CN107016204A - 一种确定旁压试验水平基床系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体地指一种确定旁压试验水平基床系数的方法。本发明通过在试验场地钻孔，并对钻孔进行配置专用泥浆护壁，测量压力和旁压器体积该变量的关系，通过换算得到p～Δr曲线，然后根据p～Δr曲线得到初始压力p₀和临塑压力p_F，以及各自对应的旁压器径向位移r₀和r_F，依据这些参数计算出该土体的水平基床系数。整个试验方法简单，快捷，能够大幅度降低旁压试验确定水平基床系数的难度，并且提高了水平基床系数试验的精度，有利于大范围的推广使用。

Description

一种确定旁压试验水平基床系数的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体地指一种确定旁压试验水平基床系数的方法。

背景技术

近年来，随着我国基础设施建设的迅猛发展，地下空间与隧道工程成为一个重点的研究领域。目前在地下空间与隧道工程的设计中，通常采用“土抗力法”(又称“竖向弹性地基粱法”)，该方法引用横向抗力的概念，将坑内侧被动土压力对支护结构的作用用弹性抗力系数模拟，根据弹性地基梁法计算支护结构的变形和内力。支护结构内侧被动区土体弹性抗力系数称为水平基床系数K_h，是“土抗力法”的关键参数，其取值的大小、分布形式直接决定被动区土对支护结构提供抗力的大小，也直接决定支护结构的内力与变形，对工程造价、安全性、可靠性均有重要影响。

目前旁压试验是测试土层水平基床系数的一种常用的原位测试技术，国内外多位学者对其计算方法进行了研究。国内还未有大家认可、成熟、通用的方法，《上海市工程建设规范<岩土工程勘察规范>》(DGJ08-37-2012)提供的方法仅仅是计算旁压试验水平基床系数的试验值，未考虑基础尺寸的影响，未进行尺寸修正，计算结果显著偏大，无法在工程设计中直接应用；法国梅纳研究中心提出的建议公式(简称“梅纳法”)是国外应用比较广泛的方法，其考虑了尺寸修正，计算结果相对比较合理，但计算公式复杂，且需要知道土体泊松比等多个参数才能应用，应用难度较大；日本《建筑物基础的抗震设计规范》建议的公式(简称“日本法”)是通过回归分析建立的旁压模量、基础尺寸与水平基床系数的经验公式，对尺寸影响修正缺乏理论推导，理论依据不足。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术中提到的现有测量方法需要通过获得其他试验参数才能得到基床系数以及现有计算方法公式较为复杂、应用难度大的缺陷，提供一种确定旁压试验水平基床系数的方法。

本发明的技术方案为：一种确定旁压试验水平基床系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、利用钻机在旁压试验场地钻孔，垂直钻进至需要做旁压试验的深度；

2)、根据地层特点配置合适的泥浆，在钻进过程中将配置好的泥浆倒入到钻孔内保护钻孔孔壁；

3)、将旁压器安装至试验深度，逐级对旁压器加压，测出不同膨胀压力p下旁压器的体积膨胀量ΔV，绘制出p～ΔV试验曲线，根据曲线确定初始压力p₀及其对应的旁压器体积膨胀量ΔV₀，通过旁压器体积膨胀量ΔV₀换算出与初始压力p₀对应的旁压器半径r₀；

4)、根据p～ΔV试验曲线，计算不同压力p下对应的钻孔孔壁土体径向位移Δr，以初始压力p₀为起点绘制出p～Δr曲线，根据p～Δr曲线计算该土体在线弹性阶段时的最大临塑压力p_F以及在临塑压力p_F下对应的土体径向位移Δr_F，通过换算得到对应的旁压器半径r_F；

5)、根据下列公式计算水平基床系数：

式中，p₀——旁压器外膜接触到钻孔孔壁时施加的压力(kPa)，

P_F——土体在线弹性阶段时承受的最大临塑压力(kPa)，

r₀——旁压器的外膜接触到钻孔孔壁时的旁压器半径(m)，

r_F——旁压器在土体承受最大临塑压力时的半径(m)，

K_h——对于任意直径或宽度的基础旁压试验水平基床系数(kN/m³)，

B——基础直径或宽度(m)，

α——梅纳结构系数。

进一步的所述的步骤2中根据地层特点配置泥浆，对于成孔孔壁易坍塌的砂类土、粉土及软土地层，泥浆的配置比例为按照重量比例选取水：膨润土：纯碱：Na-CMC＝1000:150～200:5～10：3～6混合均匀制备为泥浆.

进一步的所述的步骤2中根据地层特点配置泥浆，对于成孔质量较好的坚硬黏性土或岩层，直接利用清水代替泥浆。

进一步的所述的步骤5中计算初始压力p₀及其对应的旁压器径向位移r₀以及最大临塑压力p_F及其对应的旁压器径向位移r_F的方法为：p～ΔV试验曲线上第一个反转点对应的初始压力p₀，即旁压器外膜与土体起始接触时的压力，根据初始压力p₀对应的旁压器体积膨胀量ΔV₀通过体积换算公式可计算出r₀；根据体积换算公式，参照p～ΔV试验曲线计算出不同压力p下对应的土体径向位移Δr，然后绘制出p～Δr曲线，选取p～Δr曲线的初始段近似为直线段处理，其中该段的起始点即为初始压力p₀，对应的土体径向位移Δr₀为0，该段的终点即为该地层土体能够承受的最大临塑压力p_F及其对应的土体在临塑压力下的径向位移Δr_F，加上初始压力p₀对应旁压器外膜的半径r₀即可得到旁压器在临塑压力下的外膜半径r_F。

本发明的优点有：1、本发明通过配置专用的泥浆对钻孔孔壁进行保护，保证了钻孔的安全进行，提高了钻孔效率，保证了钻孔结构，提高了试验结构的精确性；

2、本发明通过使用p～Δr来确定压力和土体径向位移的变化关系，解决了传统技术使用p～ΔV试验曲线存在误差大、精度差的问题，p～Δr试验曲线能够更加精准地反应压力和位移之间的变化，提高了试验的精度；

3、本发明采用了新的计算公式，所使用的数据均为试验中可以直接得到的，解决了现有技术需要使用进行二次试验测定泊松比导致整个试验繁杂，工序繁多的问题，降低了试验难度，提高了试验的精度。

本发明提供一种预钻式旁压试验计算水平基床系数的方法，其优点是考虑了基础尺寸对水平基床系数的影响，进行了尺寸修正，公式较为简单且参数少，计算结果与工程实际较为相符，可直接用于工程设计。解决了目前国内一直没有一种成熟的考虑基础尺寸影响的预钻式旁压试验水平基床系数计算方法的问题，为地下空间工程及隧道工程设计解决了难题。

附图说明

图1：p～ΔV试验曲线；

图2：p～Δr试验曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例的旁压试验水平基床系数的试验方法包括以下步骤：

1、安装设备：平整试验场地，安装钻机设备，对设备进行调平，保证在钻探过程中钻杆的垂直度符合要求。

2、泥浆制备：目前预钻式旁压试验主要应用于成孔质量相对较好的硬可塑～坚硬黏性土、密实的砂类土、岩层，不需特制泥浆，对于这类土体可以使用清水代替泥浆；

对于成孔孔壁易坍塌的砂类土、粉土及软土，由于这类土体较易坍塌，如果不对土体进行保护难以形成结构完整的钻孔，因此本实施例对于这类土体配置专用的泥浆对孔壁进行保护，泥浆的配置比例为按照重量比例选取水：膨润土：纯碱：Na-CMC＝1000:150～200:5～10：3～6混合均匀制备为泥浆，这种泥浆能够对孔壁形成良好的支撑效果，避免孔壁的垮塌，其中较好的一种配比为，按照重量比例选取水：膨润土：纯碱：Na-CMC＝1000:150:7.5：5混合均匀制备为泥浆。

3、钻机成孔：选用直径为75mm的无芯钻头，利用机械钻机钻进至需要做旁压试验的深度，钻进过程中利用配置好的泥浆进行护壁，确保在需要做旁压试验深度上、下各1m高度范围内孔壁直径为76～80mm圆柱状孔。

4、预钻式旁压试验：把旁压器安放至试验深度，逐级对旁压器进行(旁压器为圆柱体结构，外层保护外模，旁压器的上端连接气管，通过向气管内鼓入高压氮气，迫使旁压器的外膜沿其径向方向扩张，从而产生挤推孔壁的力)加压，测出不同膨胀压力p下旁压器的体积膨胀量ΔV，并绘制p～ΔV试验曲线(如图1所示)，p～ΔV曲线第一个反转点对应压力为初始压力p₀，实际上这个初始压力是旁压器的外膜开始接触到孔壁时的压力，此时土体的形变量为0，而对应的旁压器的体积膨胀量ΔV₀。

5、土体径向位移：可按下列公式计算旁压器在不同压力p下的土体径向位移Δr，并绘制p～Δr曲线(如图2所示)：

Δr＝r-r₀ (3)

式中，Vc——旁压器测量腔固有体积(cm³)；

ΔV——不同测试压力p下旁压器体积膨胀量(cm³)；

p₀——p～ΔV曲线上第一个反转点对应的压力，称为初始压力(kPa)；

ΔV₀——p～ΔV曲线上初始压力p₀对应的旁压器体积膨胀量(cm³)；

r₀——初始压力p₀对应的旁压器的半径(m)；

r——压力大于初始压力p₀时的旁压器的半径(m)；

Δr——不同测试压力p对应的土体径向位移(m)；

h——旁压器的轴向长度(m)。

6、临塑压力p_F及其对应的土体径向位移Δr：在p～Δr曲线(见图2)上作图找出近似直线段，直线段可认为土体变形为近似线弹性阶段，其起点对应初始压力p₀，其对应的土体径向位移为0，终点即为临塑压力p_F，其对应的径向位移即为Δr_F，Δr_F叠加r₀即可得到旁压器在临塑压力下的外膜半径r_F。

7、计算水平基床系数：根据下列公式计算水平基床系数：

式中，p₀——旁压器外膜开始接触到钻孔孔壁时施加的压力(kPa)，

p_F——土体在线弹性阶段时承受的最大临塑压力(kPa)，

r₀——旁压器的外膜开始接触到钻孔孔壁时的旁压器半径(m)，

r_F——旁压器在土体承受最大临塑压力时的半径(m)，

K_h——对于任意直径或宽度的基础旁压试验水平基床系数(kN/m³)，

B——基础直径或宽度(m)，

α——梅纳结构系数。

其中梅纳结构系数α根据下表确定：

表1 梅纳结构系数α值

8、计算基准水平基床系数：特定义基础尺寸B宽度为0.3m对应的水平基床系数为基准水平基床系数K_h1，可按下式计算：

式中，K_h1——旁压试验基准水平基床系数(kN/m³)。

为了验证本发明提供的预钻式旁压试验计算水平基床系数方法(简称“本发明法”)的可靠性，结合高速铁路、城市轨道交通等工程勘察项目，选择了湖北武汉、上海浦东、江苏丹阳、浙江温州、福建厦门、安徽凤阳与宿州、山西太原等地区的预钻式旁压试验数据进行统计分析，并与《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)附录H经验值进行对比分析(见表1)。表1中的统计分析数据涉及流塑～硬塑的黏性土、稍密的粉土、松散～中密的砂类土，具有广泛的地区代表性。从表2中可以看出，“本发明法”计算的基准水平基床系数与规范提供的经验值较为接近。因此，本发明提供的旁压试验计算水平基床系数的方法，计算结果可靠，与工程实际较为相符，满足工程设计要求。

表2 预钻式旁压试验基准水平基床系数K_h1(MPa/m)统计表

本发明提供一种预钻式旁压试验计算水平基床系数的方法，其优点是考虑了基础尺寸对水平基床系数的影响，进行了尺寸修正，公式较为简单且参数少，计算结果与工程实际较为相符，可直接用于工程设计。解决了目前国内一直没有一种成熟的考虑基础尺寸影响的预钻式旁压试验水平基床系数计算方法的问题，为地下空间工程及隧道工程设计解决了难题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种确定旁压试验水平基床系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、利用钻机在旁压试验场地钻孔，垂直钻进至需要做旁压试验的深度；

2)、根据地层特点配置合适的泥浆，在钻进过程中将配置好的泥浆倒入到钻孔内保护钻孔孔壁；

3)、将旁压器安装至试验深度，逐级对旁压器加压，测出不同膨胀压力p下旁压器的体积膨胀量ΔV，绘制出p～ΔV试验曲线，根据曲线确定初始压力p₀及其对应的旁压器体积膨胀量ΔV₀，通过旁压器体积膨胀量ΔV₀换算出与初始压力p₀对应的旁压器半径r₀；

4)、根据p～ΔV试验曲线，计算不同压力p下对应的钻孔孔壁土体径向位移Δr，以初始压力p₀为起点绘制出p～Δr曲线，根据p～Δr曲线计算该土体在线弹性阶段时的最大临塑压力p_F以及在临塑压力p_F下对应的土体径向位移Δr_F，通过换算得到对应的旁压器半径r_F；

5)、根据下列公式计算水平基床系数：

式中，p₀——旁压器外膜开始接触到钻孔孔壁时施加的压力(kPa)，

P_F——土体在线弹性阶段时承受的最大临塑压力(kPa)，

r₀——旁压器的外膜开始接触到钻孔孔壁时的旁压器半径(m)，

r_F——旁压器在土体承受最大临塑压力时的半径(m)，

K_h——对于任意直径或宽度的基础旁压试验水平基床系数(kN/m³)，

B——基础直径或宽度(m)，

α——梅纳结构系数。

2.如权利要求1所述的一种确定旁压试验水平基床系数的方法，其特征在于：所述的步骤2中根据地层特点配置泥浆，对于成孔孔壁易坍塌的砂类土、粉土及软土地层，所述泥浆为按照重量比例选取水：膨润土：纯碱：Na-CMC＝1000:150～200:5～10：3～6混合均匀制备而成的护壁泥浆。

3.如权利要求1所述的一种确定旁压试验水平基床系数的方法，其特征在于：所述的步骤2中根据地层特点配置泥浆，对于成孔质量较好的坚硬黏性土或岩层，所述的泥浆为清水。

4.如权利要求1所述的一种确定旁压试验水平基床系数的方法，其特征在于：所述的步骤4中计算初始压力p₀及其对应的旁压器径向位移r₀以及最大临塑压力p_F及其对应的旁压器径向位移r_F的方法为：p～ΔV试验曲线上第一个反转点对应的初始压力为p₀、对应的旁压器体积膨胀量为ΔV₀，根据旁压器体积膨胀量ΔV₀换算得到r₀；

根据体积换算公式，参照p～ΔV试验曲线绘制出p～Δr曲线，选取p～Δr曲线的初始段近似为直线段处理，其中该段的起始点即为初始压力p₀，对应的土体径向位移Δr₀为0，该段的终点即为该地层土体能够承受的最大临塑压力p_F及其对应的土体在临塑压力下的径向位移Δr_F，Δr_F叠加r₀即可得到旁压器在临塑压力下的外膜半径r_F。