基于旁压试验计算浅基础地基沉降

席大成，王沈力，王 玮

（1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000；2.中国市政工程西北设计研究院，甘肃兰州730000）

1 概述

基础沉降计算一直是岩土工程中需要解决的关键问题，国内一般通过室内试验，采用固结理论计算沉降量。法国规范中推荐2种沉降计算方法，一种是类似于国内采用固结理论法，另外一种是基于旁压试验的方法。

旁压试验理论及其设备经过几十年不断发展与完善，在法国规范中已应用到工程地质评价及基础设计等各个方面。相比室内试验，旁压试验由于其不受测试深度的限制，且尽可能地保持了岩土体的原始特性等优点，其结果更为真实可靠，因此在基础沉降计算中得到了广泛的应用。

2 梅纳尔旁压试验原理

2.1 仪器设备

梅纳尔预钻式旁压仪其结构由3部分组成，分别是读数箱、管路和旁压器。读数箱：它能够精确量测出施加到探头上的压力，并能够随着压力与时间的变化同时读出量测腔中的体积变化。压缩气体瓶提供了整个试验用的压力来源。管路：一般使用塑料管，用它来连接读数器和旁压器，对该管路的要求是柔软和具有高强度,以减小体积读数中的误差。旁压器：三腔式旁压器，即中间的一个量测腔和上下各一个保护腔，工作示意图见图1。

2.2 工作原理

梅纳尔旁压试验是一种现场土壤荷载试验，其试验原理是利用旁压器对钻孔壁施加横向均匀压力，使孔壁岩土体发生径向变形直至破坏，利用量测仪器量测压力和径向变形的关系，以推求相关岩土学参数。

图1 旁压仪工作示意图

试验时，首先打开水源阀们，向旁压器中腔充入一定量的水后关闭。此时，读数箱体积测管的水位与地下水位的差值即为试验初始压力。然后打开气源阀，通过控制装置将高压气源减压，并分成两部分，一部分供给量测腔，另一部分供给上下保护腔，使旁压器受压(量测腔为气压水)而膨胀，对旁压器施加一定的横向压力，并由压力表和体积测管测出压力值和水位值，它即反映孔壁试验土层的应力和变形的关系。保护腔的主要作用是延长孔壁的试验土层的长度，以减少量测腔的端部影响，使量测腔对孔壁产生严格、均匀的压力，从而将复杂的空间应变状态简化为近似的平面应变状态。

旁压器在逐级加压的情况下，孔壁土体分为3个变形阶段，在应力—应变曲线上分为恢复区、似弹性变形区和塑性变形区，见图2。

2.3 旁压模量换算

旁压模量是反映土层中应力和变形之间关系的一个重要指标。根据Ménard的理论，在P-V（图2）曲线近似直线段，认为孔壁岩土体为均质各项同性，这样简化为平面按照线性弹性问题进行分析，孔壁受力Δp作用后，径向位移Δr和压力Δp的关系可以用下式表示

图2 旁压试验压力—应变关系曲线

其中：

式中：r——似直线段中点对应孔穴半径；

G——剪切模量；

l——旁压器测量腔长度。

按照弹性理论G=E/[2 ( 1+υ)]，可得旁压模量为：

式中：υ——泊松比，法国规范中约定为0.33；

Vs——探头中央测量腔的固有容积；

P2、V2——与假弹性段终点相对应的压力和注入液体容积；

P1、V1——与假弹性段顶端的起点相对应的压力和注入液体容积。

3 旁压试验计算浅基础地基沉降的理论

3.1 沉降计算方法

法国规范中对于浅基础最终沉降量可按式（2）计算：

其中：

式中：Ec、Ed——球面区域和偏向区的等代旁压模量；

λc、λd——基础形状尺寸，按表1取值；

α——流变系数，按表2取值；

表1 基础形状系数表

B——基础宽度（B=2R≥0.6m，R为基础半宽），当

B0——参照宽度，取0.6m；

p0——基底净压力，p0=p-q，p为基底压力，q为基底上覆土压力。

由式（2）可知，用旁压试验成果计算沉降其实包含2个部分，一部分是紧邻基础底部承压应力最大的土层，称之为球形区域的固结沉降Sc，第二部分是由于地基岩土剪切变形达到稳定时偏转区的沉降Sd。

3.2 等代旁压模量的计算

地基土为匀质土时，Ec=Ed=EM；地基土为非匀质土时，将基础底以下土层分成以基础半宽B/2为厚度单位的若干虚拟层。沉降Sc基础底面以下球面区域引起的沉降只影响基础半宽深度范围内的土层，等代旁压模量Ec等于所划分的第一层旁压模量E1，即Ec=E1，沉降Sd影响的深度范围较大，其等代旁压模量Ed由为0～16R或0～8R（R为基础半宽，R=B/2）的各旁压模量按照以下公式计算获得：

其中Ei,j是在薄层i和薄层j测量的旁压模量调和平均值。

比如，对于地层3，4，5：

如果E9到E16的值未知，但认为超过上面的值，可以这样计算Ed值：

表2 流变系数的取值

同理，E6到E8的值未知，可以这样计算Ed值：

4 工程实践与应用

阿尔及利亚CHERCHELL绕城高速公路工程场地位于该国TIPAZA省西南部的CHERCHELL地区，场地处于山区，紧邻地中海南岸，地质条件变化大，岩性多样，沿线布设众多的构筑物。该项目采用法国规范进行勘察设计，当地咨询公司十分重视详细勘察阶段的原位测试工作，尤其要求普遍采用旁压试验来计算浅基础地基沉降。

该工程在PK11+882处设跨线桥一座，跨线桥C1桥台采用扩大基础，基础埋深5.0m，基础宽度9.2m,长度8.5m，基底最大净反力为288.3kPa，地基土自上而下为：①残坡积碎石土，容重22.0kN/m3，厚度1.32m；②强风化泥灰岩，容重22.0kN/m3，厚度14.32m；③中风化泥灰岩，容重22.0kN/m3，厚度大于15m。基础底部持力层为强风化泥灰岩，在C1桥台处布设了旁压孔，进行了旁压试验，试验结果如图3所示。

桥台基础底高程为125.839m，根据图3旁压试验结果，按照分层厚度R=B/2=4.25m进行统计试验，数值代入式（4）可以求出E1、E2、E3,5，如表3所示。

表3 旁压模量调和平均值计算表

把E1，E2，E3,5代入 式（3），求 得Ec=14.904MPa，Ed=29.132MPa。根据基础尺寸，L/B=1.082，查表1得的α=1/3，再根据表2，内插求得形状系数λc=1.108，λd=1.154，把Ec、Ed、B、B0、α、λc、λd等参数代入式（2），求得最大沉降Sf=10.1mm，如表4所示。

5 结论

旁压试验是一种实用的原位测试技术，它除了能够提供承载力和变形关系外，也能直接服务于基础设计，通过阿尔及利亚CHERCHELL高速公路大量的实践证明用旁压模量作为计算参数获得的基础沉降与国内规范方法计算所得的基础沉降保持了良好的一致性，值得推广。

表4 沉降计算参数表

图3 旁压试验成果及基础沉降计算示意图