基于旁壓試驗(yàn)計(jì)算淺基礎(chǔ)地基沉降

席大成，王沈力，王 瑋

（1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000）

1 概述

基礎(chǔ)沉降計(jì)算一直是巖土工程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一般通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，采用固結(jié)理論計(jì)算沉降量。法國(guó)規(guī)范中推薦2種沉降計(jì)算方法，一種是類(lèi)似于國(guó)內(nèi)采用固結(jié)理論法，另外一種是基于旁壓試驗(yàn)的方法。

旁壓試驗(yàn)理論及其設(shè)備經(jīng)過(guò)幾十年不斷發(fā)展與完善，在法國(guó)規(guī)范中已應(yīng)用到工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。相比室內(nèi)試驗(yàn)，旁壓試驗(yàn)由于其不受測(cè)試深度的限制，且盡可能地保持了巖土體的原始特性等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)果更為真實(shí)可靠，因此在基礎(chǔ)沉降計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 梅納爾旁壓試驗(yàn)原理

2.1 儀器設(shè)備

梅納爾預(yù)鉆式旁壓儀其結(jié)構(gòu)由3部分組成，分別是讀數(shù)箱、管路和旁壓器。讀數(shù)箱：它能夠精確量測(cè)出施加到探頭上的壓力，并能夠隨著壓力與時(shí)間的變化同時(shí)讀出量測(cè)腔中的體積變化。壓縮氣體瓶提供了整個(gè)試驗(yàn)用的壓力來(lái)源。管路：一般使用塑料管，用它來(lái)連接讀數(shù)器和旁壓器，對(duì)該管路的要求是柔軟和具有高強(qiáng)度,以減小體積讀數(shù)中的誤差。旁壓器：三腔式旁壓器，即中間的一個(gè)量測(cè)腔和上下各一個(gè)保護(hù)腔，工作示意圖見(jiàn)圖1。

2.2 工作原理

梅納爾旁壓試驗(yàn)是一種現(xiàn)場(chǎng)土壤荷載試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理是利用旁壓器對(duì)鉆孔壁施加橫向均勻壓力，使孔壁巖土體發(fā)生徑向變形直至破壞，利用量測(cè)儀器量測(cè)壓力和徑向變形的關(guān)系，以推求相關(guān)巖土學(xué)參數(shù)。

圖1 旁壓儀工作示意圖

試驗(yàn)時(shí)，首先打開(kāi)水源閥們，向旁壓器中腔充入一定量的水后關(guān)閉。此時(shí)，讀數(shù)箱體積測(cè)管的水位與地下水位的差值即為試驗(yàn)初始?jí)毫ΑＨ缓蟠蜷_(kāi)氣源閥，通過(guò)控制裝置將高壓氣源減壓，并分成兩部分，一部分供給量測(cè)腔，另一部分供給上下保護(hù)腔，使旁壓器受壓(量測(cè)腔為氣壓水)而膨脹，對(duì)旁壓器施加一定的橫向壓力，并由壓力表和體積測(cè)管測(cè)出壓力值和水位值，它即反映孔壁試驗(yàn)土層的應(yīng)力和變形的關(guān)系。保護(hù)腔的主要作用是延長(zhǎng)孔壁的試驗(yàn)土層的長(zhǎng)度，以減少量測(cè)腔的端部影響，使量測(cè)腔對(duì)孔壁產(chǎn)生嚴(yán)格、均勻的壓力，從而將復(fù)雜的空間應(yīng)變狀態(tài)簡(jiǎn)化為近似的平面應(yīng)變狀態(tài)。

旁壓器在逐級(jí)加壓的情況下，孔壁土體分為3個(gè)變形階段，在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上分為恢復(fù)區(qū)、似彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，見(jiàn)圖2。

2.3 旁壓模量換算

旁壓模量是反映土層中應(yīng)力和變形之間關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)Ménard的理論，在P-V（圖2）曲線近似直線段，認(rèn)為孔壁巖土體為均質(zhì)各項(xiàng)同性，這樣簡(jiǎn)化為平面按照線性彈性問(wèn)題進(jìn)行分析，孔壁受力Δp作用后，徑向位移Δr和壓力Δp的關(guān)系可以用下式表示

圖2 旁壓試驗(yàn)壓力—應(yīng)變關(guān)系曲線

其中：

式中：r——似直線段中點(diǎn)對(duì)應(yīng)孔穴半徑；

G——剪切模量；

l——旁壓器測(cè)量腔長(zhǎng)度。

按照彈性理論G=E/[2 ( 1+υ)]，可得旁壓模量為：

式中：υ——泊松比，法國(guó)規(guī)范中約定為0.33；

Vs——探頭中央測(cè)量腔的固有容積；

P2、V2——與假?gòu)椥远谓K點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的壓力和注入液體容積；

P1、V1——與假?gòu)椥远雾敹说钠瘘c(diǎn)相對(duì)應(yīng)的壓力和注入液體容積。

3 旁壓試驗(yàn)計(jì)算淺基礎(chǔ)地基沉降的理論

3.1 沉降計(jì)算方法

法國(guó)規(guī)范中對(duì)于淺基礎(chǔ)最終沉降量可按式（2）計(jì)算：

其中：

式中：Ec、Ed——球面區(qū)域和偏向區(qū)的等代旁壓模量；

λc、λd——基礎(chǔ)形狀尺寸，按表1取值；

α——流變系數(shù)，按表2取值；

表1 基礎(chǔ)形狀系數(shù)表

B——基礎(chǔ)寬度（B=2R≥0.6m，R為基礎(chǔ)半寬），當(dāng)

B0——參照寬度，取0.6m；

p0——基底凈壓力，p0=p-q，p為基底壓力，q為基底上覆土壓力。

由式（2）可知，用旁壓試驗(yàn)成果計(jì)算沉降其實(shí)包含2個(gè)部分，一部分是緊鄰基礎(chǔ)底部承壓應(yīng)力最大的土層，稱之為球形區(qū)域的固結(jié)沉降Sc，第二部分是由于地基巖土剪切變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)偏轉(zhuǎn)區(qū)的沉降Sd。

3.2 等代旁壓模量的計(jì)算

地基土為勻質(zhì)土?xí)r，Ec=Ed=EM；地基土為非勻質(zhì)土?xí)r，將基礎(chǔ)底以下土層分成以基礎(chǔ)半寬B/2為厚度單位的若干虛擬層。沉降Sc基礎(chǔ)底面以下球面區(qū)域引起的沉降只影響基礎(chǔ)半寬深度范圍內(nèi)的土層，等代旁壓模量Ec等于所劃分的第一層旁壓模量E1，即Ec=E1，沉降Sd影響的深度范圍較大，其等代旁壓模量Ed由為0～16R或0～8R（R為基礎(chǔ)半寬，R=B/2）的各旁壓模量按照以下公式計(jì)算獲得：

其中Ei,j是在薄層i和薄層j測(cè)量的旁壓模量調(diào)和平均值。

比如，對(duì)于地層3，4，5：

如果E9到E16的值未知，但認(rèn)為超過(guò)上面的值，可以這樣計(jì)算Ed值：

表2 流變系數(shù)的取值

同理，E6到E8的值未知，可以這樣計(jì)算Ed值：

4 工程實(shí)踐與應(yīng)用

阿爾及利亞CHERCHELL繞城高速公路工程場(chǎng)地位于該國(guó)TIPAZA省西南部的CHERCHELL地區(qū)，場(chǎng)地處于山區(qū)，緊鄰地中海南岸，地質(zhì)條件變化大，巖性多樣，沿線布設(shè)眾多的構(gòu)筑物。該項(xiàng)目采用法國(guó)規(guī)范進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)刈稍児臼种匾曉敿?xì)勘察階段的原位測(cè)試工作，尤其要求普遍采用旁壓試驗(yàn)來(lái)計(jì)算淺基礎(chǔ)地基沉降。

該工程在PK11+882處設(shè)跨線橋一座，跨線橋C1橋臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深5.0m，基礎(chǔ)寬度9.2m,長(zhǎng)度8.5m，基底最大凈反力為288.3kPa，地基土自上而下為：①殘坡積碎石土，容重22.0kN/m3，厚度1.32m；②強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，容重22.0kN/m3，厚度14.32m；③中風(fēng)化泥灰?guī)r，容重22.0kN/m3，厚度大于15m?；A(chǔ)底部持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，在C1橋臺(tái)處布設(shè)了旁壓孔，進(jìn)行了旁壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

橋臺(tái)基礎(chǔ)底高程為125.839m，根據(jù)圖3旁壓試驗(yàn)結(jié)果，按照分層厚度R=B/2=4.25m進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，數(shù)值代入式（4）可以求出E1、E2、E3,5，如表3所示。

表3 旁壓模量調(diào)和平均值計(jì)算表

把E1，E2，E3,5代入 式（3），求 得Ec=14.904MPa，Ed=29.132MPa。根據(jù)基礎(chǔ)尺寸，L/B=1.082，查表1得的α=1/3，再根據(jù)表2，內(nèi)插求得形狀系數(shù)λc=1.108，λd=1.154，把Ec、Ed、B、B0、α、λc、λd等參數(shù)代入式（2），求得最大沉降Sf=10.1mm，如表4所示。

5 結(jié)論

旁壓試驗(yàn)是一種實(shí)用的原位測(cè)試技術(shù)，它除了能夠提供承載力和變形關(guān)系外，也能直接服務(wù)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，通過(guò)阿爾及利亞CHERCHELL高速公路大量的實(shí)踐證明用旁壓模量作為計(jì)算參數(shù)獲得的基礎(chǔ)沉降與國(guó)內(nèi)規(guī)范方法計(jì)算所得的基礎(chǔ)沉降保持了良好的一致性，值得推廣。

表4 沉降計(jì)算參數(shù)表

圖3 旁壓試驗(yàn)成果及基礎(chǔ)沉降計(jì)算示意圖