基于旁压试验的深厚强风化花岗岩力学参数确定

吴波 张必立

中节能建设工程设计院有限公 四川成都 610052

摘要：强风化花岗岩地层由于其结构性强且破碎，在进行岩土工程勘察取样时极易被扰动，导致室内土工试验的结果无法反映岩土体真实的力学性质；由于其刚度大，标准贯入试验无法有效实施；由于其层厚大且刚度变化大，故实际工程中亟需可以测定沿深度连续变化的岩土力学参数的手段。旁压试验是一种适应性强的原位试验方法，可以较好地满足以上要求。本文结合笔者的工程实践，介绍了旁压试验在深厚强风化花岗岩层中的应用，并与室内试验等其它手段得到的力学参数进行了对比，结果表明，旁压试验得到的承载力等各项指标均高于室内试验结果。

关键词深厚强风化花岗岩;旁压试验;强度参数

0引言

实际工程中发现，深层强风化岩具有胶结性差、裂隙发育、遇水易崩坏软化、失水易干裂的特征。这一特征增加了岩土勘察中现场取样的难度，从而导致室内土工试验结果的离散性大，得到的物理力学性质不够客观(一般较实际值偏小)。另一方面，工程中还发现，对于30m覆土深度以下的强风化层，其变形模量可达100MPa以上，这将导致常用的标准贯入试验无法实施。

自1957年法国工程师梅纳发明三腔式旁压仪以来，旁压试验在岩土工程勘察中取得长足发展，尤其在法语国家中得到广泛应用，并积累了大量的经验^[1]。旁压试验引入中国已经有50多年历史，并于30年前开始应用于岩土工程勘察领域^[2]。旁压试验具有原位性、易操作性及结果易于理解等诸多优点。而且旁压试验可以在较大的深度下完成，例如已有报道旁压试验案例完成于120m的深度^[3]。对于软岩等强度和其它刚度比较大的岩土体材料(标贯击数N＞50)，可使用进口高压型旁压仪，其旁压极限荷载可达到20MPa或以上^[4-5]。除此而外，旁压试验较单桩载荷试验等现场试验还具有耗时少、成本低、适用范围广(需要场地少，可在水中施工等)等优点。综上所述，旁压试验为工程中了解深层岩土的性质和参数提供了可行方法。

1旁压试验介绍

旁压试验是用可侧向膨胀的旁压器，对钻孔孔壁周围的土体施加径向压力的原位测试，根据压力和变形的关系，计算土的模量和强度。具体来说，旁压仪主要由一个放置在待测深度的可以径向膨胀的圆柱形探头和一个放在地面上用来监视管路中压力和探头体积变化的控制箱组成。旁压仪分自钻式、预钻式和压入式三种，本文讨论的是预钻式旁压仪。旁压试验得到的现场数据经过校正后可得到反映土体应力—应变关系的旁压曲线，继而可以根据此曲线推算土体的承载力和模量。完整的旁压曲线由初始阶段、似弹性变形阶段和塑性变形阶段三个阶段组成。初始阶段表示探头测腔从自然条件下的体积逐渐膨胀，直至其压力等于相应深度处原状土体围压的过程;似弹性变形段为近似直线，表明土体处于弹性变形阶段；塑性变形段反映土体受压屈服并逐渐破坏的发展过程。其中初始阶段的曲线形状可以用来判断钻孔的成孔质量，初始阶段与似弹性阶段分界点的压力P0为初始水平土压力；似弹性阶段可用来计算土体的旁压模量，其反应了原状土体的刚度，似弹性阶段与塑性阶段分界点对应的压力Pf为土体临塑压力；塑性阶段反映土体逐渐接近破坏的过程。

2工程应用实例

此次勘察场地所在区域场地内分布的地层自上而下有：人工填土(填石)层、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统沼泽相沉积层、第四系上更新统冲洪积层、第四系残积层、燕山中期中粒花岗岩及后期侵入煌斑岩。拟建建筑物为8×10⁴m³LNG储罐，外径约66m。在本次旁压试验之前，相关单位已经对此场地进行了详细勘察，并依据室内土工试验和标贯等原位测试手段获得了场地岩土层的强度和变形参数。但是受到强风化花岗岩层遇水易坏，难以取样等因素的影响，详细勘察中基于室内试验和标贯试验得到的岩土参数被认为不能反映岩土层实际的承载力和变形能力，故设计方决定应用旁压试验再次勘察。本次旁压试验的主要目的为确定约-30m以下范围内强风化花岗岩的强度和变形参数。

勘察中使用的是法国APAGEO公司制造的梅纳G-AM型高压旁压仪，在约2800m²的场地上共进行了13个钻孔的强风化层的旁压试验，钻孔中测试点的深度在-26m至-69.5m之间。

3 旁压试验结果分析

研究表明，在深层和浅层强风化花岗岩层中进行旁压试验的区别，即在深层强风化岩层中有可能出现临塑压力超出量程的情况，但是值得一提的是，这种情况下岩层的承载力已经达到很高。

强风化层中土体性质变化很大，同一孔中强风化层的旁压模量最大值与最小值之间相差可达3～9倍。显然，在取样难度很大的情况下，室内试验很难获得准确完整的各个深度土层的性质。而相比较来说，旁压试验的试验条件更容易满足，因此结果更具可靠性。

对旁压试验得到的结果分深度进行统计，得到的结果如表1所示。

表1 旁压试验确定的土层参数

4结论

由于深厚强风化花岗岩层具有较强的结构性和较破碎的特点，导致其难以取样和进行室内试验，而较大的模量使标准贯入试验无法实施。应用高压型旁压仪进行原位试验可以解决以上的难题，为以深圳为代表的深厚强风化花岗岩广泛分布的华南地区提供了获得该层土(岩)力学参数的有效方法。旁压试验得到的结果证明强风化花岗岩层具有很高的承载力，是良好的持力层。应用旁压试验的成果将有效减少基础工程造价。旁压试验的结果还可以反映同一土层中土体指标随深度的变化情况，而室内试验很难获得足够的样本来针对不同深度分别统计。

旁压试验除结果较为客观的优点之外，还具有场地适应能力强、机动性强、工作面小、仪器操作危险性小、成果直观易于理解等诸多优点。但是从广东省范围来看，旁压试验在深厚强风化土层甚至是残积土中的应用较少，推广旁压试验在工程中的应用仍然非常必要。

参考文献（References）：

[1]林本海,杨树庄,朱伯善等.广东省地质构造与岩土工程基本特征[J].岩石力学与工程学报,2006,(S2):3337-3346.

[2]Gambin,M. Reasons for the success of MénardPressuremeter[A]. In Proceedings of the 4th International Symposium onPressuremeters [C].1995 :17-19.

[3] 石祥锋,汪稔,张家铭等.旁压试验在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,(S1): 4442-4445.

[4] Gambin,MP. Vingtansd＇usage du pressiomètreen Europe [A].In Proceedings of the Seventh European Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering [C].Brighton,England,vol.2,1979.

[5] 彭柏兴,王星华.软岩旁压试验与单轴抗压试验对比研究[J].岩土力学,2006,(3):451-454.