第四章—旁压试验

第四章旁压试验1一、概述二、试验的基本原理三、试验的仪器设备四、试验方法及技术要求六、成果分析与工程应用2主要内容五、资料整理及影响因素分析一、概述（一）旁压试验的定义（二）旁压试验的发展（三）旁压试验的分类（四）旁压试验的优缺点及适用性（五）旁压试验的应用3（一）旁压试验的定义（PressuremeterTest,PMT）旁压试验（PressuremeterTest）是将圆柱形旁压器放入土中，向旁压器内充水(或气)并施加压力，利用旁压器的扩张，对周围土施加均匀压力，测量压力与体积扩张（径向变形）的关系，即可得地基土在水平方向上的应力应变关系。根据这种关系对地基土的承载力（强度）、变形性质等进行评价。4一、概述（二）旁压试验的发展国际上：1956年，法国人梅那德首先创造出预钻式旁压仪，在法国推广使用。至1966年进一步制成自钻式旁压仪，进而在全世界得到普及。我国：20世纪70年代仿制出预钻式及自钻式旁压仪。在最近几十年，国内外岩土工程实践中得到迅速发展并逐渐成熟。5一、概述（三）旁压试验的分类按旁压器放入土层中的方式，可分为：预钻式旁压试验、自钻式旁压试验和压入式旁压试验。（1）预钻式旁压试验：是事先在土层中预钻一竖直钻孔，再将旁压器下到孔内试验深度(标高)处进行旁压试验，预钻式旁压试验的结果很大程度上取决于成孔的质量。6一、概述（2）自钻式旁压试验：是在旁压器的下端装置切削钻头和环形刃具，在以静力置入土中的同时，用钻头将进入刃具的土切碎，并用循环泥浆将碎土带到地面，钻到预定试验深度后，停止压入，进行旁压试验。（3）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。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。7（三）旁压试验的分类一、概述（四）优缺点及适用性1．适用土层：适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、极软岩和软岩等地层的测试。2．优缺点：（1）预钻式旁压仪优点：仪器比较简单、操作容易。缺点：预先钻孔，孔壁土层中的天然应力卸除，加之钻孔孔径与旁压器外径难以有效配合，土层的扰动在所难免，使测试效果不太理想。8一、概述（2）自钻式旁压仪优点：具有自钻功能，当钻到预定深度后进行旁压试验，旁压器周围土体内应力状态基本保持原位的应力状态。缺点：由于设备繁杂，操作技术较为复杂，人员要经过培训方可上岗，但所获得的资料仍需有丰富的使用经验方可取得较好的使用效果。（3）压入式旁压仪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。自钻式、压入式推广效果不及预钻式旁压仪。9（四）优缺点及适用性(五)旁压试验的应用通过对旁压试验成果分析，并结合地区经验，可以用于以下岩土工程应用：1．对土进行分类；2．评价地基土的承载力；3．评价地基土的变形参数，进行沉降估算；4．根据旁压曲线，可推求地基土的原位水平应力、静止侧压力系数和不排水抗剪强度等参数。10一、概述二、试验的基本原理一、原理表述二、理论解释11仪器工作时，由加压装置通过高压导管将压力传至旁压器，使旁压器弹性膜膨胀导致地基孔壁受压而产生相应的侧向变形。其变形量可由量测装置测定，压力p由压力传感器测得。根据所测结果，得到压力p和体积变化量V之间的关系，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。(一)试验基本原理表述12二、试验的基本原理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—用测管水位下降值S)见图，可分为三段：（二）理论解释典型的旁压曲线13二、试验的基本原理I段(曲线AB)：初步阶段，反映孔壁扰动土的压缩与恢复；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到破坏。I—II段的界限压力相当于初始水平压力p0，II一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。14（二）理论解释二、试验的基本原理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。μ——土的泊松比；Vc——旁压器的固有体积；V0——与初始压力p0对应的体积；Vf——与临塑压力Pf对应的体积；——旁压曲线直线段的斜率。VpVVVμEfcMΔΔ))((2120VpVVVGfcMΔΔ)(20VpΔΔ15三、试验的仪器设备一、预钻式旁压仪二、自钻式旁压仪1617三、试验的仪器设备旁压试验所需的仪器设备主要由旁压器、变形测量系统和加压稳压装置等部分组成。（一）预钻式旁压仪国内使用的预钻式旁压仪有PY型和较新的PM型两种型号。两种型号的旁压仪外形结构相似，技术指标略有差异。其主要部件有：18三、试验的仪器设备1．旁压器为圆柱形骨架，外部套有密封的弹性橡皮膜。一般分上、中、下三个腔体．中腔为主脏(测试腔，长250mm，初始体积为491mm3)，上、下腔以金属管相连通，为保护腔（各长100mm），与中腔隔离。测试时，高压水从控制装置经管路进入主腔，使橡皮膜发生径向膨胀，压迫周围土体，测得主腔压力与体积增量的关系。与此同时，以同样压力水向护控压入，这样，三腔同步向四周变形，以此保证主腔周围土体的变形呈平面应变状态。如图所示PM－1型旁压器的结构原理图，其主要技术指标见下表。19（一）预钻式旁压仪PM－1型旁压器的结构原理图202．变形量测装置变形测量装置是测读和控制进入旁压器的水量，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。测管和辅管都是有机玻璃管，最小刻度1mm。3．加压稳压装置加压稳压装置为控制旁压器给土体分级施加压力，并在试验规定的时间内自动精确稳定各级压力。由高压储气瓶（氮气）、精密调压阀、压力表及管路等组成。4．管路主要是两根注水管及两根导压管组成。21（一）预钻式旁压仪PM－1型旁压器的结构原理图22PM－1型旁压器主要技术指标23(二)自钻式旁压仪自钻式旁压仪主要有英国剑桥型及法国道桥型。英国剑桥型旁压仪由探头(包括钻进器和旁压器)、液压地面升降架系统、钻进器的驱动系统、泥浆循环系统、压力控制系统和数据采集系统等五部分组成。旁压器为单腔，其中央为导水管用以疏导地下的泥浆。此外，在弹性膜外加一层能扩张的金属保护套，见下图。由地面的动力设备转动钻杆，回转带动钻进器转动。在刃脚内破碎土体，并借循环水将切碎的土屑输送到地面，旁压器下放至试验深度。钻进速度可以按土类加以选定，对不同土类可按下表选择。24三、试验的仪器设备剑桥探头构造图25钻进速度建议值四、试验方法及技术要求（一）试验前准备工作（二）测试设备的标定、校正（三）钻孔质量（四）加荷等级和变形稳定标准（五）试验终止（六）注意事项26（一）试验前准备工作使用前，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．充水：向水箱注满蒸馏水或干净的冷开水，旋紧水箱盖。注意，试验用水严禁使用不干净水，以防生成沉积物而影响管道的畅通。2．连通管路：用同轴导压管将仪器主机和旁压器细心连接，连接好气源导管，旋紧。27四、试验方法及技术要求3．注水、排气：打开高压气瓶阀门并调节其上减压器，使其输出压力为0.15MPa左右。将旁压器竖置于地面，各阀门调到指定位置。旋转调压阀手轮，给水箱施加0.15MPa左右的压力，以水箱盖中的皮膜受力鼓起时为准，以加快注水速度。当水上升至(或稍高于)目测管的“0”位时，关闭注水加压阀门，旋松调压阀，打开水箱盖。在此过程中，应不断晃动拍打导压管和旁压器，以排出管路中滞留的空气。28（一）试验前准备工作4．调零：把旁压器垂直提高，使其测试腔的中点与目测管“0”刻度相齐平，小心地将旁压器注水阀旋至调零位置，使目测管水位逐渐下降至“0”位时，随即关闭旁压器注水阀，将旁压器放好待用。5．检查：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。29（一）试验前准备工作测试设备的标定是保证旁压试验正常进行的前提，标定共包括两项内容：弹性膜约束力标定、仪器综合变形标定。什么情况下需要进行标定？1）旁压仪首次使用或较长时间不用时；2）更换弹性膜需进行弹性膜约束力标定，为提高压力精度，弹性膜经多次试验后，应进行弹性膜复核校正；3）加长或缩短导管时，需进行仪器综合变形标定。30（二）测试设备的标定、校正测试设备的标定是保证旁压试验正常进行的前提，标定共包括两项内容：弹性膜约束力标定、仪器综合变形标定。1．弹性膜约束力的标定标定的目的是确定在某一体积增量时消耗于弹性膜本身的压力值。标定前，适当加压（0.05MPa）之后，当目测水管水位降至36cm时，退压至零（旁压器中腔的中点与目测管水位齐平），使弹性膜呈不受压的状态，如此反复5次，之后开始校正。31（二）测试设备的标定、校正校正时，按试验的压力增量（10kPa）逐级加压，并按试验的测读时间（1min观测）记录测管水位下降值(或体积扩张值)。最后绘压力P与水位下降值s的P－s曲线，见下图。弹性膜约束力校正曲线示意图322．仪器综合变形值的标定主要是标定量管中的液体在到达旁压器主腔以前的体积损失值。此损失值主要是测管及管路中充满受压液体后所产生的膨胀。率定前将旁压器放存一内径比旁压器外径略大的厚壁钢管（校正筒）内，使旁压器在侧限条件下分级加压，压力增量一般为100kPa，加压5～7级后终止试验。在各级压力下的观测时间与正式试验一样(即15s、30s、60s、120s)，测量压力与扩张体积的关系，通常为直线关系。33（二）测试设备的标定、校正取直线的斜率为综合变形校正系数α。见下图。ΔpΔs仪器综合变形校正曲线示意图34（三）保证钻孔质量是试验的关键1．预钻式旁压仪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。对预钻式旁压试验，要求尽量减少孔壁土的扰动，使钻孔截面为完整的圆形，其孔径应略大于旁压器外径，一般大2～3mm。对孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁。成孔后应尽快进行试验以免缩孔，间隔时间一般不宜超过15min。35旁压试验的可靠性关键在于成孔质量的好坏，钻孔直径应与旁压器的直径相适应，孔径太小，放入旁压器会发生困难，或因放入而扰动土体；孔径太大，很大一部分能量消耗在孔穴上，无法进行试验，下图反映了成孔质量对旁压曲线的影响。预钻成孔的孔壁要求垂直、光滑，孔形圆整，并尽量减少对孔壁土体的扰动，并保持孔壁土层的天然含水量。361．预钻式旁压仪a线——正常的旁压曲线；b线——反映孔壁严重扰动，因旁压器体积容量不够而迫使试验终止；c线——反映孔径太大，旁压器的膨胀量有相当一部分消耗在空穴体积上，试验无法进行；d线——钻孔直径太小，或有缩孔现象，试验前孔壁已受到挤压，故曲线没有前段。371．预钻式旁压仪2．自钻式旁压仪对自钻旁压试验，钻头离刃口的距离、钻头的转速、钻进进尺速度，泥浆压力和流量应做合理的选择，才能达到最佳的效果。在粘性土中，自钻式旁压仪自钻就位后，会有一定的超孔隙压力出现，应静待消散(1～2h)，然后才能开始进行试验。38（三）保证钻孔质量是试验的关键（四）加荷等级和变形稳定标准加荷等级一般为预计临塑压力的1／5～l／7。各级压力增量可相等，也可不等；如不易预估，根据我国行业标准《PY型预钻式旁压试验规程》（JGJ69－90）。压力增量建议值表39变形稳定标准，即指每级压力下测体积变化的观测时间。各级压力下的观测时间，可根据土的特征等具体情况，采用1min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；(