巖土工程測試第七章 旁壓試驗(yàn)

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第七章旁壓試驗(yàn)第一節(jié)概述第二節(jié)試驗(yàn)的基本原理第三節(jié)試驗(yàn)的儀器設(shè)備第四節(jié)試驗(yàn)方法及技術(shù)要求第五節(jié)資料整理第六節(jié)成果分析及工程應(yīng)用河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第一節(jié)概述一、旁壓試驗(yàn)的定義（PressuremeterTest,PMT）

旁壓試驗(yàn)是將圓柱形旁壓器放入土中，向旁壓器內(nèi)充水(或氣)并施加壓力，利用旁壓器的擴(kuò)張，對周圍土施加均勻壓力，測量壓力與體積擴(kuò)張（徑向變形）的關(guān)系，即可得地基土在水平方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)這種關(guān)系對地基土的承載力（強(qiáng)度）、變形性質(zhì)等進(jìn)行評價。

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)二、旁壓試驗(yàn)的發(fā)展國際上：1956年，法國人梅那德首先創(chuàng)造出預(yù)鉆式旁壓儀，在法國推廣使用。至1966年進(jìn)一步制成自鉆式旁壓儀，進(jìn)而在全世界得到普及。我國：20世紀(jì)70年代仿制出預(yù)鉆式及自鉆式旁壓儀。在最近幾十年，國內(nèi)外巖土工程實(shí)踐中得到迅速發(fā)展并逐漸成熟。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)三、旁壓試驗(yàn)的分類按旁壓器放入土層中的方式，可分為：預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)、自鉆式旁壓試驗(yàn)和壓入式旁壓試驗(yàn)。（1）預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)是事先在土層中預(yù)鉆一豎直鉆孔，再將旁壓器下到孔內(nèi)試驗(yàn)深度(標(biāo)高)處進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)的結(jié)果很大程度上取決于成孔的質(zhì)量。（2）自鉆式旁壓試驗(yàn)是在旁壓器的下端裝置切削鉆頭和環(huán)形刃具，在以靜力置入土中的同時，用鉆頭將進(jìn)入刃具的土切碎，并用循環(huán)泥漿將碎土帶到地面，鉆到預(yù)定試驗(yàn)深度后，停止壓入，進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)（3）壓入式旁壓試驗(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)。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)的過程中可隨時停止貫入進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。四、適用性

試驗(yàn)方法簡單、靈活、準(zhǔn)確。適用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、極軟巖和軟巖等地層的測試。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第二節(jié)試驗(yàn)的基本原理儀器工作時，由加壓裝置通過增壓缸的面積變換，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，使旁壓器彈性膜膨脹導(dǎo)致地基孔壁受壓而產(chǎn)生相應(yīng)的側(cè)向變形。其變形量可由增壓缸的活塞位移值S確定，壓力p由與增壓缸相連的力傳感器測得。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)。一、試驗(yàn)基本原理表述

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)旁壓試驗(yàn)可理想化為圓柱孔穴擴(kuò)張課題，為軸對稱平面應(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—用測管水位下降值S)見圖7－1，可分為三段：二、理論解釋

圖7－1典型的旁壓曲線河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)I段(曲線AB)：初步階段，反映孔壁擾動土的壓縮與恢復(fù)；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到破壞。I—II段的界限壓力相當(dāng)于初始水平壓力p0，II一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。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)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。μ——土的泊松比；Vc——旁壓器的固有體積；V0——與初始壓力p0對應(yīng)的體積；Vf——與臨塑壓力Pf對應(yīng)的體積；——旁壓曲線直線段的斜率。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第三節(jié)試驗(yàn)的儀器設(shè)備預(yù)鉆式旁壓儀由3部分組成1.旁壓器2.變形測量系統(tǒng)3.加壓穩(wěn)壓裝置目前國內(nèi)普遍采用的預(yù)鉆式旁壓儀有PY型和較新的PM型。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)旁壓器是旁壓儀中的最重要部件，由圓形金屬骨架和包在其外的橡皮膜組成。分為三個腔，中間為主腔（測試腔），上、下為護(hù)腔。變形測量系統(tǒng)有不銹鋼儲水筒，目測管，位移和壓力傳感器，顯示記錄儀，精密壓力表等。加壓穩(wěn)壓裝置由高壓儲氣瓶，精密調(diào)壓閥，壓力表及管路等組成。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)PM－1型旁壓器主要技術(shù)指標(biāo)河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第四節(jié)試驗(yàn)方法及技術(shù)要求一、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．充水：向水箱注滿蒸餾水或干凈的冷開水，旋緊水箱蓋。注意，試驗(yàn)用水嚴(yán)禁使用不干凈水，以防生成沉積物而影響管道的暢通。2．連通管路：用同軸導(dǎo)壓管將儀器主機(jī)和旁壓器細(xì)心連接，連接好氣源導(dǎo)管，旋緊。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)3．注水、排氣：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。將旁壓器豎置于地面，通過調(diào)壓控制面板上的閥門，給旁壓器和連接的閥門注水。旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥手輪，給水箱施加0.15MPa左右的壓力，以水箱蓋中的皮膜受力鼓起時為準(zhǔn)，以加快注水速度。直到水上升到目測的“0”位置為止。在此過程中，應(yīng)不斷晃動拍打?qū)汗芎团詨浩?，以排出管路中滯留的空氣?/p>

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)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”刻度相齊平，小心地將閥門旋至調(diào)零位置，使目測管水位逐漸下降至“0”位時，隨即關(guān)閉閥門，將旁壓器放好待用。5．檢查：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)時間標(biāo)準(zhǔn)。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)二、測試設(shè)備的校正

測試設(shè)備的校正是保證旁壓試驗(yàn)正常進(jìn)行的前提，校正共包括兩項(xiàng)內(nèi)容：彈性膜約束力校正、儀器綜合變形校正。

1．彈性膜約束力的校正校正的目的是確定在某一體積增量時消耗于彈性膜本身的壓力值。校正前，適當(dāng)加壓（0.05MPa）之后，當(dāng)測水管水位降至36cm時，退壓至零（旁壓器中腔的中點(diǎn)與目測管水位齊平），使彈性膜呈不受壓的狀態(tài)，如此反復(fù)5次，之后開始校正。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)校正時，按試驗(yàn)的壓力增量（10kPa）逐級加壓，并按試驗(yàn)的測讀時間（1min觀測，讀數(shù)時間為15s、30s、60s）記錄測管水位下降值(或體積擴(kuò)張值)。最后繪壓力P與水位下降值s的P－s曲線，見圖7－4。圖7－4彈性膜約束力校正曲線示意圖河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

2．儀器綜合變形值的校正主要是校正量管中的液體在到達(dá)旁壓器主腔以前的體積損失值。此損失值主要是測管及管路中充滿受壓液體后所產(chǎn)生的膨脹。率定前將旁壓器放存一內(nèi)徑比旁壓器外徑略大的厚壁鋼管（校正筒）內(nèi)，使旁壓器在側(cè)限條件下分級加壓，壓力增量一般為100kPa，加壓5～7級后達(dá)到800kPa以上時終止試驗(yàn)。在各級壓力下的觀測時間與正式試驗(yàn)一樣(即15s、30s、60s、120s)，測量壓力與擴(kuò)張體積的關(guān)系，通常為直線關(guān)系，求出校正系數(shù)。圖7－5儀器綜合變形校正曲線示意圖

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)三、保證鉆孔質(zhì)量是試驗(yàn)的關(guān)鍵1．預(yù)鉆式旁壓儀針對不同性質(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，對于軟塑－流塑狀態(tài)的土層，宜選用提土器；對于堅(jiān)硬－可塑狀態(tài)的土層，可采用勺型鉆；對于鉆孔孔壁穩(wěn)定性差的土層，宜采用泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。對預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)，要求盡量減少孔壁土的擾動，使鉆孔截面為完整的圓形，其孔徑應(yīng)略大于旁壓器外徑，一般大2～3mm。對孔壁穩(wěn)定性差的土層，宜采用泥漿護(hù)壁。成孔后應(yīng)盡快進(jìn)行試驗(yàn)以免縮孔，間隔時間一般不宜超過15min。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)旁壓試驗(yàn)的可靠性關(guān)鍵在于成孔質(zhì)量的好壞，鉆孔直徑應(yīng)與旁壓器的直徑相適應(yīng)，孔徑太小，放入旁壓器會發(fā)生困難，或因放入而擾動土體；孔徑太大，很大一部分能量消耗在孔穴上，無法進(jìn)行試驗(yàn)，圖7－6反映了成孔質(zhì)量對旁壓曲線的影響。預(yù)鉆成孔的孔壁要求垂直、光滑，孔形圓整，并盡量減少對孔壁土體的擾動，并保持孔壁土層的天然含水量。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)2．自鉆式旁壓儀對自鉆旁壓試驗(yàn)，鉆頭離刃口的距離、鉆頭的轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)進(jìn)尺速度，泥漿壓力和流量應(yīng)做合理的選擇，才能達(dá)到最佳的效果。在粘性土中，自鉆式旁壓儀自鉆就位后，會有一定的超孔隙壓力出現(xiàn)，應(yīng)靜待消散(1～2h)，然后才能開始進(jìn)行試驗(yàn)。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)四、加荷等級和變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

加荷等級一般為預(yù)計(jì)臨塑壓力的1／5～l／7。各級壓力增量可相等，也可不等；如不易預(yù)估，根據(jù)我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《PY型預(yù)鉆式旁壓試驗(yàn)規(guī)程》（JGJ69－90）,表7－3。表7－3壓力增量建議值河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，即指每級壓力下測體積變化的觀測時間。各級壓力下的觀測時間，可根據(jù)土的特征等具體情況，采用1min或2min，按下列時間順序測記測量管的水位下降值s。(1)觀測時間為1min時：15s、30s、60s；(2)觀測時間為2min時：15s、30s、60s、120s。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)五、試驗(yàn)終止當(dāng)測管水位下降接近40cm或水位急劇下降無法穩(wěn)定時，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)：

(1)尚需進(jìn)行試驗(yàn)時：當(dāng)試驗(yàn)深度小于2m．可迅速將調(diào)壓閥按逆時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。當(dāng)水位接近“0”位時，關(guān)閉閥門，取出旁壓器。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)當(dāng)試驗(yàn)深度大于2m時，將閥門置于注水位置。打開水箱蓋，利用系統(tǒng)內(nèi)的壓力，使旁壓器里的水回至水箱備用。旋松調(diào)壓閥，使系統(tǒng)壓力為零，此時關(guān)閉閥門，取出旁壓器。(2)試驗(yàn)全部結(jié)束：將閥門置于排水位置，利用試驗(yàn)中當(dāng)時系統(tǒng)內(nèi)的壓力將水排凈后旋松調(diào)壓閥。終止試驗(yàn)消壓后，必須等2-3分鐘后才能取出旁壓器。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。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)六、技術(shù)要求1．一次試驗(yàn)必須在同一土層，否則，不但試驗(yàn)資料難以應(yīng)用，而當(dāng)上、下兩種土層差異過大時，會造成試驗(yàn)中旁壓器彈性膜的破裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。2．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，不宜進(jìn)行旁壓試驗(yàn)。3．試驗(yàn)點(diǎn)的垂直間距應(yīng)根據(jù)地層條件和工程要求確定，但不宜小于1m；試驗(yàn)孔與已鉆孔的水平距離也應(yīng)不小于1m。4．在試驗(yàn)過程中，如由于鉆孔直徑過大或被測巖土體的彈性區(qū)較大時，可能水量不夠，即巖土體仍處在彈性區(qū)域內(nèi)，而施加壓力尚未達(dá)到儀器最大壓力值，且位移量已達(dá)到320mm以上。此時，如要繼續(xù)試驗(yàn)，則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)水。5．試驗(yàn)完畢，若準(zhǔn)備較長時間不使用儀器，須將儀器內(nèi)部所有水排盡，并擦凈外表，改放在陰涼、干燥處。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)注意事項(xiàng)（1）鉆孔結(jié)束后，應(yīng)將旁壓器盡快放入孔中的預(yù)定深度；（2）注水時，測管的水位絕對不可超過最高刻度線；（3）測試時，不得使用雜質(zhì)水，應(yīng)使用蒸溜水或冷開水；（4）不能任意將旁壓器裸露放置；（5）自鉆式旁壓試驗(yàn)必須保證旁壓器上、中、下三腔在同一土層中；（6）不得任意拆卸調(diào)壓閥，以防其精度降低；（7）若旁壓儀長時間不用，應(yīng)排盡水箱、管路系統(tǒng)和旁壓器的水。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)監(jiān)測裝置旁壓器高壓氣瓶得到壓力P與體積V的關(guān)系，繪制P—V曲線河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第五節(jié)試驗(yàn)資料整理一、壓力與測管水位下降的校正繪制p－s曲線前，要對原始資料進(jìn)行整理，主要是對各級壓力和相應(yīng)的測管水位下降值進(jìn)行校正。校正公式如下：1．壓力校正公式：p——校正后的壓力，kPa；pm——壓力表讀數(shù)，kPa；pw——靜水壓力，kPa；pi——彈性膜約束力，可查彈性膜約束力校正曲線,kPa；河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)對式中pw的計(jì)算應(yīng)考慮無地下水和有地下水兩種條件，見靜水壓力計(jì)算示意圖7－7。（1）無地下水時,pw＝(h0＋z)γw（2）有地下水時,pw＝(h0＋hw)γwh0——測管水面離孔口的高度；z——地面至旁壓器中腔中點(diǎn)的距離；hw——地下水位離孔口的距離；γw——水的密度，g／cm3。圖7－7靜水壓力計(jì)算示意圖河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)2．測管水位下降值（或體積）校正公式如下：S＝Sm－α(pm十pw)V＝Vm－α(pm十pw)S、V——校正后的測管水位下降值（體積）；Sm、Vm——實(shí)測測管水位下降值（體積）；α——儀器綜合變形校正系數(shù)，由綜合校正曲線查得，cm/kPa；其他符號同前。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)二、旁壓曲線的繪制1．旁壓曲線參數(shù)繪制修正后的壓力p和測管水位下降值S曲線。國外常用P—V曲線代替P一S曲線，V為測管內(nèi)水的體積變化量。由P一S曲線經(jīng)換算后繪P—V曲線。換算公式為：V＝AS

V——換算后的體積變形量，cm3；

A——測管內(nèi)截面積，cm；

S——測管水位下降值，cm。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

2．旁壓曲線繪制步驟(1)定坐標(biāo)：在直角坐標(biāo)系中，以S(cm)為縱坐標(biāo)，p為橫坐標(biāo)，比例可以根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大小自行選定。(2)根據(jù)校正后各級壓力p和對應(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S0；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)。由此可繪制預(yù)鉆式旁壓曲線P一V曲線，見圖7－8。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)圖7－8p－V旁壓曲線

圖中蠕變曲線為p－△V60～30，其中△V60～30為該壓力下經(jīng)60s與30s的體積差。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)3．曲線分析P－V曲線可分為三段：①段——首曲線段為初步階段；②段——似彈性階段，壓力與體積變化量大致成直線關(guān)系；③段——尾曲線段處于塑性階段，隨壓力的增大，體積變化量迅速增加。

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)PV0P0PfPLABCD典型的旁壓曲線河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)三、特征壓力值的確定1．原位水平土壓力（初始壓力）p0原位水平土壓力p0值：直線段延長與縱軸相交于V0（或S0），與V0（或S0）對應(yīng)的壓力為p0。2．臨塑壓力pf

兩種方法確定：（1）直線段的終點(diǎn)所對應(yīng)的壓力為pf。（2）按各級壓力下30～60s的體積增量△S60～30或30～120s的體積增量△S120～30與壓力p的關(guān)系曲線輔助分析確定，如圖7－9所示。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)圖7－9p－S旁壓曲線河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)3．極限壓力pl（1）手工外推法憑眼力將曲線用曲線板加以延伸且與實(shí)測曲線光滑自然地連接，取S＝2S0＋SC所對應(yīng)的壓力為極限壓力pl。（2）倒數(shù)曲線法把臨塑壓力pf以后曲線部分各點(diǎn)的水位下降值S取倒數(shù)1／S與S所對應(yīng)的壓力p作p－(1／S)關(guān)系曲線，此曲線為一近似直線。在直線上取1／(2S0＋SC)所對應(yīng)的壓力為極限壓力pl。

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第六節(jié)試驗(yàn)成果分析及工程應(yīng)用一、試驗(yàn)成果分析1．土的強(qiáng)度參數(shù)分析（1）粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度1）當(dāng)孔壁壓力達(dá)到土體臨塑壓力pf時，孔壁土體開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，此時不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)cu由下式獲得：

cu＝pf－p0

2）當(dāng)孔壁壓力達(dá)到土體極限壓力pl時，旁壓腔周圍土體已形成一個塑性區(qū)，塑性區(qū)外圍為彈性區(qū)，cu由下式確定：p*——土的靜極限壓力，p*＝pl－p0；G——剪切模量。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)3）當(dāng)孔壁壓力界于臨塑壓力和極限壓力之間時，由下式確定：

式中，△V＝V－V0（2）砂土的有效內(nèi)摩擦角在砂土中進(jìn)行旁壓試驗(yàn)屬于排水條件，由于砂土的變形涉及到剪脹與剪縮問題，目前還沒有方法能夠比較精確的評價砂土的有效內(nèi)摩擦角，沿用Menard（1970）提出的經(jīng)驗(yàn)公式：河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)2．土的變形參數(shù)分析（1）旁壓模量Em可按原理式計(jì)算旁壓模量和旁壓剪切模量。或采用下式：

（2）壓縮模量Es，變形模量E0由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定：如鐵路工程地基土旁壓試驗(yàn)與荷載試驗(yàn)對比，得出以下估算地基土變形模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。變形模量：黃土：E0＝3.723+0.00532Gm一般粘性土：E0＝1.836+0.00286Gm硬粘土：E0＝1.026+0.00480Gm河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

壓縮模量：

通過與室內(nèi)試驗(yàn)成果對比，建立了估算地基土壓縮模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：黃土：Es＝1.797+0.00173Gm(h<=3.0m)

Es＝1.485+0.00143Gm(h>3.0m)粘性土：Es＝2.092+0.00252Gm上列各式中，Gm為旁壓剪切模量。3、側(cè)向基床系數(shù)Km采用下式估算側(cè)向基床系數(shù)：Km＝△p/△