北京王四营地区土体旁压模量与压缩模量关系初探

李方震 李超

摘 要：城市化进程的加快，产生了人口密集、交通堵塞、资源短缺等诸多问题，城市空间需求增长与地面空间有限的矛盾日益突现，地下空间的开发利用越来越受到重视。北京交通网的建设已通过建设地铁线网、地下停车场和地下交通换乘枢纽形成地下交通系统，缓解了地面空间、环境资源对交通网的限制。以地下输送的高效率支持地下、地上各功能设施运转的高效率，局部地下空间利用已经超过50 m。为了使地下空间开发利用安全稳定，提供所需的岩土体物理力学参数（特别是50～100 m深度）具有重要的意义。北京王四营地区土体旁压试验，获取了0～100 m深度内黏性土及粉土力学性质，并在相同深度采取原状土样进行室内土工试验，分析了旁压模量和压缩模量随深度变化的相互关系，并用数理统计方法总结出二者的定量关系，为王四营地区100 m深度地下空间的利用提供可靠的力学参数。

关键词：旁压试验;旁压模量;压缩模量：对比分析

Abstract： Acceleration of urbanization has caused many problems， such as dense population， traffic jam， shortage of resources and so on. The contradiction between the growth of urban space demand and the limited ground space has become increasingly prominent， and more and more attention is paid to the efficient development and utilization of underground space. The construction of Beijing transportation network has formed an underground transportation system with subway networks， underground parking lots and underground transportation interchange hubs， which alleviates the restrictions of ground space and environmental resources on the transportation network， and supports the efficient operation of underground and above-ground functional facilities with efficient underground transportation. Deeper underground space development is necessitated with utilization of local underground space exceeding 50 meters. In order to make safe and stable development and utilization of the underground space， it is of great significance to provide the required physical and mechanical parameters of rock and soil （especially at the depths of 50-100 meters） for the development and utilization. In this paper， the author has carried out the pressuremeter test of soil in Wangsiying area， Beijing， and obtained the mechanical properties of cohesive soil and silt at the depths of 0-100 meters. Undisturbed soil samples are taken for indoor geotechnical test， and the relationship between pressuremeter modulus and modulus of compressibility with depth is analyzed， and the quantitative relationship between them is summarized in mathematical statistics， which provides reliable mechanical parameters for the utilization of underground space in Wangsiying area at the depth of 100 meters.

Keywords： pressuremeter test; pressuremeter modulus; modulus of compressibility; contrastive analysis

隨着城市化进程的不断加快，城市建设用地逐年减少，为了充分利用有限空间，大量高层甚至超高层建筑、交通网开始兴建，其地下空间的利用也向着更深的方向发展，局部地区已经超过地下50 m。所以，为稳定安全开发利用地下空间，提供可靠的岩土体物理力学参数（特别是50～100 m深度）具有重要的意义。

北京地区深部黏性土及粉土的物理力学参数主要通过钻探取样、室内土工试验获取，然而室内试验并不能完全反映土体原位的工程力学特性，原位测试（旁压试验）仍是了解深层岩土体力学参数的一个发展方向。

旁压试验作为原位测试中为数不多的几种具有完整理论体系的测试手段，可以得到土的应力-变形关系的整个过程（万长珠，1988）。1930年，德国工程师寇可娄（Kogler）发明了最早的旁压仪。1957年，法国道桥工程师梅那（Menard）成功研制了三腔式旁压仪，经过半个多世纪的发展，在很多国家已被广泛认同和应用（石祥锋等，2004）。旁压试验仪具有体积小、操作方便、结果可靠、经济实用等特点，尤其是对深部岩层、地下水位以下、场地受限等情况，有着很大优势，广泛应用于港口、桥梁、地铁、建筑地基的地质勘察中（郝冬雪，2011）。上海地区旁压试验深度已经达到100 m（顾国荣等，1996），北京平原区旁压试验试验深度也达到100 m（李超等，2016;北京市地质调查研究院，2017），并与室内试验数据进行了对比分析，得出100 m深度范围内压缩模量和旁压模量的定性关系，根据旁压试验得出了估算土体水平基床系数的方法（李超等，2020）。为了准确掌握地下土体力学参数，笔者在北京王四营地区深部（100 m以内）开展了旁压试验，并根据旁压试验得出旁压模量，与土工试验所得的压缩模量数据进行了对比分析，得出了二者的相互关系。

1 试验场地的工程地质概况

王四营位于永定河冲洪积扇中部，第四系为黏性土、粉土及砂土交互层，以细颗粒为主（何静等，2019）。根据对现场钻探、原位测试与室内土工试验成果的綜合分析，王四营地区100 m范围内的地层，按成因类型、沉积年代可划分为人工堆积层和一般第四纪沉积层（DBJ 11-501-2009，2016年版），按岩性特征、物理力学性质进一步划分为17个大层，自上而下分述如表1（该区潜水水位埋深约10 m）：

2 试验方案

由于取土直径和旁压探头直径不能匹配，一个钻孔内同一深度采集原状土样后，造成孔径较大，旁压试验无法实施。如开展二者对比试验分析，至少需要设计2个钻孔，1个钻孔对黏性土及粉土采取原状土样，另1个钻孔在上述钻孔取原状土的深度开展旁压试验。为了保证2个钻孔同一深度土层的物理力学性质相同或基本相同，2个钻孔的水平距离宜尽量接近。试验钻孔间距2 m，孔深均为100 m，旁压试验成孔时先将土取出，直接判断土层的类别、塑性状态、密实程度等（与表1一致）。首先与同一深度土样进行对比，然后再开展旁压试验，最后将室内土工试验所得的压缩模量和旁压试验所得的旁压模量进行对比。

本次试验在朝阳区王四营地区设计钻孔3个，孔深为100 m，总进尺300 m，其中1个是原状土取样钻孔;2个是旁压试验钻孔。3个钻孔成等边三角形布置，间距均为2 m，共取原状土样55件，进行旁压试验67次。

3 预钻式旁压试验

预钻式旁压试验是通过旁压器在预先完成的钻孔中对孔壁施加横向压力，使土体产生径向变形，利用仪器量测孔周岩土体的径向压力与变形关系，测求地基土的原位力学状态和力学参数。预钻式旁压试验适用于孔壁能保持稳定的黏性土、粉土及砂土，不适用于饱和软黏土（工程地质手册编委会，2018）。王四营地区100 m深度范围内主要为黏性土、粉土及砂土，黏性土呈可塑—硬塑状态，粉土及砂土一般为中密—密实状态，钻探采用岩芯管钻进，泥浆护壁以确保孔壁不塌。旁压仪由旁压器、加压装置和变形量测系统及控制装置等部分组成。旁压器是旁压仪的主要部分，用以对孔壁施加压力，由一空心金属圆柱筒、固定在金属筒上的弹性膜和膜外护铠组成，分三腔式和单腔式。三腔式中腔为量测腔，上、下两腔为辅助腔，上、下两腔由金属管连通而与中腔严密封闭。辅助腔的作用在于延长孔壁土层受压段长度，减小量测腔的端部影响，当土体受压时，使量测腔部分周围土体均匀受压使土体近似地处于平面应变状态。加压装置由高压氮气瓶连接减压阀组成，测量及控制装置由水箱、量管、压力表和导管组成，最大工作压力可达10 MPa，最大测试深度100 m以上。本次试验使用法国APAGEO公司制造的MENADRD（GA）预钻式三腔式旁压仪，为NX型。在进行旁压试验前，施工一个110 mm直径的钻孔，至试验段以上1 m采用75 mm岩芯钻进行平稳钻进，确保孔壁光滑，然后下放旁压仪进行旁压试验，按照相应的操作规程获取压力和变形曲线，根据GB 50021-2001（2009年版）《岩土工程勘察规范》中旁压模量公式计算黏性土及粉土旁压模量。旁压试验得到的旁压模量是水平模量，主要反映土体的抗剪变形性质（万长珠，1988）。

4 试验数据

根据旁压试验实测数据计算旁压模量，将室内试验压缩模量和计算的旁压模量进行分层综合统计，结果见表2。

表2中压缩模量取土的有效自重压力P0至土的有效自重压力P0加100 kPa段计算而得，压缩模量和旁压模量从物理意义来看，均反映土体在外力作用下抵抗变形的能力，模量越大，土越硬，压缩性越小，抵抗变形的能力越强。不同的是室内试验将土样放进固结仪中，在完全侧限的条件下分级施加垂向压力，当施加压力等于有效自重压力时，继续施加压力也可近似视为土样在原始应力条件下受力的变形特性。而旁压试验为原位试验，土体在原位受到旁压器施加的水平方向外力而发生变形。

5 试验数据对比分析

根据表2可以看出，旁压模量及压缩模量平均值随深度增加总体上同步增大，31 m以上同一层位黏性土及粉土旁压模量和压缩模量比较相近，差值在1.80 MPa以内;31～50 m未获取有效试验数据，50 m以下旁压模量比压缩模量大25%～89%，而且随深度增加两者差值有增大的趋势。

通过对旁压模量和压缩模量平均值数据对比分析（表3），以及试验深度H进行多元线性回归得出，

Es = 0.4084Em - 0.006 729H + 8.8752          （1）

相关系数r =0.947

拟合公式中深度系数估计值-0.006 729，系数很小，即使100 m深仅能贡献-0.6729 MPa，相比深部旁压模量及压缩模量数值可忽略不计。拟合公式（1）可为

Es = 0.4084Em + 8.8752                  （2）

压缩模量Es及旁压模量Em均来源于试验资料，不含凭经验确定的因素，两者关系式通过对比试验建立，具有一定的试验基础。根据以上样本数值可知，该关系式是在旁压模量13.86 MPa≤Em≤47.72 MPa区间内拟合的，通过试算，当Em <13.86 MPa时，旁压模量数值越小，拟合公式的相关性及适用性越差。根据工程地质手册以及其他地区的经验，地表以下31 m以内，旁压模量相对较小，可取Es=Em。

浅部（31 m以内）旁压模量与压缩模量基本相近，深部二者相差越来越大，旁压试验属于原位试验，不论深浅试验操作流程均一样，所得的旁压模量真实反映了土体的软硬程度。而浅部或深部土样室内试验操作规程也是完全一样，从数据上面来看，土体压缩模量也是越深总体越大，深部土样压缩模量与旁压模量差异的主要原因可能与取样形成的扰动有关。

6 结论

试验获得了北京王四营地区深部黏性土与粉土地层的压缩模量和旁压模量试验数据。试验证明，预钻式旁压试验测试深度可达地下100 m，且扰动较小，结果可靠。旁压模量Em和压缩模量Es呈线形关系，关系式为Es = Em（深度H< 31 m），Es = 0.4084Em + 8.8752（深度H>50 m）。深部土体（地表31 m以下），采用旁压试验所得的旁压模量更接近实际土层的力学性质，其压缩模量的选取宜进行常规室内试验及原位试验（旁压试验）数据对比分析，综合确定。

参考文献：

北京市地质调查研究院，2017.北京市地下空间资源调查评价及关键技术研究深部（地下100m）岩土体物理力学参数试验成果报告[R].

顾国荣，陈晖，1996.旁压试验成果应用[J].上海地质（4）：20-30.

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李超，杨静东，贺文静，等， 2016. 北京平原深部（地下100米）旁压试验研究[C]//全国建筑工程勘察科技情报网，全国建筑工程勘察科技情报网华北情报站，中国建筑学会工程勘察分会. 2016年全国工程勘察学术大会论文集：下册：9.

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