旁压试验等体积增加测试方法研究

王 福 高 敬 赵艳良 陈志英

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300251)

1 概述

德国工程师1930年发明了第一台旁压仪，由于当时材料科学的制约(半刚性塑料和人造橡胶尚未发明)，在旁压试验技术上遇到了很多问题。1955年，法国道桥工程师梅纳(Ménard)制造了三腔式旁压仪的初型，后来发展为今天在国际上广为使用的法国梅纳旁压仪。我国于二十世纪六七十年代仿制旁压仪，并取得了成功，后来发展为国内普遍采用的PY型和较新的PM型旁压仪[1-3］。PY型旁压仪因其结构简单、操作方便在国内使用较广。

上述旁压设备均能实现旁压测试的初衷，即原位横向载荷试验，但在旁压仪结构和测试方法方面存在差异。ASTM标准在美国标准体系中充当了国内规范的作用，它是由美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials)发布的基础性标准和要求。在ASTM D4719—07中，对预钻式旁压试验测试方法做出了明确规定，即:A.等压力增加法(以下均简称A方法)，B.等体积增加法(以下均简称B方法)。通过对比研究，国内现行旁压试验规程中，普遍采用的是压力控制的测试方法，其实质与ASTM中规定的方法A相同。对于ASTM中规定的B测试方法，在国内生产和研究中均未见提及。出现上述现象一方面的原因是国内通用的旁压仪受设备结构的影响，不易实现等体积增加测试;另一方面的原因是国内同行对该测试方法的优点尚未充分认识。基于以上认识，笔者对旁压试验等体积增加测试方法进行了一些思考和探索，并通过设备改进和操作调整在国产PY－4型旁压仪上实现了该测试方法。最后，对旁压测试成果进行了分析。

2 ASTM标准中关于B方法的规定

在ASTM D4719－07中详细阐述了预钻式旁压试验的试验方法、仪器设备、试验程序、数据整理与计算、试验报告等相关内容，其中在试验方法上特别区分了等压力增加和等体积增加两种试验方法。在6.3条中，对B方法的仪器设备规定如下:使旁压探头增加等量体积，并通过液压装置测读旁压探头的压力变化;在9.5条中，对B方法的试验程序做出规定:等量增加旁压探头的体积，增量体积为大气压力作用下探头初始膨胀体积的0.05到0.1倍。

参考相关文献，笔者找到了实现B方法的管路示意(见图1)。

图1 旁压试验B方法管路示意

分析ASTM中B方法的规定及管路图，不难发现，该方法的工作原理是利用定量注水装置，使旁压探头增加体积，进而使孔壁土体发生变形;通过探头内的压力传感器记录压力变化，进而计算出作用在土体上的压力值。对比后发现，方法A是在不变压力下，记录体积随时间变化情况，一定程度反应测试土体蠕变特性;而方法B是在不变体积下，记录压力变化情况，一定程度反应测试土体松弛特性。

上述方法明显区别于国内旁压测试方法，在ASTM中提出来，其优点在于何处?能否在国产常用PY型旁压仪上实现?第一个问题，经过简单分析后发现，该方法的首要优点就是不必在旁压试验前预估临塑压力或极限压力[4］，这一点对在不同地区、不同深度土层开展旁压测试工作非常有益，对形成标准化的旁压试验方法提供了基础。另一个优点是可以使孔穴体积增大，保持恒定的速率，使排水条件可控，这对于进行旁压试验机理分析和对比室内试验成果有积极意义。第二个问题，笔者通过一定的设备改进和操作得以解决。

3 国产PY-4型旁压仪的设备改进及操作调整

国产旁压仪在二十世纪六七十年代仿制完成后，一直沿用至今，其管路示意如图2所示。

图2 国产PY-4型旁压仪改进后管路示意

其工作原理是通过水箱注水，使旁压探头充水，调节地上测量管水柱至0刻度，达到管路内水体体积恒定;采用高压氮气瓶组合调压阀的方法加压，保持输入端压力稳定。试验过程中，调节调压阀，使得作用在测量管液面上的压力等量增加。通过计算测试点到地上测试设备的静水压力和旁压膜膨胀一定体积下的约束力，进而可得到作用在土体上的真实压力。通过计算旁压仪的综合变形系数，求出特定压力下仪器的变形体积，进而得到作用土体的真实体积膨胀量。

对比B方法的测试要求，在PY-4型旁压仪上进行改进:首先，在水箱注水管路上加设三通压力表，具体位置在注水阀和旁压仪器之间的地上管路部位。在关闭注水阀后，通过压力表和管路内的静水压力，可以得到旁压探头测量腔内的压力值，达到图1中压力传感器相同的作用。然后，对加压操作进行调整。缓慢调节调压阀，使测量管内水柱缓慢下降至需要体积，迅速关闭测量管下方的测量管阀门，实现图1中定量注水的效果。至此，通过以上设备改进和操作调整，使得在PY－4型旁压仪上进行B方法测试得以实现。

4 对比分析

为了测试设备改进后的效果，同时对两种测试方法的测试成果进行比较，在某工地，开展了旁压试验B方法测试和对比试验工作。设计旁压试验孔2个，2孔相距2 m。其中一孔采用国内规程规定测试方法，即ASTM标准中A方法;另一孔采用B方法进行。两试验孔分别在规定的相同深度做对比试验，共计完成对比试验24组(如图3、图4所示)。

图3 旁压试验22 m处A方法试验曲线

图4 旁压试验22 m处B方法试验曲线

取两孔上部22 m深度内土层两种测试方法得到的成果数据进行对比分析。在不考虑钻机成孔质量、人为操作等因素的影响下，可发现如下规律:B方法相对常规测试方法(A方法)得到的压力界限值偏小，而旁压剪切模量偏大(如表1所示)。

表1 旁压试验A方法和B方法成果对比分析

5 结论

(1)国内规程中规定的旁压试验测试方法和ASTM中规定的等压力增加测试方法相同，是在不变压力下，记录体积随时间变化情况，一定程度反应测试土体蠕变特性;而ASTM中规定的等体积增加测试方法是在不变体积下，记录压力变化情况，一定程度反应测试土体松弛特性。

(2)通过进行设备改进和操作调整，在国产PY-4型旁压仪上实现了ASTM标准中规定旁压试验等体积增加测试方法。

(3)旁压试验B方法的优势在于:不必在旁压试验前预估临塑压力或极限压力;可以使孔穴增大体积保持恒定的速率，使排水条件可控。

(4)对两种测试方法得到的成果数据进行初步分析后发现，B方法相对常规测试方法(A方法)得到的压力界限值偏小，而旁压剪切模量偏大。其原因可能与测试过程中稳定时间、旁压膜材料特性等因素有关，尚待进一步分析研究。

[1]Baguelin.F，等著.卢世深，等译.旁压仪和基础工程(The Perssuremeter and Foundation Engineering)[M］.北京:人民交通出版社，1984:22-34

[2]孟高头.土体原位测试机理方法及其工程应用[M］.北京:地质出版社，1997:161-195

[3]徐 超，石振明，高彦斌，等.岩土工程原位测试[M］.上海:同济大学出版社，2008:91-101

[4]铁道部.TB10041—2003 铁路工程地质原位测试规程[S］.北京:中国铁道出版社，2003:34-57

[5]铁道部.JGJ69—90 PY型预钻式旁压试验规程[S］.北京:中国建筑工业出版社，1991:4-14

[6]铁道部.SL237—1999 土工试验规程[S］.北京:中国水利水电出版社，1999:377-387

[7]顾国荣，陈 晖.旁压试验成果应用[J］.上海地质，1996(4):20-30

[8]陈 岑，赵俭斌，陈殿强.预钻式旁压试验加压等级的分析与控制[J］.工程勘察，2010(2):25-29