旁壓試驗的主要成果是旁壓P-S、P-V曲線,可從曲線上求出一些和土的性質有關的引數。
1.資料校正
在繪製P-S曲線之前,須對試驗記錄中的各級壓力及其相應的測管水位下降值進行校正:
(1)壓力校正,其公式為:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:P——校正後的壓力(kPa);
Pm——壓力錶讀數(kPa);
Pw——靜水壓力(kPa);
Pi——彈性膜約束力曲線上與測管水位下降值對應的彈性膜約束力(kPa)。靜水壓力,可採用下式計算(圖5—22):
無地下水時
有地下水時
式中:h0——測管水面離孔口的高度(m);
Z——地面至旁壓器中腔中點的距離(m);
hw——地下水位離孔口的距離(m);
γw——水的重度(10kN/m3);
(2)測管水位下降值,其校正公式為:
圖5—22 靜水壓力計算示意圖
式中:S——校正後的測管水位下降值(cm);
Sm——實測測管水位下降值(cm);
α——儀器綜合變形校正係數(cm/kPa);其它符號意義同前。
2.繪製壓力P與測管水位下降值S曲線
(1)先定座標。國外多以縱座標為壓力P(kPa),橫座標為測管水位下降值S(cm)。和一般材料的應力-應變曲線繪製格式相同。比例尺選用1cm代表100kPa或1cm測管水位下降值,也可根據具體情況選定。對於座標系,也可以規定橫座標為壓力P,縱座標為水位下降值S,與載荷曲線繪製格式類似。對於同一個勘測或研究單位,最好統一格式,以便比較,但格式的差異不影響試驗成果的解釋。
(2)繪製曲線時,先連直線段,再用曲線板連曲線部分,曲線與直線的連線處要圓滑。
另外,有時用P-V曲線代替P-S曲線。設Vm為測管內的體積變形量(cm3),其換算公式為:
式中:A——測管內截面積(cm2);
S——測管水位下降值(cm)。
從S換算到V後,按下式對體積V進行校正:
式中:V——校正後的體積(cm3);
Vm——Pm+Pw所對應的體積(cm3);
其它符號意義同前。
校正後,即可繪製P-V曲線。
3.曲線特徵值的確定和計算
利用旁壓試驗確定地基土參數,首先要從旁壓試驗的P-S或P-V曲線上求取特徵值。下面先分析一下典型的預鑽式旁壓曲線特徵。
(1)旁壓器在逐級受壓的情況下,孔壁土體相應經歷了三個變形階段,反映在P-S(或P-V)曲線上,可以明顯劃分為三個區,見圖5—23。
圖5—23 預鑽式旁壓曲線及特徵值
①恢復區:該區壓力逐漸由零增加到P0m,曲線下凸,斜率△P/△V由小變大,直到在P0m處趨於直線段。其原因是:開始時旁壓器彈性膜膨脹,不受孔壁土體的阻力,只填充了膜與孔壁之間的空隙,進而將成孔後因應力釋放而向孔內膨脹的土體擠壓回原來位置。這個階段的終點壓力為P0m(對應的體積增量為V0m)。
從理論上講,曲線中直線段的起點P0m應相當於測試深度處土的靜止側壓力P0。但是,由於預先鑽孔,因孔壁土體受到了擾動等,P0m值一般都大於P0值。Baguelin(1973)等比較了P0m和P0(P0由自鑽式旁壓曲線求得)隨深度變化的情況。在粘土層的各個深度上,P0m都大於P0,但兩條曲線基本平行,故它們的差值接近於一個常值。
②似彈性區:指P-S曲線上的近似直線段,壓力由P0m增至Pf,直線段的終點壓力稱為臨塑壓力Pf(也稱屈服壓力或比例極限),對應的體積增量為Vf。該區段內的土層變形,可視為線性變形階段。各類土預鑽旁壓曲線的這一直線段,都比較明顯。
③塑性發展區:指孔壁壓力大於Pf以後的曲線段。曲線呈上凸形,斜率由大變小,表明土體中的塑性區的範圍不斷髮展和擴大。從理論上講,當曲線斜率趨於零時,即使壓力不再增加,體變也會繼續發展,表明土體已完全達到破壞狀態,其相應的壓力稱為極限壓力PL。實測時,由於測管水量限制,常常不出現這種情況,而是用體變增量達到或超過某一界限值時所對應的壓力PL表示,PL稱為名義上的極限壓力。
(2)根據預鑽式旁壓P-S曲線的特徵,可以求取三個特徵值:
①靜止側壓力P0:可以用計算法或圖解法求取P0值。
i.計算法:
式中:ζ——靜止土側壓力系數,按土質而定;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,地下水位以下為飽和重度(kN/m3);
h——測試點深度(m);
u——測試點的孔隙水壓力(kPa);正常情況下,它極接近於由地下水位算得的靜
水壓力,即在地下水位以上,u=0;在地下水位以下,按下式計算:
符號意義同前,此種方法要預估ζ。
ii.圖解法:由於P0m值一般都大於P0值,因此基於圖解法求P0的基本想法均是往小的方向修正P0m。應用較多的方法有:
a.將旁壓曲線直線段延長,與S(v)軸相交,由交點作P軸平行線與P-S曲線相交,其交點對應的壓力即為P0。
b.上述作圖法受成孔質量影響很大,一般無規律性。現又提出一種新的作圖法(圖5—24)。
圖5—24 交點法求P0值(據王長科)
根據P-S曲線特徵,開始的曲線段因土的擾動所致,直線段表示土處於未擾動狀態的似彈性段,作曲線段的初始切線和直線段的延長線相交,其交點對應的壓力即為P0,其物理意義比較明確(擾動和原狀土接觸點),表示土的原位水平應力值。該法考慮了成孔擾動的影響,合理簡便。經檢驗,P0值隨深度增加而增大,和理論計算值基本符合,而又比理論計算更符合實際,不用估算ζ值,完全由旁壓曲線即可求得P0值。該法要求在試驗初期採用小等級加荷,以便所測的旁壓曲線能準確反映原狀土和孔周擾動土的應力變形特性。
②臨塑壓力Pf:可按下列方法之一確定:
i.直線段的終點所對應的壓力為臨塑壓力Pf。
ii.可按各級壓力下的30s到60s的測管水位下降值增量△S60-30(或體積增量△V60-30),或30s到120s的測管水位下降值增量△S120-30(或△V120-30)同壓力P的關係曲線輔助分析確定,即P-△S60-30或P-△S120-30,其折點所對應的壓力即為臨塑壓力Pf。
i.手工外推法:憑眼力將曲線用曲線板加以延伸,延伸的曲線應與實測曲線光滑而自然地連線,並呈趨向與S(或V)軸平行的漸近線時,其漸近線與P軸的交點即為極限壓力PL。
ii.倒數曲線法:把臨塑壓力Pf以後的曲線部分各點的測管水位下降值S(或體積V取倒數1/S(或1/V),作P-1/S(或P-1/V)關係曲線(近似直線),在直線上取1/(2S0+Sc或(1/(2V0+Vc))所對應的壓力即為極限壓力PL。
iii.在工程實踐中,常用雙倍體積法確定極限壓力PL。
式中:VL——PL所對應的體積增量(cm3);
Vc——旁壓器中腔初始體積(cm3);
V0——彈性膜與孔壁接觸時的體積增量,即直線段與V軸交點的值(cm3),國內
常用測管水位下降值S表示,即:
式中:SL——PL所對應的測管水位下降值(cm);
Sc——與中腔原始體積相當的測管水位下降值,PY型中國產旁壓儀為32.1cm;
S0——直線段與S軸的交點所代表的測管水位下降值(cm)。
VL或SL所對應的壓力即為PL。
在試驗過程中,由於測管中液體體積的限制,使試驗往往滿足不了體積增量達到2V0+Vc(即相當孔穴原來體積增加一倍)的要求。這時,需憑眼力用曲線板將曲線延伸,延伸的曲線與實測曲線應光滑自然地連線,取SL(或VL)所對應的壓力作為極限壓力PL。
以上P0、Pf、PL的單位均為kPa。
旁壓試驗的主要成果是旁壓P-S、P-V曲線,可從曲線上求出一些和土的性質有關的引數。
1.資料校正
在繪製P-S曲線之前,須對試驗記錄中的各級壓力及其相應的測管水位下降值進行校正:
(1)壓力校正,其公式為:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:P——校正後的壓力(kPa);
Pm——壓力錶讀數(kPa);
Pw——靜水壓力(kPa);
Pi——彈性膜約束力曲線上與測管水位下降值對應的彈性膜約束力(kPa)。靜水壓力,可採用下式計算(圖5—22):
無地下水時
有地下水時
式中:h0——測管水面離孔口的高度(m);
Z——地面至旁壓器中腔中點的距離(m);
hw——地下水位離孔口的距離(m);
γw——水的重度(10kN/m3);
(2)測管水位下降值,其校正公式為:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
圖5—22 靜水壓力計算示意圖
式中:S——校正後的測管水位下降值(cm);
Sm——實測測管水位下降值(cm);
α——儀器綜合變形校正係數(cm/kPa);其它符號意義同前。
2.繪製壓力P與測管水位下降值S曲線
(1)先定座標。國外多以縱座標為壓力P(kPa),橫座標為測管水位下降值S(cm)。和一般材料的應力-應變曲線繪製格式相同。比例尺選用1cm代表100kPa或1cm測管水位下降值,也可根據具體情況選定。對於座標系,也可以規定橫座標為壓力P,縱座標為水位下降值S,與載荷曲線繪製格式類似。對於同一個勘測或研究單位,最好統一格式,以便比較,但格式的差異不影響試驗成果的解釋。
(2)繪製曲線時,先連直線段,再用曲線板連曲線部分,曲線與直線的連線處要圓滑。
另外,有時用P-V曲線代替P-S曲線。設Vm為測管內的體積變形量(cm3),其換算公式為:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:A——測管內截面積(cm2);
S——測管水位下降值(cm)。
從S換算到V後,按下式對體積V進行校正:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:V——校正後的體積(cm3);
Vm——Pm+Pw所對應的體積(cm3);
其它符號意義同前。
校正後,即可繪製P-V曲線。
3.曲線特徵值的確定和計算
利用旁壓試驗確定地基土參數,首先要從旁壓試驗的P-S或P-V曲線上求取特徵值。下面先分析一下典型的預鑽式旁壓曲線特徵。
(1)旁壓器在逐級受壓的情況下,孔壁土體相應經歷了三個變形階段,反映在P-S(或P-V)曲線上,可以明顯劃分為三個區,見圖5—23。
圖5—23 預鑽式旁壓曲線及特徵值
①恢復區:該區壓力逐漸由零增加到P0m,曲線下凸,斜率△P/△V由小變大,直到在P0m處趨於直線段。其原因是:開始時旁壓器彈性膜膨脹,不受孔壁土體的阻力,只填充了膜與孔壁之間的空隙,進而將成孔後因應力釋放而向孔內膨脹的土體擠壓回原來位置。這個階段的終點壓力為P0m(對應的體積增量為V0m)。
從理論上講,曲線中直線段的起點P0m應相當於測試深度處土的靜止側壓力P0。但是,由於預先鑽孔,因孔壁土體受到了擾動等,P0m值一般都大於P0值。Baguelin(1973)等比較了P0m和P0(P0由自鑽式旁壓曲線求得)隨深度變化的情況。在粘土層的各個深度上,P0m都大於P0,但兩條曲線基本平行,故它們的差值接近於一個常值。
②似彈性區:指P-S曲線上的近似直線段,壓力由P0m增至Pf,直線段的終點壓力稱為臨塑壓力Pf(也稱屈服壓力或比例極限),對應的體積增量為Vf。該區段內的土層變形,可視為線性變形階段。各類土預鑽旁壓曲線的這一直線段,都比較明顯。
③塑性發展區:指孔壁壓力大於Pf以後的曲線段。曲線呈上凸形,斜率由大變小,表明土體中的塑性區的範圍不斷髮展和擴大。從理論上講,當曲線斜率趨於零時,即使壓力不再增加,體變也會繼續發展,表明土體已完全達到破壞狀態,其相應的壓力稱為極限壓力PL。實測時,由於測管水量限制,常常不出現這種情況,而是用體變增量達到或超過某一界限值時所對應的壓力PL表示,PL稱為名義上的極限壓力。
(2)根據預鑽式旁壓P-S曲線的特徵,可以求取三個特徵值:
①靜止側壓力P0:可以用計算法或圖解法求取P0值。
i.計算法:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:ζ——靜止土側壓力系數,按土質而定;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,地下水位以下為飽和重度(kN/m3);
h——測試點深度(m);
u——測試點的孔隙水壓力(kPa);正常情況下,它極接近於由地下水位算得的靜
水壓力,即在地下水位以上,u=0;在地下水位以下,按下式計算:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
符號意義同前,此種方法要預估ζ。
ii.圖解法:由於P0m值一般都大於P0值,因此基於圖解法求P0的基本想法均是往小的方向修正P0m。應用較多的方法有:
a.將旁壓曲線直線段延長,與S(v)軸相交,由交點作P軸平行線與P-S曲線相交,其交點對應的壓力即為P0。
b.上述作圖法受成孔質量影響很大,一般無規律性。現又提出一種新的作圖法(圖5—24)。
圖5—24 交點法求P0值(據王長科)
根據P-S曲線特徵,開始的曲線段因土的擾動所致,直線段表示土處於未擾動狀態的似彈性段,作曲線段的初始切線和直線段的延長線相交,其交點對應的壓力即為P0,其物理意義比較明確(擾動和原狀土接觸點),表示土的原位水平應力值。該法考慮了成孔擾動的影響,合理簡便。經檢驗,P0值隨深度增加而增大,和理論計算值基本符合,而又比理論計算更符合實際,不用估算ζ值,完全由旁壓曲線即可求得P0值。該法要求在試驗初期採用小等級加荷,以便所測的旁壓曲線能準確反映原狀土和孔周擾動土的應力變形特性。
②臨塑壓力Pf:可按下列方法之一確定:
i.直線段的終點所對應的壓力為臨塑壓力Pf。
ii.可按各級壓力下的30s到60s的測管水位下降值增量△S60-30(或體積增量△V60-30),或30s到120s的測管水位下降值增量△S120-30(或△V120-30)同壓力P的關係曲線輔助分析確定,即P-△S60-30或P-△S120-30,其折點所對應的壓力即為臨塑壓力Pf。
i.手工外推法:憑眼力將曲線用曲線板加以延伸,延伸的曲線應與實測曲線光滑而自然地連線,並呈趨向與S(或V)軸平行的漸近線時,其漸近線與P軸的交點即為極限壓力PL。
ii.倒數曲線法:把臨塑壓力Pf以後的曲線部分各點的測管水位下降值S(或體積V取倒數1/S(或1/V),作P-1/S(或P-1/V)關係曲線(近似直線),在直線上取1/(2S0+Sc或(1/(2V0+Vc))所對應的壓力即為極限壓力PL。
iii.在工程實踐中,常用雙倍體積法確定極限壓力PL。
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:VL——PL所對應的體積增量(cm3);
Vc——旁壓器中腔初始體積(cm3);
V0——彈性膜與孔壁接觸時的體積增量,即直線段與V軸交點的值(cm3),國內
常用測管水位下降值S表示,即:
土體原位測試機理、方法及其工程應用
式中:SL——PL所對應的測管水位下降值(cm);
Sc——與中腔原始體積相當的測管水位下降值,PY型中國產旁壓儀為32.1cm;
S0——直線段與S軸的交點所代表的測管水位下降值(cm)。
VL或SL所對應的壓力即為PL。
在試驗過程中,由於測管中液體體積的限制,使試驗往往滿足不了體積增量達到2V0+Vc(即相當孔穴原來體積增加一倍)的要求。這時,需憑眼力用曲線板將曲線延伸,延伸的曲線與實測曲線應光滑自然地連線,取SL(或VL)所對應的壓力作為極限壓力PL。
以上P0、Pf、PL的單位均為kPa。