自钻式旁压测试
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发布时间：2022-05-06 03:50
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时间：2022-06-28 15:37
（一）概述
预钻式旁压试验需要预先成孔，会对孔壁土体产生一定的扰动，旁压孔的深度也会因塌孔等原因而受到*。为了克服预先成孔所带来的一系列缺点，自钻式旁压仪就应运而生了。法国道桥研究中心和有关道桥研究所、英国剑桥大学，从60年代末和70年代初分别开始研制自钻式旁压仪，并分别于1973年和1974年相继投入商品市场，进入实际工程应用，使旁压技术达到了一个更高的发展阶段。
自钻式旁压仪是一种自行钻进、定位和测试的钻孔原位测试装置。它借助于地面上的（或水下的）回转动力（通常可用水冲正循环回转钻机作为动力），利用旁压器内部的钻进装置，可自地面连续钻进到预定测试深度，然后在保持钻孔周围土层不受扰动的条件下测试，求得土或软岩的各项力学参数。
自钻式旁压试验的突出优点是自动成孔，原位测试。它可以使土层的天然结构和应力状态在测试前保持不变，真正起到了原位测试作用，所求土层的各项指标可代表土层的真实情况。其成果的分析和应用是建立在理论基础上的，而不是建立在经验关系上，这是其它土的原位测试方法所无法比拟的。
自钻式旁压试验的主要缺点是所用自钻式旁压仪结构复杂，操作方法也较复杂，测试人员需经较长时间的培训。此法应用历史较短，经验不足，还处于不断改进之中。因此，自钻式旁压试验和预钻式旁压试验将会长期共存，互相取长补短，在工程勘测中发挥重要作用。
目前，国际上有各种型号的自钻式旁压仪，但基本上可以法国道桥式和英国剑桥式两种为代表。它们的性能和区别如表5—9所示。
表5—9 自钻式旁压仪性能比较
英国剑桥式自钻式旁压仪（简称Camekometer）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五部分组成。其动力设在地面，钻进器由钻杆回转带动，在刃脚内破碎土体，并借助循环水（或泥浆）带出地面。
图5—31是英国剑桥式自钻式旁压仪的探头构造图。其内装有弹簧式电阻应变传感器，可测在不同压力下膨胀时的应变值。
法国道桥式自钻式旁压仪（简称PAF）由探头（包括钻进器4、旁压器3和钻杆加压系统2，见图5—32、压力容积控制器和同轴管路系统等组成。
我国也于80年代初相继研制出自钻式旁压仪，并投入使用。如城乡建设部综合勘察院研制的MIM-1型自钻式旁压仪（见图5—33）是以英法两国自钻式旁压仪为基础的改进型。它是由地上装置、管路系统和地下装置三大部分组成。地上装置包括显示和自动记录、动力源、气压和放大示波装置。地下装置则分成孔压传感器、变形传感器、自钻装置、加压装置和拾震装置等五个部分。地上、地下各相应部分由水、气、电管路系统连接，使之协调地进行工作。
MIM-1型旁压器和英国剑桥式旁压器类似，属于单腔、气压应力控制式，外径为118mm，长1.385m，由电阻应变式传感器测应变。它还装有拾震装置，可以接收及传感来自垂直方向及水平方向的体波。激振采用单孔或跨孔法，这样可以测得土中的纵、横波速，并由此计算土的动泊松比、侧变形系数、动弹性模量、动剪切模量及拉梅常数等五项动弹性参数。这是一项具有潜力的综合性原位测试新技术。
图5—31 Camkometer探头构造图
图5—32 PAF探头构造图
1—空心钻杆；2—钻杆加压系统；3—旁压器；4—钻进器；5—液压马达；6—切土刃口；7—粉碎器
华东电力设计院研制的PYHL-1型自钻式旁压仪是在PY型预钻式旁压仪的基础上试制成功的。由钻机带动钻杆回转，使探头下部的钻进器切削土体，并借循环水（或泥浆）将土屑带出地面。探头为三腔液压式。旁压器长940mm，测量腔长200mm，外径90mm。
（二）自钻式旁压试验步骤
自钻式旁压试验，除自钻进尺外，试验步骤基本和预钻式旁压试验步骤一样，简述如下。
（1）根据土质的软硬程度选择合适形式的探头，并考虑是否要配用加强膜和护套以及切削器的种类等。
（2）率定弹性膜约束力和仪器管道系统受力后的综合变形。对压力表和传感器等，要求在试验室进行必要的校核和率定。
（3）把探头插入土中。首先，借探头和钻杆的自重将刃脚切入土中一小段深度；然后，开动液压马达或钻机，带动研磨刃具旋转，并根据土体的软硬程度向刃具施加一定的垂直压力。被粉碎的土屑不断地被循环水或泥浆带出地面，直至探头下沉至试验标高。必须控制进尺速度，对一般地基土，用法国PAF-76旁压仪，要采用恒定的0.25m/min的速度。
图5—33 MIM-1型自钻式旁压仪
（a）自钻式旁压试验工作示意图：1—示波仪；2—电荷放大器；3—测震仪放大器；4—气压调节箱；6—跨孔激振器；7—自钻旁压器（兼拾震器）
（b）MIM-1型探头：1—泥浆冲洗液；2—钻杆；3—回水；4—电气管路；5—导向翼轮；6—电缆；7—接触板；8—拉簧；9—压簧；10－双向检波器；11—钢筒骨架；12—橡皮膜；13—金属罩片；14—丝扣；15—孔压传感器；16—轴承；17—鱼尾钻头；18—管靴；19—射水孔
（4）试验。首先要卸除钻杆的下压力，停止液压马达或钻机的转动，并截断冲洗水。用压力传感器测得旁压腔压力达到稳定时的压力值。这个压力即为土的静止侧压力。然后，调节压力控制器的压力，并开启压力阀门，使控制器的压力正好平衡探头中的压力。接着开始进行正式试验，需要测量注入探头的总水量、注入测量腔的水量及相应的压力表和压力传感器上的读数。当达到预定的探头膨胀量时，试验停止。
关于读数的间隔时间和压力增量，对于PAF型（应变控制式），建议每分钟应变x（x＝△V/V0表示加压时测量腔的体积增量与原体积的比值）等于2%，直至x=20%—25%时停止。需要量测每一△x=0.4%时的压力值。
对于PYHL-1型（压力控制式），建议按下述规定进行试验：
①压力增量取预估比例极限Pf的1/5至1/7。
②在各级压力下观察时间为一分钟，即可认为已达到相对稳定。
③在各级压力下，按下列时间间隔记录测管水位下降值：15、30、60s。
（三）自钻式旁压试验成果
（1）自钻式旁压试验的最主要成果是旁压曲线（P-x曲线）。对旁压器加压方式的不同，x的涵意也不同。剑桥型等气压式自钻式旁压曲线中的x指应变ε＝△r/r，道桥型液压式指△V/V0，国产PYHL-1型则指测管的水位降。对于等容剪切理论（可参考有关书籍），应变ε与△V/V0之间有下述简单的关系：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
虽然自钻式和预钻式旁压试验的主要成果都是旁压曲线，但它们的旁压曲线有下列不同之处。
图5—34为标准的自钻式旁压曲线。把它和图5-23标准预钻式旁压曲线相比较可以看出，两曲线的形状有明显的不同。预钻式旁压曲线可分为首曲线段、直线段和尾曲线段；而自钻式旁压曲线却缺失首曲线段，只有似直线段和尾曲线段。两曲线不同的原因，可简述如下：预钻式旁压曲线的首曲线段表示试验开始时旁压器和钻孔之间有空隙，孔壁土层受到扰动。因此，施加较小的压力，弹性膜就有较大的变P0m系使卸荷膨胀的孔壁土层重新压回到原始位置所需的力。之后的直线段，表示孔壁土层受压后处于似弹性变形阶段。尾曲线段表示孔壁土层已处于塑性破坏阶段。自钻式旁压曲线缺失首曲线段，是因为测试前孔壁土层未受扰动。当开始施加压力时，由于土层中存在着原始水平应力（或静止的土侧压力），弹性膜不膨胀。当所施加的压力达到土层原始水平应力时，弹性膜开始膨胀，自钻式旁压曲线才偏离压力P轴。此偏离开始点即为P0，其意义为土层原始水平应力。自钻式旁压曲线没有明显的直线段，或者说只有似直线段，且比预钻式旁压曲线直线段陡。达到极限压力时，按两线段分别求出的极限压力值很接近，但自钻式旁压曲线的极限压力值所对应的应变值要比预钻式的小得多。
图5—34 自钻式旁压曲线及特征值
（2）据自钻式旁压曲线可以得到下列指标（参看图5—34）：
①P20:x=20%时的旁压，大致相当于预钻式旁压曲线上的极限压力PL值。
②P4:x=4%时的旁压，大致相当于预钻式旁压曲线上的比例极限Pf值。
③P0：为土的原始水平应力。
④K0：为土的侧压力系数，可由下式求得：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：u——孔隙水压力（kPa）；
γ——土的密度，水下要用浮密度（kN/m3）;
h——测试点深度（m）。
⑤τ－x剪切曲线和不排水抗剪强度Cu值：该曲线系根据等容剪切理论推得。
土体原位测试机理、方法及其工程应用
曲线为图5—34虚线所示。各剪应力τ值为图中旁压曲线上与x相对应的次切距TN。τ－x曲线的峰值即为不排水抗剪强度Cu。
⑥不同x值对应的剪切模量Gx
土体原位测试机理、方法及其工程应用
（四）影响自钻式旁压试验成果精度的主要因素
（1）自钻式旁压试验成功的关键是在试验前防止孔壁土层被扰动。自钻式旁压器下端为一切削器（又称切削管靴），切削器内为钻头。钻头与切削器刃脚底边的相对位置对孔壁土层的扰动与否有密切关系。钻头的位置一般应比切削器刃脚底边缩进一定距离，这样可以使孔壁土层不产生扰动；但缩进过多或不缩进，都会对孔壁土层产生扰动。图5—35为钻头位置对孔壁土层产生扰动程度的示意图。a图表示缩进过多会使切削器内的土受到挤压，反过来对孔壁土层产生反挤压；b图示钻头位置和刃脚齐平，会使孔壁外土层向孔中挤压；c图表明位置恰当，未对孔壁土层产生扰动。虽然做了这样处理，但在成果分析时仍应注意土层可能产生扰动造成的影响。
图5—35 钻头位置对孔壁土层扰动示意图
在钻进中为防止土层受扰动和回水管堵塞，可根据土层性质调整切削器的距离。调整时可参照表5—10。
用PYHL-1型自钻式旁压仪试验，应根据地层情况，调整好钻头和切削器刃脚底边之间的距离。最大调节距离为6cm。当地层为流塑或软塑土层时，宜调到最大距离；对可塑土层，可调为3cm左右；对硬塑土层和密实的砂，则将两者调至齐平或使钻头超前。
（2）非正常自钻式旁压曲线分析。由于设备、试验条件及土质等因素的影响，可能出现图3—36中一些非正常的P-x曲线，见图5—36。
表5—10 剑桥式切削器调整距离D
图5—36 非正常P-x曲线
曲线Ⅰ：如图5—36a示。当土层较硬时可能出现这类曲线。试验开始时，孔壁和橡皮膜之间存在有孔隙。一旦橡皮膜与孔壁完全贴合后，即呈正常型。
曲线Ⅱ：如图5-36b示。与预钻式旁压曲线很相似，可能是因试验前孔壁土层受到扰动所致。
曲线Ⅲ：如图5—36c示。为双重曲线，可能是因为旁压器架在复合土层中所致。这样，软土层处旁压器膨胀得多，而硬土层处旁压器膨胀得少；橡皮膜不平滑也会出现这种情况。
曲线Ⅳ：如图5—36d示。可能是因为注水量突然增大所致，如渗漏等的影响。
利用上述非正常曲线的测试结果，应十分小心，须和已测得的正常曲线或其它测试结果进行对比，才能确定压力和变形的力学指标；否则，应弃之不用，重新测试。
（3）取值标准。由于自钻式旁压试验经验不足，对成果的取值标准并未取得一致的看法，使得到的成果有差异。如法国道桥式自钻旁压试验的最大相对体积变化△V/V0值为20%，将此值对应的压力定为极限压力P1。这样*的一个重要原因是旁压器的弹性膜和保护套不能受到过大的变形，当必须大变形时，就要用特殊装置的旁压器来做试验。因此，定为20%，主要是人为的标准。再者，土类千差万别，性质各异，用统一的体积变形标准（数值）来求Pf、P1是否合适，也有待进一步验证。我国制造的PYHL-1型旁压测试成果取值方法为：先画直线，并将两端延长与P轴相交，其截距为P0；再用曲线板连接曲线，定出曲线与直线的切点，切点所对应的压力即为Pf；取测管水位下降值Sf为37cm（或体积增量△V=1300cm3），与其对应的压力即为P1。
（4）孔壁土层扰动影响。如上述，孔壁土层扰动对自钻式旁压试验成果有很大影响。其影响程度，可通过比较自钻式旁压曲线（图5—37中标SBPMT者）和预钻式旁压曲线（图5—37中标PMT者）的特征值来加以了解。图5—37是法国在现场两个靠近钻孔中的4m深处进行试验而得到的成果曲线，将预钻式旁压曲线的起点选在V0m和P0m处。从图中可看出：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
图5—37 自钻式与预钻式旁压曲线比较
①自钻式的P0（55kPa）小于预钻式的P0m（73kPa）。
②两者的Pf值很接近，但此时的应变差别较大，因而两者的旁压模量大不相同，自钻式的明显大于预钻式的。
③两者的P1值也很接近。
表5—11和表5—12为两者试验结果的比较表。
法国道桥试验中心的研究结果得出如下关系：粘性土：P1=P20；粉土、砂土（松—中密）：P1=1.5P20；密实砂土：P1=2P20。
用两种测试测得的模量差异甚大，说明土的扰动不可忽视，即模量对土的扰动异常敏感。
表5—11 粘土中PMT和SBPMT结果比较（kPa）
表5—12 砂土中PMT和SBPMT结果比较（kPa）
注：EP2为2%体积应变时的割线模量；
Em3为三次循环后的重新加荷模量。
（五）自钻式旁压试验成果的应用
（1）从自钻式旁压曲线上求土层的各项指标，参阅本节（三）。
（2）推算地基容许承载力（承载力标准值）fk
土体原位测试机理、方法及其工程应用
如旁压曲线上的比例界限压力出现后曲线很快转弯，出现极限破坏时，则
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中，F为安全系数，可根据当地经验确定，一般为2—3。fk、PL、P0单位均为kPa。
（3）计算旁压模量。用PYHL-1型旁压仪试验，建议采用下式计算自钻式旁压模量Efm：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中，Sc＝37cm;Sf为与旁压器中腔体积相当的测管水位下降值。PYHL-1型旁压仪为37cm。
（4）鉴定土类。法国Baguelin、Frank等人通过对比试验资料分析，提出了特征系数β。
土体原位测试机理、方法及其工程应用
他们发现，对于一定土类，β值相对比较稳定：β＜25%为灵敏粘土，25%＜β＜40%为粘土，35%＜β＜50%为粉土和松砂，45%＜β＜0%为密实砂，β＞60%为极密实砂。
（5）计算基础沉降。法国Baguelin建议按照Ménard理论有下列计算基础沉降公式。
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：S——基础沉降量（cm）;
P——基底单位荷载（kPa）;
λⅠ、λⅡ——形状系数，查表5—7得；
B0——基础参考宽度，取B0=60cm；当B＜B0时，取B0=B；
其它符号意义同前。
由于自钻式旁压试验应用历史较短，应用领域还有待继续扩大。但是，自钻式旁压试验有其独特的优点，有很大的发展潜力，特别是对软土层和海域工程勘察，更有其优势，大有用武之地。
