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岩体的原位试验包括变形试验、强度试验和地应力测试3个方面。在变形试验中,有测定岩体各种模量的承压板法和液压枕法，以及测定隧洞围岩抗力系数的经向液压枕法和水压法。强度试验主要为岩体的直剪和抗压试验。抗压试验常与承压板法变形试验结合进行。原位三轴试验也在探索研究中。地应力测试可在钻孔（孔底、孔壁和孔径）中或岩体、地下洞室围岩表面上进行，直接测得岩体的应变，再用岩体变形参数计算地应力。

土体的原位试验主要包括以下项目：①载荷试验，是在试坑或钻孔中模拟天然地基条件施加垂直荷载，观测沉降与荷载的关系。根据荷载与沉降关系曲线确定地基土体的承载力和计算变形模量。②旁压试验，是将旁压器安置在钻孔中，通入高压水使旁压器向孔壁施加水平压力，孔壁土体发生变形，测量压力与孔壁土体的变形，绘出压力-变形曲线,并据以求得地基承载力。③十字板剪切试验,是将十字板头（由4块矩形钢板呈十字形焊接在轴杆上）压入钻孔中，等速转动轴杆带动十字板头，根据对所施加的纯扭矩与土体对十字板头的阻抗力矩相平衡的原理，计算土体的抗剪强度。此种试验仅适用于饱水的粘性土。④触探，是将一定形状的特制探头压入或用重锤击入钻孔孔底，根据土体对探头贯入的阻抗力，求得土体的某些工程地质参数。用静力将锥形探头压入土体中的为静力触探，由试验可直接测得贯入阻力以及锥头阻力和侧壁摩擦力。利用它们可以对土体分层，确定土体的承载力，或者通过经验关系或估算粘性土体的压缩变形指标、饱水粘性土体的抗剪强度以及砂土的密实度等。用一定质量的重锤将锥形探头击入土体中的为动力触探。动力触探以一定落矩将探头击入土体中一定深度所需要的锤击数为主要指标。标准贯入试验实质上是一种管状探头（常称为标准贯入器）的动力触探。根据不同类型动力触探的锤击数，可以确定不同类型土体的地基承载力，或者通过经验关系，估算粘性土和砂土的抗剪强度，以及粘性土的压缩变形指标，判断粘性土的稠度状态以及砂土的密实度和振动液化的可能性。

在工程实践中，关于试验的类型、项目、条件和方法的选定，取决于拟建建筑物的类型和规模，岩、土体的工程地质类型，以及建筑物建成后岩、土体实际的存在条件。

　旁压测试法的仪器设备和安装调试

旁压试验的主要成果是旁压P-S、P-V曲线，可从曲线上求出一些和土的性质有关的参数。

1.数据校正

在绘制P-S曲线之前，须对试验记录中的各级压力及其相应的测管水位下降值进行校正：

（1）压力校正，其公式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

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）。静水压力，可采用下式计算（图5—22）：

无地下水时　

有地下水时　

式中：h0——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）;

hw——地下水位离孔口的距离（m）；

γw——水的重度（10kN/m3）;

（2）测管水位下降值，其校正公式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

图5—22　静水压力计算示意图

式中：S——校正后的测管水位下降值（cm）;

Sm——实测测管水位下降值（cm）；

α——仪器综合变形校正系数（cm/kPa）；其它符号意义同前。

2.绘制压力P与测管水位下降值S曲线

（1）先定坐标。国外多以纵坐标为压力P（kPa），横坐标为测管水位下降值S（cm）。和一般材料的应力－应变曲线绘制格式相同。比例尺选用1cm代表100kPa或1cm测管水位下降值，也可根据具体情况选定。对于坐标系，也可以规定横坐标为压力P，纵坐标为水位下降值S，与载荷曲线绘制格式类似。对于同一个勘测或研究单位，最好统一格式，以便比较，但格式的差异不影响试验成果的解释。

（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为测管内的体积变形量（cm3），其换算公式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：A——测管内截面积（cm2）;

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：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：V——校正后的体积（cm3）;

Vm——Pm+Pw所对应的体积（cm3）；

其它符号意义同前。

校正后，即可绘制P-V曲线。

3.曲线特征值的确定和计算

利用旁压试验确定地基土参数，首先要从旁压试验的P-S或P-V曲线上求取特征值。下面先分析一下典型的预钻式旁压曲线特征。

（1）旁压器在逐级受压的情况下，孔壁土体相应经历了三个变形阶段，反映在P-S（或P-V）曲线上，可以明显划分为三个区，见图5—23。

图5—23　预钻式旁压曲线及特征值

①恢复区：该区压力逐渐由零增加到P0m，曲线下凸，斜率△P/△V由小变大，直到在P0m处趋于直线段。其原因是：开始时旁压器弹性膜膨胀，不受孔壁土体的阻力，只填充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P0m（对应的体积增量为V0m）。

从理论上讲，曲线中直线段的起点P0m应相当于测试深度处土的静止侧压力P0。但是，由于预先钻孔，因孔壁土体受到了扰动等，P0m值一般都大于P0值。Baguelin（1973）等比较了P0m和P0（P0由自钻式旁压曲线求得）随深度变化的情况。在粘土层的各个深度上，P0m都大于P0，但两条曲线基本平行，故它们的差值接近于一个常值。

②似弹性区：指P-S曲线上的近似直线段，压力由P0m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。

③塑性发展区：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，表明土体已完全达到破坏状态，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，PL称为名义上的极限压力。

（2）根据预钻式旁压P-S曲线的特征，可以求取三个特征值：

①静止侧压力P0：可以用计算法或图解法求取P0值。

i.计算法：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：ζ——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）;

u——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，u=0；在地下水位以下，按下式计算：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

符号意义同前，此种方法要预估ζ。

ii.图解法：由于P0m值一般都大于P0值，因此基于图解法求P0的基本想法均是往小的方向修正P0m。应用较多的方法有：

a.将旁压曲线直线段延长，与S（v）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P0。

b.上述作图法受成孔质量影响很大，一般无规律性。现又提出一种新的作图法（图5—24）。

图5—24　交点法求P0值（据王长科）

根据P-S曲线特征，开始的曲线段因土的扰动所致，直线段表示土处于未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，其物理意义比较明确（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，和理论计算值基本符合，而又比理论计算更符合实际，不用估算ζ值，完全由旁压曲线即可求得P0值。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临塑压力Pf：可按下列方法之一确定：

i.直线段的终点所对应的压力为临塑压力Pf。

ii.可按各级压力下的30s到60s的测管水位下降值增量△S60-30（或体积增量△V60-30），或30s到120s的测管水位下降值增量△S120-30（或△V120-30）同压力P的关系曲线辅助分析确定，即P－△S60-30或P－△S120-30，其折点所对应的压力即为临塑压力Pf。

③极限压力PL：按下列方法之一确定：

i.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接，并呈趋向与S（或V）轴平行的渐近线时，其渐近线与P轴的交点即为极限压力PL。

ii.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/（2S0+Sc或（1/（2V0+Vc））所对应的压力即为极限压力PL。

iii.在工程实践中，常用双倍体积法确定极限压力PL。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：VL——PL所对应的体积增量（cm3）;

Vc——旁压器中腔初始体积（cm3）;

V0——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：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

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，PY型国产旁压仪为32.1cm;

S0——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2V0+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。

以上P0、Pf、PL的单位均为kPa。

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为江苏漂阳市仪器厂，生产PY型旁压仪，已有三代产品。80年代主要生产PY-1型和PY-2型；在此基础上，90年代又生产了PY-3型预钻式旁压仪。现以国产PY型旁压仪为例（图5—10），简述其设备及其安装调试。

（一）设备

预钻式旁压试验的主要设备为旁压仪。它主要由以下四部分组成。

1.旁压器

它是旁压仪中的最重要部件，由圆形金属骨架和包在其外的橡皮膜所组成。旁压器一般为三腔式，中间为主腔（也称测试腔），上、下为护腔。主腔和护腔互不相通，护腔之间则相通，把主腔夹在中间。测试时，高压水从控制单元通过中间管路系统进入主腔，使橡皮膜沿径向（横向）向周围土体膨胀，压迫周围土体，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。

图5—10　PY-2型旁压仪管路（结构）图

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。旁压器分裸体和带金属铠保护膜两种。对一般各类粘土，可直接使用裸体旁压器；如遇到土层中含有碎石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铠保护膜进行测试，其主要作用是保护弹性膜，使旁压测试能正常进行。

目前，PY-2型和PY-3型旁压器外径均为50mm（带金属铠装护套时为55mm），测试腔长度均为250mm，体积为491cm3（带金属铠装护套者为594cm3）。旁压器总长度为500mm。上、下腔（护腔）之间用铜导管沟通，而与中腔隔离。

2.压力和体积控制箱

通常，预钻式旁压仪的控制单元为设置在三角架上的一个箱式结构。它包括变形量测装置和加压稳压装置两大部分。前者主要有测管、辅管（PY-3型只有测管，其内截面为14.32cm2，容积为650cm3）、水箱及各类阀门等部件；测管和辅管皆用有机玻璃制造，最小刻度为1mm,PY-2型测管内截面积为15.28cm2,PY-3型还配有液位显示仪，分辨率可提高到0.1mm。这部分的主要功能是控制进入旁压器的水量，由测管或液位仪测读孔壁土体受压后的相应变形值。加压稳压装置包括高压氮气瓶或人工打气筒、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。总之，土体所受压力和相应体积变形（通过量测测管水位下降值来实现）的关系通过控制箱得到了实现。

3.管路系统

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（图5—11）。管路由尼龙1010材料制成，能经受高压，其长度由最大测试深度决定，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。

图5—11　PY-3型旁压仪管路图

4.成孔工具等配件

预钻式要预先成孔，其成孔工具主要是勺钻（图5—12），配有高强度钢制造的勺形钻头、探杆和提土钻头。适用于一般粘性土。对于坚硬土层，应用轻型钻机成孔。

图5—12　成孔工具

PY型旁压仪适用于在粘性土、粉土和砂土等地层中进行测试。地层中如含有角砾石等，应用带金属铠装护套的旁压器，以免刺破橡皮膜。目前的测试压力已提高到2.5MPa，深度可达20m。如果选用强度更高的材料，提高阀门在高压下的密封性，其测试压力和深度还可提高。国外同类产品中，其测试压力已达12.5MPa（如Ménard GB型预钻式旁压仪），测试深度可达50m；有的已达70MPa，可测硬岩石（如美国Goodman52101型）。

（二）旁压仪的维修和保养

1.仪器主要部件的构造和维修

（1）皮膜式控制阀：其结构如图5—13示。

图5—13　皮膜式控制阀

1—旋轮；2—导向螺杆；3—拼帽（螺母）；4—阀塞；5—压环；6—皮膜；7—阀座

当顺时针旋转旋轮时，螺杆推动阀塞紧压皮膜于孔壁口，管路断开；当反时针转动旋轮时，皮膜靠自身弹力和管路中内压恢复原位，管路连通。以此达到使管路开闭的控制作用。

皮膜式阀门的优点是：密封性能良好，耐压高。缺点是：开闭无固定位置，操作凭手感，皮膜容易损坏或切入孔内，使管路堵塞，影响工作。闭合管路时，不宜将皮膜式阀门拧得过紧。工作完毕，必须将所有阀门松开，让皮膜回复至自由状态。一旦皮膜损坏，必须立即更换。

更换皮膜的顺序如下：将旋轮1旋下，松开螺母3，旋松导向螺杆2，并取下；用镊子取出压在皮膜上的压环5，取出旧皮膜6，换上新膜。更换新膜时，注意皮膜鼓形应向外。装配按拆卸的逆顺序进行。装配导向螺杆2时，注意不要拧得过紧，也不宜过松。过紧，皮膜紧密贴合孔口，使管路不畅通；过松，导致漏水漏气。

（2）卡套式管接头：其构造如图5—14示。

图5—14卡套式管接头

1—接头体；2—压紧螺母；3—密封圈；4—接管

该接头是靠压紧螺母2紧压密封圈3，使变形紧密贴合接管和接头体，形成硬性密封。装配试压后不宜拆卸，倘因需要拆修，再行装配后，其密封性能会显著下降。如无法保持其工作要求时，必须更换密封圈。更换方法如下：用细齿锉将密封圈锉开取下，注意不能锉伤接管，换上新的密封圈即可。当取下已损坏的密封圈，发现接管已经变形时，须同时更换接管，以保证接合质量。

（3）调压阀：构造如图5—15示。

调压阀的平衡工作原理是：顺时针旋动调压手柄1，主弹簧3压紧平衡膜片4，使顶杆6与溢流口14贴合，并沿轴向移动，推开进气堵头8，使工作室进气。当工作室和管路气压升至定值时，平衡膜片反向受压移动，顶杆受下弹簧9之力，经下顶杆11、堵头等传递回升，关闭进气口停止进气。当工作室和管路气压超过定值时，平衡膜片受工作室气压作用，压缩主弹簧向上移动，致使溢流口打开放出余气，气压降至定值。当工作室和管路因体积变化等原因使气压下降时，平衡膜又受主弹簧的作用将溢流口关闭，并推开进气口，使之进气升压。如此不断循环，达到稳压作用。

调压阀是仪器的关键部件。调压阀的精度直接影响试验成果的准确性；使用时，在未接通气源或气压时，不得旋动调压手柄进行无效调压。工作结束后，应立即将手柄旋松，使主弹簧恢复常态，以延长其工作寿命，并保持有相当的精度。

调压阀的常见故障及排除方法：

①调压后压力指针“爬行”：“爬行”主要是由于气流介质夹杂尘埃积聚在堵头表面，使进气口和堵头不能密合造成的；其次是因长久使用，堵头表面已有明显压痕，致使表面不平，与进气口无法密合。其排除方法是：旋下下气室12，从导套13中取出堵头，在放大镜下用酒精清洗堵头表面，使之无尘埃粘着。同时，用镊子夹带酒精药棉擦洗进气口端面；清洗时，注意防止将表面碰伤和出现划痕。倘在放大镜下观看已有划痕和碰伤时，必须更换堵头或进气口。

图5—15　调压阀构造图

1—手柄；2—上筒体；3—主弹簧；4—平衡膜片；5—阀体；6—顶杆；7—进气口；8—堵头；9—下弹簧；10—调节螺丝；11—下顶杆；12—下气室；13—导套；14—溢流口

②溢流口耗气：即溢流口在未超过额定工作压力时即自行排气不止。其排除方法是加大顶杆和溢流口的接触压力。将调节螺丝10顺时针往紧的方向旋动，至不耗气为止（考虑到调压阀的灵敏度，不宜拧得过紧）。若仍耗气时，必须取下溢流口，并将其接触平面进行研磨，使其与顶杆球面均匀接触。

③下气室漏气：一般是因下顶杆密封套老化所致，此时需更换密封胶套。

（4）快速接头：其组成结构如图5—16示。由于经常使用，使密封圈2磨损，影响密封性时，须立即更换。测试工作完毕，取下快速接头插管3后，应套上护套，严防泥沙从插管口进入导管内，损坏仪器。

图5—16　快速接头

1—插座；2—密封圈；3—插管

（5）旁压器：旁压器是测试用探头。其结构如图5—17示。

图5—17　旁压器构造图

1—导压、导水管；2—弹性膜；3—漏筒瓦；4—中心导管；5—铜节头；6—内压紧圈；7—管拼靴；8—拼帽；9—外压紧圈

当旁压器弹性膜破损需更换时，更换顺序如下：

①用小刀将旧膜割开，取下管拼靴7，松开各铜节头拼帽8，取下旧膜，同时取下两端铜节头上的内、外压紧圈6、9和拼帽；

②取下上、、下辅腔漏筒瓦，清洗杂质；

③将新膜内壁涂上肥皂液，从旁压器一端套进，并穿过该端中铜节头外压紧圈，经中腔漏筒瓦，使新膜位置与旁压器骨架位置正好相当，并套上两中铜节头外压紧圈；

④将新膜一端外翻（外翻时注意将膜与膜之间涂以肥皂液，以利润滑），直至露出中铜节头内压紧圈位置为止；

⑤套上内压紧圈，用勾形扳手将拼帽拼紧；

⑥装上端漏筒瓦（注意对号），将翻过端皮膜重又翻回；

⑦先后套上外压紧圈、内压紧圈、拼紧拼帽；

⑧另一端也按④—⑦顺序操作。

注意事项：各段皮膜经装配后必须紧密贴合旁压器骨架上，防止松弛。

2.仪器的装配和使用

（1）仪器装配：用三脚架作支座，用M20滚花铜螺母联结。

（2）高压氮瓶与仪器的联接：若使用高压氮气源时，将仪器附件减压表进气口端与氮瓶联结，出气口接上φ6×1尼龙管，另一端与仪器注有“氮气源”字样的接头联接。

3.旁压仪的调试

工作前，应对仪器进行调试，其目的是检查仪器是否正常；倘有异常现象，必须处理排除，以免工作中断。

（1）工作前的注水标准检查：按操作顺序注水，发现注水缓慢或不进水时，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：给储气罐加压至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，凡有渗漏者，需立即更换弹性膜。

（3）内插管使用方法说明：

图5—18　3号孔内插管（图中数字为孔号）

此种内插管是3号孔专用的。做弹性膜约束力校正试验时，要把此种管拔出3号孔；试验完毕后，重新插入做其它试验。

此种内插管可在1号、2号及氮气源中互配使用。

4.显示仪调整使用说明

（1）将仪表接通电源，联接电测管输出插头；在测试前，预热半小时后方可进行校正。

（2）校正时，需将旁压器1号、2号孔快速插头拔出，换上本仪器配用的专用插头连接管，使1号、2号孔沟通。

（3）校正过程：

图5—19　1,2及氮气源孔专用插管

①按操作顺序注水，将测管水位注满至零刻度线处，然后调整调零旋纽至显示仪表输出为400mV；

②打开注水阀，稍加压（压力应小于0.05MPa，将水回至水箱）使测管水位逐渐降至测管400mm处，调整调零旋纽至仪表输出为零；

③再按上述方法反复调整几次，显示仪方可进行实地记录；

④切勿调整调零锁紧螺母。该调零已在仪器出厂前调试好，待进行仪器清洗测管时再进行调整。

（三）仪器出厂检验标准

PY型旁压仪出厂前的主要检验项目有：

（1）稳定性：在各级工作压力等级下，初调1min内的允许波动值应小于或等于0.0025MPa;

（2）密封性：在额定工作压力下，切断气源试压4h，仪器的压力下降值应小于或等于0.1MPa;

（3）调压值：最大可调压值不得低于2.5MPa;

（4）注水：注水压力在小于0.05MPa时，5min内应注满工作腔和回路；

（5）水箱清洁度：水箱内应无任何造成管路堵塞和影响测量管透明度的杂物存在；

（6）快速接头和仪器管道耐压：不得低于2.5MPa;

（7）液位显示仪的绝对误差：液位显示仪的显示数与标示数，在全程400mm时最大误差绝对值不得超过4mm。

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