第六章
第六章 旁(横)压试验
旁压测试(英文缩写PMT：pressuremeter test)它是岩土工程勘察中的一种常用的原位测试技术，又称横压试验。实质上是一种利用钻孔做的原位横向载荷试验，根据钻孔方法的不同，这种试验分预钻式和自钻式两大类。在前面末加“内钻”两字时，习惯上系指预钻式。旁压仪的工作原理是通过旁压器向竖直的孔内施加压力，带的橡皮膜的探头使旁压膜膨胀，并由旁压膜(或护套)将压力均匀地传给周围土体(或软岩)，使土体(或软岩)产生变形直至破坏(图6一1)，并通过量测装置测出施加的压力和土变形(或径向位移)之间的关系，然后绘制应力—应变(或钻孔体积增量、或径向位移)关系曲线。根据这种关系推求地基土(或软岩)的力学性质指标所进行的一种原位试验。
6.1 旁压测试技术的发展历史
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图6-1 旁压测试示意图
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早在1930年前后，德国工程师寇可娄(Kogler)发明了可在钻孔中进行横向载荷测试的仪器，可以说是最早的旁压仪，1954年南斯拉夫的Kujundizc手动液压旁压仪、1957年法国道桥工程师梅那德(Menad)研制成功了三腔式旁压仪，即梅那预钻式旁压仪。后经日本、法国科学家加以完善和开发，由于其应用效果好，现己普及到全世界。但预钻式旁压试验要预先钻孔，因而会对孔壁土体产生扰动，旁压孔的深度也会因塌孔、缩孔等原因而受到限制。为了克服预先成孔等一系列缺点，自钻式旁压测试技术应运而生了。法国道桥研究中心和有关道桥研究所、英国剑桥大学，从60年代末到70年代初分别开始研制自钻式旁压仪，其原理是一种自行钻进、定位和测试的钻孔原位试验装置。它借助于地面上或水下的回转动力(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进行测试，并已批量生产，使旁压技术达到了一个更高的发展阶段。
我国也仿制成功了自钻式旁压仪。我国科学家黄熙龄于1962年仿制了梅式旁压仪，并从弹性理论上对粘性土的变形进行了计算，一直到80年代未我国进行了多次仿制旁压仪，终于取得了成功，并制订了有关的旁压试验规程，普及到全国。
尤其是在80年代期间，先后由国内建设部综合勘察院研制了MIM-1型单腔气压式应变控制自钻式旁压仪，这种旁压仪在设计上充分考虑了自钻式孔的有利条件，除了可进行静态量测外，还可以通过旁压器中的拾震装置兼测动态参数。兵器工业部勘测公司、常州市建筑设计院和溧阳仪器厂等单位研制WKP-1型、等旁压仪，限定压力为1000-1600kPa，测试深度一般在
旁压试验的优点是：1）设备轻便，操作简易，测试迅速；2）可在不同深度进行试验，而不受地下水为限制；3）与室内试验相比，横压试验涉及的试样大得多，而且扰动不大；4）与其它原位测试方法比较，试验时的应力条件接近于轴对称圆柱孔穴扩张课题，这颗题的弹性解及弹塑性解是已解决了的；5）除了可测定土的横向压缩性，还可测定原始侧压力系数K0，强度参数及应力应变关系。
总之，旁压试验的优点主要是与静力载荷测试比较而显现出来的。它可在不同深度上进行测试，所求地基承裁力值基本和平扳裁荷测试所求的相近，精度很高。预钻式设备轻便，测试时间短。其缺点是受成孔质量影响大，在软土中测试精度不高。
6.2 旁压测试法基本原理
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图6-2 柱状孔穴
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旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，为轴对称平面问题。即把分析中常把主腔孔壁四周的土体受力情况当作一个平面问题来处理。如图6—2所示。
因为在试验时柱状孔穴的孔壁受到一个附加的均布压力ΔP(ΔP＝P-P0，P为孔壁处的作用压力；基本方程和线弹性理论经典解为P0为土的原始水平应力)时，孔壁周围土体中半径为r处的点将产生一个位移ｕ；位移后，该点的位置将移至ρ＝γ＋ｕ处。由此引起的应力分皇为Δσｒ和Δσθ，其对应的应变分量则为εr和εθ。根据土力学的规定，假设压应力为正。对于极坐标轴对称问题，可以得到下列平衡方程式和几何方程式：
由于假设土体为各向同性、均质的弹性体，当它处于小变形时，其径向的应变为：
式中，E／＝E/1-μ2，μ/＝μ/1-μ。则径向应力可用下式来表示：
考虑到G＝E/2（1＋μ），将（6-4）代入到式（6-3）中可得到下式：
由（6-2）式可得到位移量：
在孔壁处的位移：
上式称为拉梅方程。将式(6-5)代人式(6—6)可得；
由上述的讨论，结合下图（图6-3）我们可以各到下面几点问题：
图6-3 柱状孔穴应力和位移的平面示意图
1．由于附加压力ΔP的作用，旁压孔用处于受纯茁的状态。剪应力τ＝Δσ（或Δσθ），体应变
2．Δσr和Δσθ以及
3．位移μ和ΔP成正比，但以1/r的规律向外衰减；
6.3 旁压测试法仪器设备
预钻式旁压仪型号较多，但其结构和梅纳型旁压仪基本相同。国内定点生产旁压仪的厂家，预钻式旁压试验的主要设备为旁压仪。它主要由四部分组成：旁压器（也称探头）、加压稳定装置、变形量测系统和管路组成，构造原理如图。
图6-4 旁压仪构造示意图
1-注水管； 2-注水管；3-导压管；4-导压管；5-旁压器；6-水箱；7-注水阀；8-水箱加压，接打气筒；9-排水阀；10-中腔注水阀；11-辅管；12-测管；13-辅管阀；14-测管阀；15-调零阀；16-中压表；17-低压表；18-低压表阀；19-调压阀；20-氮气加压阀；21-中压表；22-减压阀；23-高压表；24-氮气源阀；25-高压氮；26-手动加压阀；27-钢瓶；28-打气筒
它是旁压仪中的最重要部件，是对土体施加压力的部分，由圆形金屑骨架和包在其外的橡皮膜所组成。旁压器一般为三腔式和单腔式，三腔式应用较广泛，三腔式的中间为主腔(也称测试皮)，上、下为护腔。主腔和护腔互不相通，而护控之间则相通，把主腔夹在中间。试验时，有压力的高压水从控制单元通过中间管路系统进入主腔，即测试腔，使橡皮膜沿径向(横向)向周围土体膨胀，给压迫周围土体施加压力，从而建立主腔压力和土体体积变形增量之间的相互关系。同时，也向两护腔同步地输入同样压力的水．使其压力和主腔保持一致，以便迫使主腔向四周沿水平方向同步变形，这样就可以把主腔周围的土体变形作为一个平面应变问题来处理。
旁压器中央有导水管，用来排泄地下水，使旁压器能顺利地置于测试深度。旁压器分?体和带金属锗保护膜两种。对一般各类粘性土，可直接使用裸体旁压器；如遇到土层中含有碎石、角砾等锋利物质会损坏弹性膜时，可在旁压器弹性膜外面套上金属鞘保护膜进行测试。
目前，PY-2型和PY-3型旁压器外径均为
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勺形钻头 提土钻头
图6－5 成孔工具
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．压力和体积控制箱
一般情况下，预钻式旁压仪的压力和体积控制箱是设置在三角架上的一个箱式结构。它包括加压稳压装置和变形量测装置两大部分。加压稳压装置是由高压氮气瓶或人工打气简、贮气罐、调压阀和相应的压力表。加压稳压均通过调压阀控制。这部分装置的主要功能是控制进入旁压器的压力。
变形量测装置是由测管、辅管、水箱及各类阀门等部件构成；测管和辅管皆用有机玻璃制造，最小刻度为
管路是连接旁压器和控制箱的“桥梁”。其作用是将压力和水从控制箱送到旁压器。PY-2型有两根导压管和两根注水管，PY-3型有两根导压管，但只有一根注水管。管路由尼龙1010材料制成，能经受高压，其长度由最大测试探度决定，一般有十余米长。连在旁压器上的管路能通过快速接头和控制箱很快地连接在一起。
预钻式旁压仪要预先成孔，其成孔工具主要是勺钻(图6—5)，适用于一般粘性土。对于坚硬土层，应用轻型钻机成孔。
当水箱中的水注满旁压仪三腔并返回测管和辅管后，加压装置所加的气压通过高压调压阀控制的预定压力直接传到测管的辅管水面，气压转变为水压，并将压力传递给下放在钻孔中的旁压器，旁压器弹性膜受力后膨胀，从而对孔壁土体施加侧向压力，形成均匀的圆柱形应力区，导致土体变形并引起测管水位下降。根据试验压力和测管水位降之间的关系，可以得到应力大小及土体变形随着时间变化的规律，然后绘制应力-应变关系曲线，通过曲线形态分析及利用有关公式可求得土体力学性质的有关参数。
6.4旁压测试仪器的率定
在试验中为了能有效地反映孔壁土体的压力与变形的关系，在进行旁压试验的测试时，仪器本身会由于材料的受力变形引起的误差，主要是向土体施加压力时弹性膜本身的约束力消耗了部分压力，仪器管路受压产生相应的变形，加大了测管的水位降，为了将这一影响消除，因此，在进行试验前必须进行弹性膜约束力的标定和仪器管路综合变形标?测试。
旁压器属于下列情况之一时，必须对弹性膜进行率定。①新使用的弹性膜；②新膜第一次率定在经3-5次测试后，要复校一次约束力；③一般情况下，在进行10次测试后可不再进行率定；④停止测试两昼夜以上，重新测试之前须率定；⑤气温有较大变化时须率定。具体的率定方法如下：
①接通旁压器管路系统，按旁压器的操作步骤进行排气和充水，然后将旁压器竖立于地面，让弹性膜在自由膨胀下进行率定；对应先对弹性膜进行加压，使其达到
②量取旁压器中腔至测管零刻度处的高度，将此高度产生的静水压力作为第一级荷载；
③以10kPa的压力等级加压．稳定1—3分钟后，逐级读取各级压力作用下测管水位值；注意测管水位下降至接近最大值时，要立即停止试验(水位下降值不得超过
④绘制压力P与测管水位下降值S(体积V)的关系曲线，如图6—6，即该曲线为弹性膜约束力校正曲线。
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图 6-6 压力－测管水位下降值关系曲线
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在压力作用下，连接控制箱和旁压器的管路会膨胀。这将造成量管中的液体在到达旁压器主腔前的体积损失。对新启用的连接管路，或管路长度有变化时，须进行综合变形率定，以消除仪器受力变形的影响。
率定方法：首先将旁压器放进无缝钢管或有机玻璃筒内，管的内径要比旁压器的直径大2—
图6-7 仪器综合变形校正曲线
6.5预钻式旁压试验的现场测试
开始试验前，首先对仪器进行调试，其目的是检查仪器是否正常；倘有异常现象及时排除，以免工作中断。
1、工作前的注水标准检查；按操作顺序注水，发现注水缓侵或不进水时．说明注水系统已阻隔或堵塞。常见出现故障处是注水阀，一般是阀门皮膜贴合孔口所致。此时，可不必拆卸阀门，用“反冲法”排除故障。排除方法是：结储气罐加压至0.5MPa以上，并关闭排水阀和调零阀，将其余阀门打开，给管路缓慢加压(加压前须将旁压器放入标定筒内，并将水箱注水盖打开)。当听到水箱有水噪声时，即表明管路已经通畅。当压力加至0.5MPa以上时，若水箱仍无水噪声，说明管路堵塞严重。此时，须拆管检查，一般发生堵塞的部位是注水阀和注水阀至水箱管道，其它部位不得轻易拆动。
2、弹性膜渗水检查：仪器注水后，将旁压器在无外力约束的状态下立放在仪器旁边，缓慢给旁压器加压至0.05MPa；待弹性膜胀大时，检查膜上有无渗漏现象，若有渗漏，则立即更换弹性膜。
1、试验位置的确定：旁压试验作为地基勘察的手段之一，它可在地层中某一指定位置进行试验，与载荷试验相对比无疑是一个长处。在均质土中一般
2、试验前，应平整试验场地，合理确定旁压孔的数目、布置方式及测试深度，必要时，可钻1—2个钻孔，以了解土层的分布情况，要选择适当的仪器和成孔方法，保证钻孔大小与旁压器直径相匹配，通常把旁压试验作为一个无限弹性介质中的圆柱状孔穴径向扩张问题来处理。因此，理想的钻孔应是圆柱形状，且孔壁平顺、光滑，所以成孔的要求如下：
①钻孔直径比旁压器外径大2—
②孔呈圆形，且孔壁应垂直光滑，尽量避免对孔壁土体的扰动，保持孔壁土体的天然含水量。
③在取过原状土样或进行过标贯试验的孔段，以及横跨不同性质土层的孔段不宜进行旁压试验。
④最小试验深度、连续试验深度的间隔、离取原状土钻孔或其他原位测试孔的间距以及试验孔的水平距离等均不宜小于
⑤钻孔深度应比预定的试验深度深
⑥成孔工具：勺形钻头和提土钻头。对于不同性质的土层，宜选用不同的钻孔工具对于坚硬一可塑状态的土层，可用勺型钻；对于软塑一流塑状态的土层，宜选用458—462的提土钻头。下钻前，必须检查小活门和气孔是否畅通；钻进时．一次不宜钻进记多，以防土高出钻头的出气孔，造成堵孔；提升时，要控制提升速度不宜太快，以保持提升时在孔底形成的空间为通过气孔补充的水所充填，达到平衡，不致出现缩孔、坍孔。如钻进到地下水位以下，且孔壁土层稳定性又差(如松散砂土)时，可采用泥浆护理钻进。
当试验深度大于
与静力触探，动力触探相比，成孔取土对地层能作出更为具体的地质描述是旁压试验的一个长处，这一点往往重视不够，成孔时要通过钻进难易程度和观察提出的土对土层进行描述，必要时做含水率试验，这些方面对估算极限压力和地基评价是有益处的。
1、水箱注水：将水箱注满蒸馏水或干净的冷开水，以保持管路清洁和减少水中的气泡。在整个试验过程中最好将水箱安全阀一直打开，以避免偶然将试验高压水引人，使水箱胀裂。
2、接通管路：把旁压器上的1号注水管和2号、3号2根导压管的快速接头分别与测量板上的插座对号插入。
3、向旁压器和变形测量系统注水：①特旁压器竖立于地面，关闭排水阀和调零阀向把调压阀拧到最松位置。②拧紧水箱盖，把打气筒接在水箱加压处，向水箱稍加压力(0.01一0.02MPa)；同时，摇晃旁压器和拍打尼龙管，排除滞留在旁压器和管道内的空气。待测管和捕管中的水位上升到
4、调零和放入旁压器：把旁压器垂直举起，使旁压器中腔中点与测管零刻度相水平，打开调零阀，把水位调到零位后，立即关闭调零阀、测管阀和辅管阀；然后把旁压放入钻孔预定测试探度处；此时，旁压器中腔不受静水压力，弹性膜处于不膨胀状态。
首先打开测管阀和辅管阀：此时，旁压器内产生静水压力，该压力即为第一级压力。稳定后，读出测管水位下降值。
然后可采用氮气加压和高压打气筒两种方式加压，逐级加压，并测记各级压力下的测管水位下降值。
当采用手动加压时，关闭氮气加压阀，打开手动加压阀；把打气筒与手动加压连接；向贮气罐加压，使贮气罐压力比预计的最高试验压力大0.1—0.2MPa。加压时，缓慢地按顺时针力向旋转调压阀、调至所需压力。测读压力值时注意：低压时采用低压表读取压力值；当
低压表达0.8MPa时，关闭低压表阀，改用中压表读数。
当采用氮气加压时，接上氮气加压装置导管，关闭手动加压阀，打开氮气加压阀，把氯气瓶上的减压阀按逆时针方向拧到最松位置(此时输出处于关闭状态)，再打开氮气阀，按顺时针方向拧减压阀，使高压减到比预计所需最高试验压力大0.1一0.2MPa；缓慢地按顺时针方向旋转调压阀，调至所需压力。
1、加压等级：加荷等级的大小影响点的多少的成果精度，一般来说p-v曲线要有足够点进行描述才能满足要求，通常分为10个（或7-14个）相等的压力等级。临塑压力以前的直线段也应保持4-6个点，一般试验有10-14个点比较适宜，这样才能保持试验资料的真实性。法国的资料介绍，将估计的极限压力分为10个等分作为加荷等级。而极限压力是根据成孔的难易和经验来确定的，前苏联的资料要求试验曲线要有15-16个点，压力等级是按照粘性土的稠度指标IL（大于或0.25小于）和砂性土的密实度给出的。加荷等级在我国采用预计极限压力的1/8-1/12，在加荷的初始阶段，加荷等级小，或作卸荷再加荷以减少土层的扰动，也可参照表6-1来确定的。
表6-1 试验加荷等级
土的特征
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加压等级（kPa）
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临塑压力前
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临塑压力后
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淤泥、淤泥质土，流塑状态的粘性土，松散的粉砂或细砂。
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≤15
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≤30
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软塑状态的粘性土，疏松的黄土，稍密饱和的粉土，稍密很湿的粉砂或细砂，稍密的中、粗砂。
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15-25
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30-50
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可塑-硬塑状态的粘性土，一般性质的黄土，中密-密实的饱和粉土，中密-密实的粉砂、细砂，中密的中粗砂。
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25-50
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50-100
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硬塑-坚硬状态的粘性土，密实粉土，密实的中、粗砂。
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50-100
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100-200
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中密-密实碎石类土。
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≥100
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≥200
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2、加荷稳定标准：各级压力下观测时间的长短或加荷稳定时间的确定是旁压试验的一个重要问题。一是不同稳定时间对固结程度要求是不同的，对试验结果将有影响；二是试验进行的时间出入也很大。因此，考虑不同的使用目的和条件，结合土的特征等具体情况，不同国家和不同部门对此项规定的差别是比较大的。
规范推荐采用1min或2min，按下列时间顺序测记测管水位下降值（或体积V）：
i．观测时间为1min时： 15s，30s，60s。
i．观测时间为2 min时： 15s，30s，60s，120s。
这样，对粘性土来说，基本上相当于不排水快剪的情况。
3、静水压力的确定：当旁压器放到预定位置后，打开测这阀和辅管阀，这时旁压器内的压力为从测管零刻度算起的静水压力，计算方法为：
静水压力，可采用下式计算(图6—8)：
无地下水时
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图6－8 静水压力计算示意图
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有地下水时
式中；ho——测管水面离孔口的高度(m)；
Z——地面至旁压器中腔中点的距离(m)；
h w——地下水位离孔口的距离(m)；
γw——水的重度(10kN／m3)；
4、终止试验：旁压试验所要描述的是土体从加压到破坏的一个过程，试验的p-s曲
线要尽量完整。因此，试验能否终止，一般取决于仪器的条件：压力达到仪器的最大额定值，或测管水位下降值接近最大允许值，否则，弹性膜有破裂的可能。
试验终止后，应使旁压器里的水返回水箱或排净，使弹性膜恢复至原来状态，以便顺利起拔旁压器。
旁压器和管路消压后，为了使旁压器弹性膜恢复到原来状态，方可从小到大用力，慢慢上提，并取出旁压器。利用试验终止时旁压使整个管路和旁压器。
5、试验记录：进行旁压试验，应在现场做好记录。其内容包括：所用旁压器型号、弹性膜编号及其率定结果、成孔工具、土层描述、地下水位、正式试验时的各级压力及相应的测管水位下降值。见表6-2所示。
6.6 旁压测试成果整理及影响试验成果的主要因素
旁压试验最后得到压力与变形的关系曲线，即p-s、p-v曲线，可从曲线上求出一些和土的性质有的参数。由于仪器设备、工程地质条件等复杂性，试验曲线存在一些误差，为了克服这些误差，必须要进行校正。
在绘制p-s曲线之前，需要对试验记录中的各级压力及其相应的测管水位下降值进校正：
1、 压力校正
式中；P——校正后的压力(kPa) ；
Pm——压力表读数(kPa)；
PW——静水压力(kPa)；
Pi——弹性膜约束力曲线上与测管水位下降值对应的弹性膜约束力(kPa) 。
表6-2 旁 压 试 验 记 录 表
年 月 日
工程编号
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委托单位
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工程名称
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试验
编号
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孔口
标高
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试验
深度
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地下
水位
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测管水面离孔口的高度(m)
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旁压器中腔受静水压力(kg/?2)
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试验土层
描 述
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备注
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压力P(Xg/?2)
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测管水位下降值S(?)(累计值)
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压力表读 数
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总压力
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校正值
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校正后
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0分
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1分
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2分
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3分
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校正值
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校正后
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记录员： 计算： 核对：
2、测管水位下降值，其校正公式为：
式中；S——校正后的侧管水位下降疽(cm)；
Sm——实测测管水位下降值(cm)；
σ——仪器综合变形校正系数(cm/kPa)；
其它符号意义同前。
(1)坐标轴的确定：通常采用纵坐标为压力P(kPa)，横坐标为测管水位下降值S(cm)绘制p-s曲线。绘制旁压曲线的比例尺要合适，一般情况下采用以横坐标
(2)绘制曲线时，先连直线段，再用曲线板连曲线部分，曲线与直线的连接处要圆滑。
另外，有时用p-v曲线代替p-s曲线，设Vm为测管内的体积变量（cm3），换算公式为：
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式中；A――测管内截面积（cm3）；
S——测管水位下降值(cm)。
从S换算到V 后，按下式对体积V 进行校正：
式中； V ——校正后的体积(cm3)；
V m——
其它符号意义同前。校正后，即可绘制p-v曲线。
利用旁压试验确定土体的工程地 图6-9 预钻式旁压曲线及特征值
质性质指标，首先要从旁压试验的曲线上几个特征段落上确定其特征值。典型的预钻式旁压曲线有三个变形阶段，见下图6-9 在p-s（或p-v）曲线上。
1、初始阶段及特征值的确定：该区压力逐渐由零增加到Pom，曲线下凸，斜率△P／△V由小变大，在Pom处趋于直线段。其原理是：开始时旁压器弹性膜膨胀，不受孔壁土体的阻力，只充填了膜与孔壁之间的空隙，进而将成孔后因应力释放而向孔内膨胀的土体挤压回原来位置。这个阶段的终点压力为Pom (对应的体积增量为Vom)。
根据梅纳德理论，曲线中直线段的起点Pom应相当于测试深度处土的静止侧压力Po。但是，由于预先钻孔，因孔壁土体受到了扰动等因素的影响，Pom值一般都大于Po值。
静止侧压力Po值（以下压力单位均为kPa）可以用计算法或图解法求取。
（1）、计算法：
式中：ξ——静止土侧压力系数，按土质而定；一般砂土、粉土取0.5，粘性土取0.6、淤泥取0.7；
γ——土的重度，地下水位以下为饱和重度(kN／m3)；
ｈ——测试点深度(m)；
μ——测试点的孔隙水压力(kPa)；正常情况下，它极接近于由地下水位算得的静水压力，即在地下水位以上，μ＝0；在地下水位以下，按下式计算：
符号意义同前，此种方法要预估ξ值。
（2）、图解法：
由于Pom 值—般都大于Po值，因此基于图解法求P0的基本想法均是往小的方向修正Pom 值。应用较多的方法有：
a．将旁压曲线直线段延长，与S（υ)轴相交，由交点作P轴平行线与p-s曲线相交，其交点对应的压力即为Po。
b．上述作固法受成孔质量的影响，可能产生较大的误差，一般无规律性。现又提出一种新的作图法(图6-10)。
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图6－10 交点法求P0值
（据王长科）
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根据p-s曲线特征，开始的曲线段因受土的扰动所致，直线段表示土处于末扰动状态的似弹性段，作曲线段的初始切线和直线段的延长线相交，其交点对应的压力即为P0值，其物理意义比较表明了是扰动和原状土接触点，表示土的原位水平应力值。该法考虑了成孔扰动的影响，合理简便。经检验，P0值随深度增加而增大，和理论计算值基本相符合．而又比理论计算更符合实际，不用估算ξ值，完全由夯压曲线即可求得P0值。只不过该法要求在试验初期采用小等级加荷，以便所测的旁压曲线能准确反映原状土和孔周扰动土的应力变形特性。
2、 似弹性变形阶段及区临塑压力Pf值的确定：指p-s曲线上的近似直线段，压力由Pom 增至Pf，直线段的终点压力称为临塑压力Pf(也称屈服压力或比例极限)，对应的体积增量为Vf 该区段内的土层变形，可视为线性变形阶段。各类土预钻旁压曲线的这一直线段，都比较明显。
临塑压力Pf：可按下列方法之一确定：
（1）、直线段的终点所对应的压力为临塑压力Pf。
（2）、可按各级压力下的30s到肋s的测管水位下降值增量ΔS60-30(或体积增量ΔV60-30)，或30s到120s的测管水位下降值增量ΔS120-30(或V120-30)同压力P的关系曲线辅助分析确定，即P-ΔS60-30或P—ΔS60-30，其折点所对应的压力即为临塑压力Pf。
3、塑性变形发展阶段和水平极限压力PL值的确定：指孔壁压力大于Pf以后的曲线段。曲线呈上凸形，斜率由大变小，表明土体中的塑性区的范围不断发展和扩大。从理论上讲，当曲线斜率趋于零时，即使压力不再增加，体变也会继续发展，表明土体己完全达到破坏状态，其相应的压力称为极限压力PL。实测时，由于测管水量限制，常常不出现这种情况，而是用体变增量达到或超过某一界限值时所对应的压力PL表示，PLPL称为名义上的极限压力。
极限压力PL按下列方法之一确定：
（1）、手工外推法：凭眼力将曲线用曲线板加以延伸，延伸的曲线应与实测曲线光滑而自然地连结，并呈趋向与S（或V）轴平等的渐近线，其渐近线与P轴的交点即为极限压力PL。。
（2）、倒数曲线法：把临塑压力Pf以后的曲线部分各点的测管水位下降值S(或体积V)取倒数1/S（或1/V），作P-1/S（或P-1/V）关系曲线(近似直线)，在直线上取1／（2So＋Sc或(1／(2Vo＋Vc))所对应的压力即为极限压力PL。
（3）、在工程实践中，常用双倍体积法确定极限压力PL。
式中：VL——PL所对应的体积增量(cm3)；
Vc——旁压器中腔初始体积(cm3)；
Vo——弹性膜与孔壁接触时的体积增量，即直线段与V轴交点的值(cm3)，国内常用测管水位下降值S表示，即：
式中：：SL——PL所对应的测管水位下降值(cm)；
Sc——与中腔原始体积相当的测管水位下降值。
So——直线段与S轴的交点所代表的测管水位下降值(cm)。
VL 或SL 所对应的压力即为PL。
在试验过程中，由于测管中液体体积的限制，使试验往往满足不了体积增量达到2 Vo ＋Vc (即相当孔穴原来体积增加一倍)的要求。这时，需凭眼力用曲线板将曲线延伸，延伸的曲线与实测曲线应光滑自然地连接，取SL (或VL )所对应的压力作为极限压力PL。
旁压试验受多种因素的制约，有资料表明，影响旁压试验成果的主要有钻孔质量、加压方式、旁压仪构造和规格、变形稳定标准及地下水等因素。
1、钻孔质量
由于预钻式旁压测试要预先钻孔，然后在钻孔中做测试，所以成孔质量对保证测试的精度及成果的获取甚为重要，是旁压测试成败的关键。
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图 6-11 旁压曲线的几何形状
|
预钻式钻孔试验要求钻孔垂直、光滑、横截面呈完整的圆形外，这样才能运用弹性理论和轴对称问题来研究有关计算公式，否则应力分布不均匀，影响测试的结果；同时还要应特别注意钻孔大小必须与旁压器直径相匹配，钻孔孔壁土体要尽可能少受扰动，只有这样，才能保证测试成果可靠；否则，特使测试结果——旁压曲线将无法应用，如图6—11所示。图中只有一条旁压曲线是正常的，其它曲线，由于成孔质量不合格而反常。缩孔曲线反映钻孔太小或有缩孔现象，旁压器被强行压人钻孔中。旁压曲线前段消失，是因为测试前孔壁己受到挤压，同时孔壁挤压旁压器，只有施加一定压力后，旁压器三腔体积才能恢复到原始状态，所以只有压力增加而无体积增量，求不出Po值。当孔壁被严重的扰动时，形成较厚的松动圈，加荷后反映在曲线上有一长段呈弧形上弯，说明扰动土层被压密，此时因旁压器的膨胀量所限，使试验达不到要求，呈现图中的曲线形态。若孔径太大，曲线上形成一长段的S0，则测管中的水量有相当一部分用来填补旁压器与孔壁之间的孔隙，造成测管中的水量不足，使试验达不到极限压力值。
当土质较硬(如硬粘土、中密以上的砂、风化或半风化岩石及某些砂砾石混合土)或钻孔深度较大(如。
2、加压方式
加压方式主要指等级与加压速率两方面。加压等级的选择和设计是个重要的技术问题。试验中如何加压等级选择不当，如过密，则会延长试验时间；过稀．则不易在旁压曲线上准确获得P0及Pf值。加压等级要根据土质情况而定。土的力学强度越低，加压等级越小：反之，则越大。
考虑旁压曲线首段变化较大的特点。为准确确定Po值，应在首段加密观测点，即一般土的临塑压力前压力级差要小一点，压力增量适当减小。这样可明确的确定P0和Pf值，待超过Pf值时要适当放大级差，否则将影响工作效率。
3、稳定变形标准的影响
旁压试验的加压稳定变形标准不同，对试验有一定的影响，特辑是对水平极限压力的影响较大，1分钟和5分钟产生的孔隙水压力是不相同的，土体排水的不同，其效果也不尽相同，国内规范规定了稳定时间为1、2分钟为标准。
4、旁压测试临界深度影响
在均质土层中进行旁压测试，Pf或PL自地表随埋探加大而明显增加；但到某一深度之后随埋深加大基本上保持不变．或增加趋势明显减缓，这一深度称为旁压测试的临界深度。尤其是在砂土中表现明显，临界深度随砂土密实度的增加而增加，一般临界深度为1—
另外地下水位的变化和旁压仪构造和规格的不同也会影响测试成果的精度。对地下水位随着时间变化较大的地方，水位的波动影响到压缩模量的变化，所以对这样的地区进行旁压试验时要考虑到地下水位的影响。
6.7 旁压测试成果的应用
旁压测试实质上是一种横向载荷试验。旁压测试与载荷变形观测、成果整理及曲线形状等方面都有类似之处，甚至有相同之处。但旁压测试设备重量轻，测试时间短，并可在地基土的不同深度上（茂盛是在地下水位以下的土层)进行测试，因而其应用比载荷测试更广泛。目前国内外旁压试验成果的应用主要有以下几个方面：
我国目前基本上采用临塑荷载和极限荷载两种方法来确定地基土体的容许承载力。水利部行业标准《土工试验规程》（SL237-1999）规定的方法如下：
1、临塑压力法：大量的测试资料表明，对于土质均匀或各向同性的土体，用旁压测试的临塑压力Pf减去土层的静止侧压力P0所确定的承载力与载荷测试得到的承载力基本一致。在国内在应用旁压测试确定地基承裁力f0时，一般采用下式：
式中，f0――地基承裁力
2、极限压力法：对于红粘土、淤泥等，其旁压曲线经过临塑压力后急剧拐弯，破坏时的极限压力与临塑压力之比值(PL／Pf)小于1.7。为安全起见，采用极限压力法为宜：
式中，F――为安全系数，一般取2—3。
对于一般土体宜采用临塑荷载法，对旁压曲线过临塑压力后急剧变陡的土，宜采用极限荷载法来确定地基土承载力。
建设部行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ-72-2004）规定fak推荐地基承载力特征值fak按下公式计算：
式中：ｐｍ――原位水平应力；
ｐｙ――临塑压力；
λ1、λ2――修正系数，λ1对于一般粘性土，可结合各地区工程经验取值；具体取值参照建设部行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ-72-2004）λ2取0.42-0.50，粉土取0.37-0.43，砂土取0.31-0.37。可根据经验取值，但λ1不应大于1.0，λ2不应0.5大于。
桩基础是最常用的深基础，其承载力由桩周侧的摩阻力和桩端承载力两部分提供。考虑到旁压孔周围土体受到的作用是以剪切为主，与桩的作用机理比较相近，因此，分析和建立桩的承载力和旁压试验结果之间的相关关系是可能的。Baguelin于1978年提出了估算单桩的容许承裁力：
式中：[qd]——桩端容许承载力(kPa)；
[qf]——桩侧容许摩阻力(kPa)；
建设部行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ-72-2004）建议，打入式预制桩的侧摩阻力特征值可根据旁压试验极限压力查表（表6-3）确定。桩端阻力特征值可按下式计算：
粘性土：qpa=pl
粉土：qpa=1.25pl
砂土：qpa=1.50pl
表6-3 打入式预制桩的侧摩阻力特征值qpa (kPa)
土性
|
旁压试验极限压力PL (kPa)
|
||||||||||||||||||||||
200
|
400
|
600
|
800
|
1000
|
1200
|
1400
|
1600
|
1800
|
2000
|
2200
|
2400
|
＞2600
|
|||||||||||
粘性土
|
5
|
12
|
18
|
25
|
32
|
37
|
40
|
43
|
45
|
|
|
|
|
||||||||||
粉土
|
|
12
|
20
|
26
|
33
|
38
|
42
|
46
|
48
|
49
|
50
|
|
|
||||||||||
砂土
|
|
|
20
|
27
|
34
|
42
|
47
|
50
|
53
|
55
|
57
|
59
|
60
|
||||||||||
对于钻孔灌注桩的侧摩阻力特征值为打入式预制桩的0.7-0.8倍，桩端阻力特征值为打入式预制桩的0.3-0.4倍。
地基土层夯压模量是反映土层中应力和体积变形(可表达为应变的形式)之间关系的一个重要指标，它代表了地基土水平方向的变形性质。
由于加荷方式采用快速法，相当于不排水条件，依据弹性理论，对于预钻式旁压仪，根据梅纳德（Menard）理论，在p-v曲线上的近似直线段，土体基本上可视为线弹性介质，根据无限介质中圆柱形状孔穴的径向膨胀理论，孔壁受力ΔP作用后径向位移Δｒ和压力ΔP的关系为：
式中：G为剪切模量。
|
图6—12 求旁压摸量原理图
|
旁压试验实测孔穴体积的变化所引起的径向位移变化为：
式中：L为旁压器测试腔长度，见图6—12
将(6—37)式代人(—36)式可得
在(6—25)式中，可取r为P—V曲线上近似直线段中点所对应的旁压孔穴半径ｒrn。这时，相应的孔穴体积为V，则：
式中；Vm——近似直线段中点对应的体积增量(cm3)；
其它符号意义同前。
弹性理论中剪切模量G与弹性模量E之间的关系式为：
我们将旁压测试中的E用Ern来表示，将式（6-25）和式（6-26）代入式（6-27），则可得到：
式中；Ern——旁压模量(kP a)；
μ——土的泊松比；
其余符号意义同前。
由上式可知，计算旁压模量通常用下式表示：
式中：Em――旁压模量(kPa)；
μ――泊松比；
Vf——与临塑压力Pf所对应的体积(cm3)；
Vc——旁压器量测腔初始固有体积(cm3)；
Vo——与初始压力P0对应的体积增量(cm3)；
Δp/ΔV――旁压曲线直线段的斜率(kPa/ cm3)。
国内也有采用测管水位下降值，即将体积值除以测管截面积，则式（6―29）可改为：
式中：Sc——与测试腔原始体积相当的测管水位下降值(cm)；
So，Sf——P-S曲线上直线段所对应的测管水位下降值(cm)；
Δp/ΔS――旁压曲线直线段的斜率(kPa/ cm)。
其余符号意义同前。
通常旁压模量Em 和变形模量E0的关系梅纳得（menard）建议用下式来表示：
式中：α――为土的结构参数，其取值在0.25-1.0之间，具体见表6-4所示
表6-4 土的结构参数常见值
土 类
|
Em/pL, α
|
超固结状态
|
正常固结土
|
扰动土
|
淤泥
|
Em/pL
|
|
|
|
α
|
|
1
|
|
|
粘土
|
Em/pL
|
＞16
|
9-16
|
7-9
|
α
|
1
|
0.67
|
0.5
|
|
粉砂
|
Em/pL
|
＞14
|
8-4
|
|
α
|
0.67
|
0.5
|
0.5
|
|
砂土
|
Em/pL
|
＞12
|
7-12
|
|
α
|
0.5
|
0.33
|
0.33
|
|
砾石和砂土
|
Em/pL
|
＞10
|
6-10
|
|
α
|
0.33
|
0.25
|
0.25
|
对于自钻式旁压试验，仍可采用上两式来计算旁压模量。由于自钻式旁压试验的初始条件与预钻式旁压试验长期保持不同，预钻式旁压试验的原位侧向应力经钻孔后已释放。两种试验对土的扰动也不相同，故两者的旁压模量并不相同，因此，在工程中应说明试验所用的旁压仪器类型。
变形模量是计算地基变形的重要参数，它是表示在无侧限条件下受压时，土所受的压应力与相应压应变之比。变形模量与室内试验求得的压缩模量之间的关系如下式所示：
式中：E0――土的变形模量(kPa)；
ES——土的压缩模量(kPa)；
μ――泊松比；
用旁压测试曲线直线段计算的变形模量公式，由于是采用的加荷比较慢，实际上考虑了排水固结的变形。而土的旁压模量也是所测曲线直线段斜率的函数，规范规定旁压模量的测试方法采用快速加荷的方式，所以土的旁压横量与土的变形模量不是相同的。
|
图6－13 两个变形区
Ⅰ区为球形应力张量引起的变形区
Ⅱ区为偏斜应力张量引起的变形区
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、估算地基沉降量
采用旁压试验法来预估沉降量可将沉降分为两个部分，见图（6-13），其计算式为：
S＝SA＋SB
式中：SA――球形应力张量引起的沉降；
SB――偏斜应力张量引起的沉降。
偏斜应力张量引起的沉降又可分为两部分，即
SB＝SBe+SBp 6-32）
式中：SBe――弹性沉降
SBp――非弹性沉降。
对任意的形状基本，球形应力张量引起的沉降计算公式为：
式中：P——基底压力(kPa)；
B——基础半径或半宽(cm)；
E0——变形模量，可根据式(6—30)中的旁压模量换算；
λA――形状系数，当基础为圆形基础时，λA为1，其它基础见表6-4所示。
式中其它符号意义同前。
偏应力张量引起的弹性变形和非弹性变形的总变形量为：
式中；B0――基础的参考半宽：取
α――土的结构系数（有一些参考书称为流变系数），由表6—4决定。
λB――形状系数，当基础为圆形基础时，λA为1，其它基础见表6-5所示。
式中其它符号意义同前。
表6—5 形状系数λ值
L/B
|
圆形
|
方形
|
2
|
3
|
5
|
20
|
λA
|
1.00
|
1.1
|
1.2
|
1.3
|
1.4
|
1.5
|
λB
|
1.00
|
1.12
|
1.53
|
1.78
|
2.14
|
2.65
|
由上式分析 可得到总地基土体变形量为：
值得注意的是采用旁压试验法估计的沉降量往往比采用弱性理论计算法得到的沉降要小。
目前在国内外一些生产单位的科研部门，利用旁压试验P-V曲线来模拟载荷试验的P-S曲线；也可以通过对比地基处理前后旁压曲线的临塑荷压力和旁压模量的数值，来检验经过地基处理后（强夯、堆载预压、真空预压等）加固的效果。
6.8 自钻式旁压测试
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图6—14 camekomter探头构造图
|
预钻式旁压试验需要预先成孔，这样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限制。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。英国剑桥大学和法国道桥研究中心70年代初分别开始研制自钻式旁压仪，并分别于1973年和1974年相继投人商品市场，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。
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。英国剑桥式自钻式旁压仪(简称camekomter和)和法国道桥式自钻式旁压仪(简称PAFSOR)。
英国剑桥式自钻式旁压仪是由探头(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。旁压器被压入地下预定位置后，停钻，关闭水泵，解除钻杆压力并开始试验。见图6—14是英国剑桥式自钻式旁压仪的探头构造图。是单腔，采用气体加压，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。见图6—14探头构造图。
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图6－15
PAFSOR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。
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法国道桥式自钻式旁压仪(简称PAFSOR)由探头(包括钻进器4、旁压器3和钻杆加压系统2)，见图6—15、压力容积控制器和同袖管路系统等组成。它是在旁压器下边装一个液压马达以带动切削器工作。为以驱动液压马达，地表设置液压泵，并通过管路与液压马达相连。旁压器有三腔，也可单腔工作，与预钻式旁压器类似，该仪器仍然用水施加压力于旁压器的水体积的变化来计算土体的变形。
我国也于80年代初相继研制出自钻式旁压仪，并投入使用。如建设部综合勘察院研制的MIM—l型自钻式旁压仪就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、加压装置和拾层装置等五个部分。地上、地下备相应部分由水、气、电管路系统连接，使之协调地进行工作。
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
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。
自钻式旁压器试验的最主要成果是旁压曲线（P-ｘ曲线），以旁压器的加压主方式不同，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＝Δｒ/ｒ，道桥型液压式指ΔV/V0，国产PYHL—1型则指测管的水位降。对于等容剪切理论，应变ε与ΔV/V0之间有下述简单的关系：
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图6－16 自钻式旁压曲线及特征值
|
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。
自钻式旁压曲线如图6-16所示。把它和预钻式旁压曲线图6—9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初始曲线段、似弹性变形直线段和塑性变形发展曲线段，而自钻式旁压曲线却缺失首曲线段，只有似直线段和后部分曲线段。
产生两条曲线不同的主要因素是：预钻式旁压曲线的首曲线段表示试验开始时旁压据和钻孔之间有空隙，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形。Pom是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。后部分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。
1．通过自钻式旁压曲线可以得到下列6个试验指标：
（1）、P20：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。
（2）、P4：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。
（3）、P0：为土的原始水平应力。
（4）、K0：为土的侧压力系数，楞由下式求得：
式中：μ——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)。
（5）、τ-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。
曲线为图6—16虚线所示。各剪应力τ值为图中旁压曲线上与“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值。
（6）、不同ｘ值对应的剪切模量Gｘ
2． 在自钻式旁压曲线上确定地基土体际载力、旁压模量和确定土类：
（1）、在国内在应用自钻式旁压测试确定地基承裁力f0时，一般采用下式：
式中，f0――地基承裁力
（2）、若在旁压曲线上的比例界限出现后曲线很快转弯，出现极限破坏时，则可用下式确定地基土的承载力：
式中，F――为安全系数，一般取2—3。
(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：
式中，Sc=
(4)、鉴定土类。法国等人通过对比试验资料分析，提出了特征系数β，通过β可以对土进行定名：β＜25％为灵敏粘土，25％＜β＜40％为粘土，35％＜β＜50％为粉土和松砂，45％＜β＜60％为密实砂，β＞60％为极密实砂。
(5)、计算基础沉降。法国Baguelin建议按照梅纳德(menard)理论来计算基础沉降，其公式如下：
式中：S——基础沉降量(cm)；
P——基底单位荷载(kPa)；
B0——基础参考宽度，取B0＝
自钻式夯压试验应用历史较短，但是它能最大限度地减少土体的扰动，尤其是对那些高灵敏的土体，如软土，有着很大的发展潜力，相信在不久的将来，对旁压的相关测试指标的应用将会得到较大的发展。
主要参考文献：
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