旁压测试成果整理

如题所述

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。

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