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岩土勘察技术——旁压试验
0 引 言
旁压仪试验是在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验，旁压试验原理是通过向圆柱形旁压器内分级充气加压，在竖直的孔内使旁压膜侧向膨胀，并由该膜将压力传递给周围的土体，使土体产生变形直至破坏，从而得到压力与扩张体积(或径向位移)之间的关系，根据这种关系对地基土的承载力、变形性质进行评价。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，因其应用效果良好而推广普及到全世界。旁压仪在我国已有40多年的应用历史，而在各类岩土工程中得到推广和应用还只是近20多年的事。随着我国“十三五”规划及“一带一路”的实施，一些超大工程和高层建筑物日益增多，这些工程要求勘察能提供准确、可靠的地基岩土的物理力学参数。旁压试验作为一种原位勘察测试技术，可以在不同深度的土层或软岩中进行测试，提供土层或软岩的有效力学参数；与室内试验相比，有快捷、省力而又经济的特点；同时旁压试验的机理也在几十年的发展中日趋完善。这些是旁压试验在我国岩土工程中得以推广的原因。目前，旁压试验已经应用到黄土地基、软土地基、冻土地基和软岩地基的勘察测试中，为设计部门提供可靠的参数。旁压试验基本原理
1.1基本假定
a 钻孔周围的岩土介质是均质无限体,孔穴呈圆柱形，孔穴扩张处于平面应变状态； b 孔周介质具有各向同性和弹塑性； c 介质是连续的并且处于平衡状态； d 孔穴扩张时，介质的应力应变关系能用増量弹性理论描述，屈服面服从摩尔一库仑方程； 1.2弹性理论
孔穴受到内压力p后开始扩张，扩张初期，孔周介质径向应力増加，环向应力减小，介质富有弹性可张性质，处于弹性应力状态。
处于弹性应力状态土的应力应变关系可用下式表示：
（1）
式中Δσθ、Δσr、Δσz 分别表示环向、径向、竖向应力增量，以压为正，εθ、εr、εz 分别表示环向、径向、竖向应变，以压为正；[D]表示增量弹性矩阵。孔周土的平衡微分方程为：
（2）
取压应变为正，则几何方程为：
（3）
式中r表示孔穴内壁半径;u表示距离孔穴中心为r处的水平位移。孔穴扩张的边界条件为:①r→∞时,u=0;②r=ri时,Δσr =Δp。其中ri表示孔穴半径,Δp表示孔内压力增量。
联解式(1)～式(3),并代入上述边界条件, 可得弹性位移场和应力场：
（4）
式中E表示土的弹性模量;ri 表示孔穴半径;μ表示土的泊松比，Δp 表示孔内附加压力。
对孔壁土，式(4)可以写为:
（5）
式中G表示剪切模量, E表示弹性模量，P0表示初始水平应力，p表示孔内径向压力，εi表示孔壁环向应变，此处压为正。ui表示孔壁位移。式(5)第一个公式就是弹性阶段旁压试验应力应变关系。1.3 c ≠0、φ≠0 土的塑性理论
随着孔穴进一步扩张，当孔周介质应力状态满足摩尔-库仑方程时，孔周介质进入塑性应力状态。孔周土的屈服方程为:
（6）
式中 c、φ分别表示土的粘聚力和内摩擦角。
孔壁土由弹性应力状态进入塑性应力状态的界限压力记为 Pcr，称之为临界压力。联解式(5)、(6)得：
（7）
孔周土处于塑性应力状态时，由于试验平面应变的缘故 σ1 =σr , σ2 =σz , σ3 =σθ，联解方程式(2)、(6)并应用孔壁应力边界条件，得塑性区应力分布：
（8）
孔壁土进入塑性应力状态后，随着孔内压力p的增加，孔周出现塑性和弹性两个应力区。根据式(8)，可以得到孔周土进入塑性阶段后的旁压试验应力应变关系式:
（9）
式中rcr表示弹性区和塑性区分界面的半径,ri表示孔穴内壁半径。下面求rcr/ri的表达式。取一个单位长度的孔穴，可以列出下式:
（10）式中ucr表示弹塑性区临界面的水平位移，ΔV表示单位长度圆环的体积变化 ,以体积压缩为正。
孔壁环向应变：（11）
弹塑性区临界面环向应变：
（12）
塑性区平均体积应变(取体压缩为正)：
（13）
将上述三式代入前式(10)整理可得：
（14）
其中εcr根据式(5)，用下式表达(受压为正)
（15）
将式(14)代入式(9)，得到孔周土进入塑性阶段后的旁压试验应力应变关系式：
（16）
式中Pcr、εcr分别表示临界压力和临界应变(压缩为正)，表达式见式(7)、(15)。εv表示塑性区平均体积应变，以体压缩为正。
1.4 φ=0 土的塑性理论
对φ=0情况，将c记为cu(表示不排水粘聚力)。
同理可得出下述公式:
临界压力表达式:
(17)
塑性区应力分布为 :
(18)
(19)
旁压试验应力应变关系式:
(20)
式中εcr表示临界应变，以压缩为正，表达式见式(15)。εv表示塑性区平均体积应变，以体压缩为正。
1.5 c=0土的塑性理论
对c=0情况，同理可得出下述公式: 临界压力表达式:(21)
塑性区应力分布:
(22)
旁压试验应力应变关系式:(23)
式中εcr表示临界应变,以压缩为正，表达式见式(15)。εv表示塑性区平均体积应变，以体压缩为正。旁压试验技术设备
图1 旁压仪
岩土工程勘察技术中的旁压试验采用的是旁压仪，旁压仪基本上由加压稳压装置、变形测量系统和旁压器（旁压探头）三部分构成，加压稳压通由高压储气瓶、精密调压阀、压力表及管路等组成。变形测量系统由不锈钢储水筒、目测管、位移和压力传感器、显示记录仪、精密压力表、同轴导压管及阀门等组成。旁压器是旁压试验的主要部件，整体呈圆柱形状，内部为中空的优质铜管，外层为特殊的弹性膜。旁压器从结构上区分有三腔式和单腔式两种，根据旁压器的结构和置入土体中的方式不同，从应用功能上区分又可分为预钻式、自钻式和压入式三种旁压仪。整个系统流程如下图。
图2旁压仪系统示意图旁压试验流程
旁压试验步骤一般按以下步骤进行:
(1)选择适当的仪器和成孔方法，确定旁压孔的数目、布置和测试深度。
(2)检查旁压管路长度是否合适(一般应不小于(Z+5)m，Z为孔深)，仪器本身各组件和接头等是否正常。并进行旁压仪充水和去气。
(3)仪器综合变形校正和弹性膜约束力校正是为了率定由于旁压仪的弹性膜和管路系统所引起的压力损失和体积损失。
(4)钻孔结束后，给体积计调零并将探头尽快地插入土中，探头下放时动作要细致均匀，以免钻孔中被排开的水和空气在探头和孔壁之间受到挤压而产生附加的孔壁超压力。
(5)缓慢打开测管阀门，此时探头中产生静水压力为主腔的第一级荷载。旋转调压器旋钮时要平稳，当加压因不慎超过预定压力时，不允许退回来，直接记下该压力下的读数。加压等级一般应使P—V曲线具有 8～14 个点。
(6)终止试验是将探头中的水依靠弹性膜的约束力和管道中的高压将水回送到测管、辅管或水箱。
(7)试验数据记录应包括旁压仪型号、成孔工具、地层及地下水位的情况，校正试验、正式
试验都必须按照规定格式填写记录表。工程实例
本次工程实例选取旁压试验在黄土地基的应用。
黄土主要分布在华北黄土高原，在过去的半个世纪，由于黄土对水的特殊敏感性及其变形、强度等特殊的力学性质而引起人们对它的关注和研究。为提供黄土地区地基承载力，中国科学院武汉岩土力学研究所于2002年6～8月在甘肃谗口—柳沟河高速公路段、山西大同—运城高速公路段、陕西阎良—禹门口高速公路段共6个试验场地进行旁压试验和其他现场试验。这几个试验场地均为黄土地貌，上覆黄褐色、红褐色、褐黄色、褐色的粉质粘土、粘土、粉土、粘质砂土、粉土等黄土类土，其特点为：稍湿、可塑，稍密～中密，可塑，土质纯净，含针状孔隙，大孔较发育。旁压试验采用国产的PY-3型预钻式旁压仪，旁压器直径为50mm，测量腔长为250mm，全长为500mm。这次试验共有82个测点，测试最大深度为9.6m。
(1)图4是山西某一钻孔不同深度测点的压力-变形关系曲线，具有一定的代表性。该曲线具有恢复区、似弹性区和塑性发展区，分区比较明显，曲线完好；不同深度测点的旁压曲线非常接近，特别是恢复区、似弹性区的曲线，基本平行，说明这些土层属于同一类型的土，力学性质也相近；似弹性区曲线接近直线，在横坐标较小范围内压力P值升高很多，超过0.25MPa，说明钻孔孔壁土体基本没被干扰，土体结构没被破坏，成孔质量较好；当压力达到一定值后，土体遭受破坏，并快速屈服，表现在塑性发展曲线在较小压力范围内趋于水平，从这段曲线也可知，黄土是一种结构性土，结构性能较好，一旦结构被破坏，就快速屈服，失去承载力。
图3 不同深度的压力-变形关系曲线
(2)由于旁压曲线完好，各区曲线分区明显，容易确定临塑压力 Pf 和土层的静止侧压力 P0，采用临塑压力法来确定地基容许承载力，即
（24）
式中：fk 为地基容许承载力。由此确定的土层承载力，比由另一种原位试验静载试验确定的要略大，可能是由静载试验中承载板的尺寸效应和旁压试验的误差所致。
(3)变形模量是估算地基沉降量的重要数据，一般由室内试验取得，由载荷试验取得变形模量也有了比较成熟的方法和理论，但由旁压试验确定变形模量还未成熟，本文采用黄熙龄等人提出的旁压系数法，其公式为
（25）
式中：E0为变形模量；µ为泊松比；r为计算压力下的孔壁半径；m为旁压系数，黄土的m值取为31。图5是整理出的兰州场地某一钻孔和阎良场地某一钻孔的变形模量，它表现出一定的离散性，说明这2个钻孔的土层受到不同程度的干扰。
图4 变形模量沿钻孔深度的变化趋势总结
在岩土工程的原位测试技术中，旁压试验设
备轻便，测试时间短，并且可在不同深度的土层或软岩中进行测试。现在岩土工程基础越来越深，涉及的地层日趋复杂，要求勘察提供地基岩土可靠、准确的力学和变形参数，于是旁压试验在岩土工程中推广开了。但旁压试验仪器精密，操作复杂，试验受成孔质量等因素的影响。本文对旁压试验在黄土地基的测试应用进行了说明，对试验结果进行了初步分析，并对旁压试验在应用中出现的几个问题进行分析和讨论，希望能够为以后的工程应用提供参考。
