(jìn)行試驗(yàn)。壓力增量等級(jí)和相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間(觀察時(shí)間)標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)現(xiàn)場情況及有關(guān)旁壓試驗(yàn)規(guī)程選取。其中：壓力增量建議選取預(yù)估臨塑壓力pf的1/8-1/12.如不易預(yù)估。根據(jù)PY型預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)規(guī)程，壓力增量可參考下表確定。四、試驗(yàn) 各級(jí)壓力下的觀測時(shí)間，可根據(jù)土的特征等具體情況。采用1 min或2min，按下列時(shí)間順序測記測量管的水位下降值S。 （1）觀測時(shí)間為1min時(shí):15s,30s,60s; （2）觀測時(shí)間為2min時(shí):15s,

14、30s,60s,120s. 四、試驗(yàn) 當(dāng)測管水位下降接近40cm或水位急劇下降無法穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)立即終止試驗(yàn)，以防彈性膜脹破?？筛鶕?jù)現(xiàn)場情況，采用下列方法之一終止試驗(yàn):四、試驗(yàn) （1）尚需進(jìn)行試驗(yàn)時(shí):當(dāng)試驗(yàn)深度小于2m.可迅速將調(diào)壓閥按逆時(shí)針方向旋至最松位置，使所加壓力為零。利用彈性膜的回彈，迫使旁壓器內(nèi)的水回至測管，取出旁壓器。 （2）試驗(yàn)全部結(jié)束:利用試驗(yàn)中當(dāng)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的壓力將水排凈后旋松調(diào)壓閥。導(dǎo)壓管快速接頭取下后，應(yīng)罩上保護(hù)套，嚴(yán)防泥沙等雜物帶入儀器管道口若準(zhǔn)備較長時(shí)間不使用儀器時(shí)，須將儀器內(nèi)部所有水排盡，并擦凈外表，放置在陰涼、干燥處。 另外，在試驗(yàn)過程中，如由于鉆孔直徑過大或被測巖土體的

15、彈性區(qū)較大時(shí)，有可能發(fā)生水量不夠的情況，即巖土體仍處在彈性區(qū)域內(nèi)，而施加壓力尚遠(yuǎn)離儀器最大壓力值。且位移已達(dá)到320mm以上，此時(shí),如要繼續(xù)試驗(yàn)，則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)水。5. 資料整理與分析 在試驗(yàn)資料整理時(shí)，應(yīng)分別對(duì)各級(jí)壓力和相應(yīng)的擴(kuò)張?bào)w積(或徑向增量)進(jìn)行約束力和體積校正。(kPa) -P (kPa);-P (kPa);-P (kPa);-P : 23)-(5 ) 1 iwm的彈性膜約束力管水位下降值對(duì)應(yīng)彈性膜約束曲線上與測靜水壓力壓力表讀數(shù)校正后的壓力式中iwmPPPP(cm/kPa)- ; )(-S (cm);-S : 26)-(5 )(S )2 m儀器綜合變形校正系數(shù)實(shí)測測管水位下降值值校正后

16、的測管水位下降式中cmPPSwmm =0.002P(kPa)S(cm)Pm(kPa)Pt=Pm+PwPiPSm(3min)Si=(Pm+Pw) S000.0Pw13850.20.026080.0761.724506344194.10.1263.974758852365.80.1765.62410011357567.00.2266.774.5. 資料整理與分析 繪制旁壓曲線 用校正后的壓力P和校正后的測管水位下降值S，繪制p-S曲線，即旁壓曲線。曲線的作圖可按下列步驟進(jìn)行: （1）定坐標(biāo):選用厘米格記錄紙，以S (cm)為縱坐標(biāo)，1cm代表5cm水位下降值;以P為橫坐標(biāo)

17、，比例可以自行選定。 (2)根據(jù)校正后各級(jí)壓力P和對(duì)應(yīng)的測管水位下降值S，分別將其確定在選定的坐標(biāo)上，然后先連直線段并兩端延長，與縱軸相交的截距即為So;再用曲線板連曲線部分，定出曲線與直線段的切點(diǎn)，此點(diǎn)為直線段的終點(diǎn)。6. 主要影響因素 成孔質(zhì)量 加壓方式 旁壓儀構(gòu)造和規(guī)格 旁壓測試臨界深度影響1、成孔質(zhì)量（這對(duì)于預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)來說是非常重要）、成孔質(zhì)量（這對(duì)于預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)來說是非常重要）軟土的擾動(dòng)對(duì)測試結(jié)果的影響很大，必須根據(jù)土類選擇軟土的擾動(dòng)對(duì)測試結(jié)果的影響很大，必須根據(jù)土類選擇不同的鉆孔方法不同的鉆孔方法1.成孔應(yīng)該是垂直，且其直徑與旁壓器吻合的好。成孔應(yīng)該是垂直，且其直徑與旁壓器吻

18、合的好。加壓方式加壓方式分為加壓速率與加壓等級(jí)兩個(gè)方面分為加壓速率與加壓等級(jí)兩個(gè)方面加壓等級(jí)加壓等級(jí)一般按預(yù)估土的臨塑壓力或極限壓力而定，一般按預(yù)估土的臨塑壓力或極限壓力而定，為它們的為它們的1/81/12加荷速率加荷速率反映了不同的試驗(yàn)條件，如排水或不排水反映了不同的試驗(yàn)條件，如排水或不排水快速法：快速法：1、2、3min慢速法：慢速法：5、10min 不同的加壓速率對(duì)臨塑荷載影響不大，而對(duì)于極限荷不同的加壓速率對(duì)臨塑荷載影響不大，而對(duì)于極限荷載影響比較大。載影響比較大。旁壓器的有效長旁壓器的有效長(l)、徑徑(D)比是設(shè)計(jì)旁壓器的關(guān)鍵參數(shù)。比是設(shè)計(jì)旁壓器的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)單腔式有效長徑比為當(dāng)單腔式有效長徑比為10時(shí)，與三腔式旁壓器所取得變形時(shí)，與三腔式旁壓器所取得變形模量的結(jié)果沒有明顯的差別，但單腔式的臨塑壓力和極限模量的結(jié)果沒有明顯的差別，但單腔式的臨塑壓力和極限壓力則偏小。壓力則偏小。土體變形近似為圓柱形 104Dl3.旁壓器構(gòu)造和規(guī)格旁壓器構(gòu)造和規(guī)格在均質(zhì)土層中測試，在均質(zhì)土層中測試，Pf自地表向下逐漸增大，自地表向下逐漸增大，當(dāng)超過一定深度后，才趨近一個(gè)常數(shù)值，這個(gè)當(dāng)超過一定深度后，才趨近一個(gè)常數(shù)值，這個(gè)土層表面一定深度就稱為臨界深度。土層表面一定深度就稱為臨界深度。砂土中表現(xiàn)明顯，臨界深度隨砂土密實(shí)度的增砂土中表