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岩土动力学学习要点


一、概述 旁压试验于 1933 年起源于德国,是在钻孔内进行 侧向载荷试验的仪器,这就是最早的单腔式旁压仪。 1957 年,法国工程师路易斯·梅纳尔研制成功三腔式 旁压仪。目前,旁压试验的最大深度可达 70m。压仪 包括预钻式、自钻式和压入式三种,国内目前以预钻 式为主。

旁压试验又称横压试验,它是利用旁压器对钻孔壁施 加横向均匀应力, 使孔壁土体发生径向变形直至破坏, 利用量测仪器量测压力与径向变形的关系推求地基土

力学参数的一种原位测试方法。旁压试验具有以下优 力学参数的一种原位测试方法 点: 1)旁压试验的物理模型为轴对称的圆柱形孔的扩张问 题,这个问题的弹塑性解已经得到了很好的解决: 2)旁压试验可以用来估计原位水平应力; 3)旁压试验可以用来推求水平不排水切应力-应变关 系;它是一个轴对称的平面应变 4)测试方便,不受地下水位限制,与室内试验相比, 试样大、扰动小。
1 仪器结构及工作原理 选用的旁压仪是由江苏省溧阳县仪器厂生产的 PY-3 型预钻式旁压仪。该仪 器主要由旁压器、水箱和加压稳压装置(配置为高压氮气瓶)三个部分组成,其中 旁压器是旁压仪的主要部件,为三腔式圆柱形骨架结构,分上、中、下三腔,中 腔为测试腔,上下腔相互构通但于中腔隔离,为辅助腔。中央有导水管,用来排 泄地下水,使旁压器能顺利的置于测试深度。套上保护膜可以起到保护弹性膜避 免较锐利物割伤的作用。见图 1。

图 1 旁压仪结构示意图

该仪器技术指标及规格见表 1。

该仪器利用氮气加压装置所加的气压直接传到测管水面, 产生水压和气压传 至旁压器三个腔(中腔是水压、上下腔是气压),促使弹性膜受压膨胀,导致孔壁 土体受压产生相应变形, 其变形量由测管水位下降值测得, 压力值由压力表读出。 根据所测结果绘制压力和测管水位下降值关系曲线,即旁压曲线。根据曲线可确 定地基土的容许承载力标准值和计算变形模量、压缩模量等力学指标,因此,旁 压试验实质上是钻孔载荷试验。

10.7 旁压试验
10.7.1 旁压试验适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和 软岩等。 10.7.2 旁压试验应在有代表性的位置和深度进行,旁压器的量测腔应在同 一土层内。试验点的垂直间距应根据地层条件和工程要求确定,但不宜小于 1m, 试验孔与已有钻孔的水平距离不宜小于 1m。 10.7.3 旁压试验的技术要求应符合下列规定: 1 预钻式旁压试验应保证成孔质量,钻孔直径与旁压器直径应良好配合,防 止孔壁坍塌;自钻式旁压试验的自钻钻头、钻头转速、钻进速率、刃口距离、泥 浆压力和流量等应符合有关规定; 2 加荷等级可采用预期临塑压力的 1/5~1/7,初始阶段加荷等级可取小值, 必要时,可作卸荷再加荷试验,测定再加荷旁压模量; 3 每级压力应维持 1min 或 2min 后再施加下一级压力,维持 1min 时,加 荷后 15s、30s、60s 测读变形量,维持 2min 时,加荷后 15s、30s、60s、120s 测 读变形量; 或压力达到仪器的容许 4 当量测腔的扩张体积相当于量测腔的固有体积时, 最大压力时,应终止试验。 10.7.4 旁压试验成果分析应包括下列内容: 1 对各级压力和相应的扩张体积(或换算为半径增量)分别进行约束力和体 积的修正后,绘制压力与体积曲线,需要时可作蠕变曲线;

结合蠕变曲线确定初始压力、 临塑压力和极限压力; 2 根据压力与体积曲线, 3 根据压力与体积曲线的直线段斜率,按下式计算旁压模量:

式中 Em——旁压模量(kPa); Ц——泊松比,按式 10.2.5 取值; Vc——旁压器量测腔初始固有体积(cm3); V0——与初始压力 p0 对应的体积(cm3); Vf——与临塑压力 pf 对应的体积(cm3); Δp/ΔV——旁压曲线直线段的斜率(kPa/cm3)。 10.7.5 根据初始压力、临塑压力、极限压力和旁压模量,结合地区经验可 评定地基承载力和变形参数。根据自钻式旁压试验的旁压曲线,还可测求土的原 位水平应力、静止侧压力系数、不排水抗剪强度等

预钻式旁压测试(top) 测试二 预钻式旁压测试(top)
预钻式旁压测试(Prebored pressuremeter test,简称 PMT)是工程勘察中常用的原位测 试技术。它是将旁压器放在预先钻好的钻孔中某一预定深度,然后加压,使旁压器横向膨胀以压 缩孔壁岩土体, 测出孔壁岩土体的受力与体积变化的关系曲线, 从而可求出地基承载力等诸多有 用指标。它比载荷试验轻便,精度也很高。 一、测试目的:用旁压试验求地基承载力和旁压模量。 二、适用范围,适用于一般粘性土、粉土、砂土、填土,不适用于淤泥类的特软土,如配钻机钻 孔和仪器的承压能力足够大,还可用于碎石土、卵砾石土,风化层及岩体。 三、测试方法:预钻式旁压测试。 四、仪器设备: 1.旁压器

2.控制箱或监测装置 3.加压装置:高压氮气瓶或高压打气筒 4.成孔工具 五、操作步骤 1.旁压率定:包括两方面,一是旁压器弹性膜约束力的率定;二是仪器综合变形率定。画 上述两种率定曲线,求出仪器综合变形校正系数,α; 2.将洁净水(凉白开水)灌入水箱,将旁压仪安装好。 3.人工预先钻孔到预定深度。 4.将旁压仪放入钻孔中。 5.打开仪器上相应阀门,记录静水压力和测管中相应水位下降值 S。 6.通过调压阀分级加压,每级压力下观测 3 分钟,记录每分钟的测管水位下降值。分级加 压的大小标准视岩土体强度及先小后大再小的原则进行,一般应加 10 级压力,记录每级压力值 和相应的测管水位下降值。 7.测试终止条件: ①测管水位下降值达到最大允许值,此仪器为 34cm。 ②所加压力达到仪器最大额定值。 满足上述任一条件,测试必须立即终止,并卸压,否则将损坏仪器。 六、成果整理 1.数据校正 ①压力校正:P=Pm+Pw-Pi 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相对应的弹性膜约束力(kPa); ②测管水位下降值校正

S=Sm-(Pm+Pw)α 式中,S—校正后的测管水位下降值(cm); Sm—实测测管水位下降观测值(cm); α—仪器综合变形校正系数(cm/kPa); 其它符号意义同前。 2.作图 以校正后 P(压力)为纵坐标,水位降 S 为横坐标作图。 绘制 P-S 曲线时,先用直尺连直线段,再用曲线板连首曲线段和尾曲线段。 3.计算 ①按下式计算地基承载力特征值 fak:

fak=Pf-P0
式中:Pf—P-S 曲线上直线段终点所对应的压力值; P0—岩土体原位水平应力值,也可由 P-S 曲线上按一定规则求得。 ②按下式计算旁压模量值 Em:

式中:μ—岩土体泊松比值; Sc——与测试腔原始体积相当的测管水位下降值(cm),PY 型旁压仪为 32.1cm。 S0,Sf——P-S 曲线上直线段两端点所对应的测管水位下降值(cm);

——P-S 曲线上直线段斜率(kPa/cm)。 七、注意事项: 1.测试前预习教材有关章节。

2.预先钻孔应垂直,孔径比旁压器直径大 2~8mm,以 4mm 为宜。钻孔横截面应呈完整的圆 形。 3.加压等级数应使 P-S 曲线出现首曲线段、直线段和尾曲线段,并对曲线有所控制,每段 中应有 3-4 个点。 4.测管水位下降不得或严禁超过 35cm。 5.测试完毕后,应排空旁压器中的水,才能上提旁压器,然后排尽控制箱中的水,以免管 路锈蚀和堵塞。 八、测试记录格式 表2 弹性膜编号: 旁压器编号: 静水压力 压力 P1(kpa) 压力表读数 总压力 弹性膜约束力校正试验记录表 实验者: 日 期: (cm)
3

旁压器中腔中点至测管水面高度: 测管水位下降值(累计值)(cm) 1min 2min 3min

体积增量 V(cm ) 备 3min



表3

仪器综合变形校正试验记录表 试验者: 日 期: 体积增量 V(cm ) 3min 3min
3

仪器名称:PY-3A 仪器编号: 压力 P(kpa) 压力表读数 200 300 0min

测管水位下降值 S(cm)(累计值) 1min 2min

400 500 600 700 800 表4 工程名称: 工程地点: 试验孔号: 孔口标高(m): 试验土层描述: 压力 P(kPa) 压力表读 总压力 校正值 校正后 数 0 0min 旁压试验记录表 试验点号: 旁压器号: 成孔工具: 试验者: 计算者: 试验日期: 地下水位深度(m): 旁压器中腔所受静压力(kpa): 备注: 测管水位下降值(累计值)(cm) 1min 2min 3min 体积增 量 校正值 校正后 V(cm )
3

试验深度(m):

测管水面离孔口高度(m):

野外十字板测试(top) 测试三 野外十字板测试(top)
野外十字板测试是饱和软土地区常用的工程勘察仪器,它是将用钢特制十字板头,借助机 械力压入饱和软土中的预定深度, 然后通过施加扭力装置旋转十字板头, 以测试饱和软土的不排 水抗剪强度,其精度很高,可用于工程设计。 一、测试目的 用野外十字板测试以求得饱和软土的不排水抗剪强度。 二、适用范围 一般情况下,仅适用于饱和的软土,包括淤泥类土、粉土。

三、测试方法 电测十字板法 四、仪器设备 1.静力触探—十字板两用压入主机 2.施加扭力装置 3.十字板头及其传感器 4.探杆 5.测量仪 6.地锚 五、操作步骤 1.十字板头传感器率定。 2.按照一定程序安装好十字板头及传感器,注意接头之间要拧紧防水,并将电缆线及探杆穿过 施加扭力装置。 3.将压入主机安装好。 4.将施加扭力装置放在压入主机上。 5.将测量电缆接到测量仪上。 6.然后将十字板头垂直压入土中预定深度,并用卡盘卡住钻杆,记录测量仪上的读数或调零, 然后摇动施加扭力装置上的手把,每转动一圈,地下的十字板头旋转一度,并记录一次测量仪上 的读数,测得峰值后,再摇动 6 圈并记录相应读数。 7.松开钻杆夹具,用扳手或管钳快速将探杆按顺时针方向旋转 3-6 圈,使十字板头周围的土充 分拢动后,立即拧紧钻杆夹具,然后摇动手把,重复步骤 6 和 7。 8.完成某深度测试后,可将十字板头压入下一深度继续进行测试,重复步骤 6 和 7。 9.终止试验,当完成预定的几点测试后,应立即逐节起拔探杆和十字板头,清洗干净,并拆除 压入主机。 六、测试成果整理 1.求出传感器率定系数(参见教材 208 页)α; 2.绘出抗剪强度与十字板转角关系曲线,求出峰值强度,或直接从表中求出峰值; 3.计算:①按下式计算土的抗剪强度:Cu=10·k·α·Ry

式中: kPa;

-分别为原状土抗剪强度(峰值强度)和扰动土抗剪强度(扰动土峰值强度);

K-与十字板头尺寸有关的常数, Ry,Re-分别为原状土和扰动土剪切破坏时的读数。 D、H-分别为十字板头直径和高度(cm). ②按下式计算土的灵敏度 St,

七、注意事项: 1.测试前必须预习教材中野外十字板测试有关内容 2.安装仪器应在教师或测试员指导下进行,严禁野蛮操作 八、测试记录格式

表5 工程名称: 测验地点: 孔 号:

十字板剪切测试记录表(电测式)

水位埋深: 十字板规格:D:50mm,H:100mm,K:0.002cm- 3 传感器编号: 试验者: 试验日期: 原状土 重塑土 抗剪强度 (kPa) 灵敏度 St 备注 率定系数:

孔口标高: 试验深度:

转角(度) 量表或应变仪 读数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

量表或应 抗剪强度 C(kPa) u 变读数

St 为原状 土和扰动 (重塑) 土峰值抗 剪强度之 比

22 23 24 25

静力触探测试(top) 静力触探测试(top)
静力触探(Static cone penetration test,简称 CPT)是最常用的原位测试方法。是将 静力触探头借助机械力被压入土中,同时测记触探参数的原位测试法。它的种类很多,有单桥、 双桥、孔压静探。为便于学生或初学者了解测试过程,采用人工记录和人工通过机械贯入法。 一、测试目的:用静力触探表求取土层的强度指标和划分土类。 二、适用范围:一般情况下适用于粘性土、粉土、砂土、有机土。 三、测试方法:双桥静力触探,人工记录法。 四、仪器设备: 1.双桥探头 2.探头率定架 3.压入装置 4.探杆 5.电缆 6.测量仪 7.地锚 五、操作步骤 1.探头率定及画出率定曲线,求出探头率定系数 K; 2.安装静力触探设备; 3.将双桥探头安装到探杆上,用穿过探杆的电缆将探头和测量仪连接起来; 4.摇动手把,将探头压入地表下 1m 处,将测量仪调零; 5.继续贯入,每 10cm 间隔记录一次深度(h)、锥尖阻力(qc)和侧壁摩阻力(fs)电测值; 6.每贯入 2~3m 调零一次,并记录回零值; 7.贯入到预定深度停止,或反力装置失效时停止贯入; 8.起拔探杆开始时,记录回零值; 9.将探头按规定程序卸下,并擦拭探杆,装箱。 六、成果整理 1.校正原始数据

式中: :实测值



Δx:相应深度处零漂修正量,分正负 2.计算:

FR(%)=(fs/qc)×100

3.画图 分别画出各触探参数 与触探深度(h)关系曲线。

注:深度为纵坐标,向下为正,触探参数为横坐标。 七、注意事项 1.安装触探头时,应注意密封防水和正确操作,否则会导致测试失败。所以安装时应在有经验 的人的指导下进行,初学者不宜急于求成。 2.手摇压入主机使探头贯入时和接换探杆时,不可松手,以防手把弹回伤人,注意人员和仪器 安全,严禁测试时玩耍打闹。 3.整个测试要善始善终,即帮助安装静探设备和测试完备时清理设备和将设备运回室内指定地 点。 4.学生在试验前必须预习教材中有关内容,教师应事先指明有关章节。如时间容许,也可分次 做不同的静探测试。 八、测试记录格式 表1 工程编号: 孔 号: 静力触探记录表 操作者: 计算者:

探头编号: 探头系数: kc= kf= ku=

水位埋深: 锥头阻力 qc(kPa) 深度(cm) 读数 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 回零 校正值



深:

测试日期: 孔压 U(kPa) 备注 fs Umax ΔU

侧壁摩阻力 fs(kPa) qc 读数 回零 校正值

0.9 1.0 1.1 1.2 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0


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