旁压仪定制

1、PY型旁压仪与PM型旁压仪那种好点？

PY型旁压仪与PM型旁压仪分别采用两种不同的加压稳压原理。PY型旁压仪采用精密调压阀直接加压，这种加压方式也是目前国内外各种型号旁压仪所普遍使用的方式，而这种加压方式的优点就是加压精确，读数稳定。而PM型旁压仪则采用基本不常见的由精密调压阀加压然后通过增压缸把调压阀输出压力增压的加压方式，因为增压缸对压力调节控制能力根本无法和精密调压阀相比，从而使它的加压准确性和稳定性不如前者。

2、软土地基适合旁压试验吗？

不太适合，因为旁压试验（梅纳式旁压仪）的试验效果好坏的一个很重要的影响因素就是成孔质量，软土地基上打孔的话很容易塌孔的，一旦塌孔搞不好你探头都放不下去。
当然如果必须要做的话可以考虑使用自钻式旁压仪器，但是这种仪器好像国内并不多见。

3、　旁压测试法的仪器设备和安装调试

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。

4、　旁压测试成果整理

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。

5、旁压测试成果的应用

旁压测试在实质上是一种横向载荷试验。旁压测试与载荷变形观测、成果整理及曲线形状等方面，都有类似之处，甚至有相同之处。但旁压测试的设备重量轻，测试时间短，并可在地基土的不同深度上(尤其是适用于地下水位以下的土层)进行测试，因而其应用比载荷测试更广泛。目前国内外旁压试验成果的应用主要有以下几个方面：

一、确定地基承载力

我国目前基本上采用临塑荷载和极限荷载两种方法，来确定地基土体的容许承载力。

水利部行业标准《土工试验规程》(SL237-1999)规定的方法如下：

1.临塑压力法

大量的测试资料表明，对于土质均匀或各向同性的土体，用旁压测试的临塑压力Pf减去土层的静止侧压力P0所确定的承载力，与载荷测试得到的承载力基本一致。在国内在应用旁压测试确定地基承载力f0时，一般采用下式：

f0=Pf-P0(6-19)

式中：f0为地基承载力(kPa)。

2.极限压力法

对于红粘土、淤泥等，其旁压曲线经过临塑压力后，急剧拐弯；破坏时的极限压力与临塑压力之比值(PL/Pf)小于1.7。为安全起见，采用极限压力法为宜：

土体原位测试与工程勘察

式中：F为安全系数，一般取2～3。

对于一般土体，宜采用临塑荷载法，对旁压曲线过临塑压力后急剧变陡的土，宜采用极限荷载法来确定地基土承载力。

建设部行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ-72-2004)规定，推荐地基承载力特征值fak，按下式计算：

fak=λ1(Pf-P0)

fak=λ2(PL-P0)

(6-21)

式中：λ1、λ2为修正系数。

λ1对于一般粘性土，可结合各地区工程经验取值；具体取值可参照建设部行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ-72-2004)：λ2对于粘性土取0.42～0.50；粉土取0.30～0.43；砂土取0.25～0.37。也可根据经验取值，但λ1不应大于1.0；λ2不应大于0.5。

二、确定单桩竖向容许承载力

桩基础是最常用的深基础，其承载力由桩周侧面的摩阻力和桩端承载力两部分提供。考虑到旁压孔周围土体受到的作用是以剪切为主，与桩的作用机理比较相近，因此，分析和建立桩的承载力和旁压试验结果之间的相关关系是可能的。于1978年，Baguelin提出了估算单桩的容许承载力的计算式：

土体原位测试与工程勘察

式中：[qd]为桩端容许承载力(kPa)；[qf]为桩侧容许摩阻力(kPa)。

建设部行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ-72-2004)建议：打入式预制桩的桩周土极限侧阻力qsis，可根据旁压试验极限压力查表(表6-3)确定。而桩端土的极限端阻力的值qps可按下式计算：

粘性土：qps=2PL

粉土：qps=2.5PL

砂土：qps=3PL

表6-3 打入式预制桩的桩周土极限侧阻力qsis(kPa)

对于钻孔灌注桩的桩周土极限侧阻力qsis为打入式预制桩的0.7～0.8倍；桩的极限端阻力qps为打入式预制桩的0.3～0.4倍。

三、确定地基土层旁压模量

地基土层旁压模量是反映土层中应力和体积变形(可表达为应变的形式)之间关系的一个重要指标，它代表了地基土水平方向的变形性质。

由于加荷方式采用快速法，相当于不排水条件，依据弹性理论，对于预钻式旁压仪，根据梅纳德(Menard)理论，在P-V曲线上的近似直线段，土体基本上可视为线弹性介质，根据无限介质中圆柱形状孔穴的径向膨胀理论，孔壁受力ΔP作用后径向位移Δr和压力ΔP的关系为：

土体原位测试与工程勘察

式中：G为剪切模量。

旁压试验实测孔穴体积的变化所引起的径向位移变化Δr为：

Δr=ΔV /2πrL (6-24)

式中：L为旁压器测试腔长度(图6-12)。

图6-12 求旁压模量原理图

将式(6-24)代入式(6-23)可得：

土体原位测试与工程勘察

在式(6-25)中，可取r为P-V曲线上近似直线段中点所对应的旁压孔穴半径rm。这时，相应的孔穴体积为V，则：

V=Vc+Vm (6-@26)

式中：Vm为近似直线段中点对应的体积增量(cm3)；其他符号意义同前。

弹性理论中剪切模量G与弹性模量E之间的关系式为：

土体原位测试与工程勘察

若将旁压测试中的E用Em来表示，将式(6-25)和式(6-26)代入式(6-27)，则可得到：

土体原位测试与工程勘察

式中：Em为旁压模量(kPa)；μ为土的泊松比；

为P-r曲线上直线段的斜率(kPa/cm3)；其余符号意义同前。

由上式可知，计算旁压模量通常用下式表示：

土体原位测试与工程勘察

式中：Em为旁压模量(kPa)；μ为泊松比；Vf为与临塑压力Pf所对应的体积(cm3)；Vc为旁压器量测腔初始固有体积(cm3)；V0为与初始压力P0对应的体积增量(cm3)；ΔP/ΔV为旁压曲线直线段的斜率(kPa/cm3)。

国内也有采用测管水位下降值，即将体积值除以测管截面积，则式(6-29)可改为：

土体原位测试与工程勘察

式中：Sc为与测试腔原始体积相当的测管水位下降值(cm)；S0，Sf为P-S 曲线上直线段所对应的测管水位下降值(cm)；ΔP/ΔS为旁压曲线直线段的斜率(kPa/cm)。其余符号意义同前。

通常旁压模量 Em和变形模量 E0的关系，梅纳德(Menard)建议用下式来表示：

Em=α·E0(6-31)

表6-4 土的结构系数α常见值

式中：α为土的结构系数，其取值在0.25～1.0之间，具体见表6-4所列。

对于自钻式旁压试验，仍可采用上两式来计算旁压模量。由于自钻式旁压试验的初始条件与预钻式旁压试验长期保持不同，预钻式旁压试验的原位侧向应力经钻孔后已释放。两种试验对土的扰动也不相同，故两者的旁压模量并不相同。因此，在工程中应说明试验所用的旁压仪器类型。

四、确定土的变形模量

变形模量是计算地基变形的重要参数，它是表示土体在无侧限条件下受压时，土体所受的压应力与相应压应变之比。变形模量与室内试验求得的压缩模量之间的关系，如下式所示：

土体原位测试与工程勘察

式中：E0为土的变形模量(kPa)；ES为土的压缩模量(kPa)；μ为泊松比。

用旁压测试曲线直线段计算的变形模量公式，由于是采用的加载比较慢，实际上考虑了排水固结的变形。而土的旁压模量也是所测曲线直线段斜率的函数，规范规定，旁压模量的测试方法，采用快速加荷的方式，所以土的旁压模量与土的变形模量不是相同的。

五、估算地基沉降量

图6-13 两个变形区

Ⅰ区为球形应力张量引起的变形区；Ⅱ区为偏斜应力张量引起的变形区

采用旁压试验法来预估沉降量可将沉降分为两个部分(图6-13)，其计算式为：

S=SA+SB

式中：SA为球形应力张量引起的沉降；SB为偏斜应力张量引起的沉降。

偏斜应力张量引起的沉降又可分为两部分，即

SB=SBe+SBp(6-33)

式中：SBe为弹性沉降；SBp为非弹性沉降。

对任意的形状基础，球形应力张量引起的沉降计算公式为：

土体原位测试与工程勘察

式中：P为基底压力(kPa)；B为基础半径或半宽(cm)；E0为变形模量，可根据式(6-31)中的旁压模量换算；λA为形状系数；当基础为圆形基础时；λA为1。其他基础的形状系数见表6-5所示。其他符号意义同前。

偏应力张量引起的弹性变形和非弹性变形的总变形量为：

土体原位测试与工程勘察

式中：B0为基础的参考半宽：取30cm；α为土的结构系数(有一些参考书称为流变系数)，由表6-4决定；λB为形状系数；当基础为圆形基础时：λA为1。其他基础形状系数见表6-5所示。其他符号意义同前。

表6-5 形状系数λ值

由上式分析可得到总地基土体变形量为：

土体原位测试与工程勘察

应注意的是：用旁压试验法估计的沉降量，往往比采用弹性理论计算法得到的沉降量要小。

目前，在国内、外一些生产单位的科研部门，利用旁压试验P-V曲线来模拟载荷试验的P-S曲线；也可以通过对比地基处理前后旁压曲线的临塑荷压力和旁压模量的数值来检验经过地基处理后(强夯、堆载预压、真空预压等)加固的效果。

6、　自钻式旁压测试

（一）概述

预钻式旁压试验需要预先成孔，会对孔壁土体产生一定的扰动，旁压孔的深度也会因塌孔等原因而受到限制。为了克服预先成孔所带来的一系列缺点，自钻式旁压仪就应运而生了。法国道桥研究中心和有关道桥研究所、英国剑桥大学，从60年代末和70年代初分别开始研制自钻式旁压仪，并分别于1973年和1974年相继投入商品市场，进入实际工程应用，使旁压技术达到了一个更高的发展阶段。

自钻式旁压仪是一种自行钻进、定位和测试的钻孔原位测试装置。它借助于地面上的（或水下的）回转动力（通常可用水冲正循环回转钻机作为动力），利用旁压器内部的钻进装置，可自地面连续钻进到预定测试深度，然后在保持钻孔周围土层不受扰动的条件下测试，求得土或软岩的各项力学参数。

自钻式旁压试验的突出优点是自动成孔，原位测试。它可以使土层的天然结构和应力状态在测试前保持不变，真正起到了原位测试作用，所求土层的各项指标可代表土层的真实情况。其成果的分析和应用是建立在理论基础上的，而不是建立在经验关系上，这是其它土的原位测试方法所无法比拟的。

自钻式旁压试验的主要缺点是所用自钻式旁压仪结构复杂，操作方法也较复杂，测试人员需经较长时间的培训。此法应用历史较短，经验不足，还处于不断改进之中。因此，自钻式旁压试验和预钻式旁压试验将会长期共存，互相取长补短，在工程勘测中发挥重要作用。

目前，国际上有各种型号的自钻式旁压仪，但基本上可以法国道桥式和英国剑桥式两种为代表。它们的性能和区别如表5—9所示。

表5—9　自钻式旁压仪性能比较

英国剑桥式自钻式旁压仪（简称Camekometer）由探头（包括钻进器和旁压器）、液压地面升降架系统、钻进器的驱动系统、泥浆循环系统、压力控制系统和数据采集系统五部分组成。其动力设在地面，钻进器由钻杆回转带动，在刃脚内破碎土体，并借助循环水（或泥浆）带出地面。

图5—31是英国剑桥式自钻式旁压仪的探头构造图。其内装有弹簧式电阻应变传感器，可测在不同压力下膨胀时的应变值。

法国道桥式自钻式旁压仪（简称PAF）由探头（包括钻进器4、旁压器3和钻杆加压系统2，见图5—32、压力容积控制器和同轴管路系统等组成。

我国也于80年代初相继研制出自钻式旁压仪，并投入使用。如城乡建设部综合勘察院研制的MIM-1型自钻式旁压仪（见图5—33）是以英法两国自钻式旁压仪为基础的改进型。它是由地上装置、管路系统和地下装置三大部分组成。地上装置包括显示和自动记录、动力源、气压和放大示波装置。地下装置则分成孔压传感器、变形传感器、自钻装置、加压装置和拾震装置等五个部分。地上、地下各相应部分由水、气、电管路系统连接，使之协调地进行工作。

MIM-1型旁压器和英国剑桥式旁压器类似，属于单腔、气压应力控制式，外径为118mm，长1.385m，由电阻应变式传感器测应变。它还装有拾震装置，可以接收及传感来自垂直方向及水平方向的体波。激振采用单孔或跨孔法，这样可以测得土中的纵、横波速，并由此计算土的动泊松比、侧变形系数、动弹性模量、动剪切模量及拉梅常数等五项动弹性参数。这是一项具有潜力的综合性原位测试新技术。

图5—31　Camkometer探头构造图

图5—32　PAF探头构造图

1—空心钻杆；2—钻杆加压系统；3—旁压器；4—钻进器；5—液压马达；6—切土刃口；7—粉碎器

华东电力设计院研制的PYHL-1型自钻式旁压仪是在PY型预钻式旁压仪的基础上试制成功的。由钻机带动钻杆回转，使探头下部的钻进器切削土体，并借循环水（或泥浆）将土屑带出地面。探头为三腔液压式。旁压器长940mm，测量腔长200mm，外径90mm。

（二）自钻式旁压试验步骤

自钻式旁压试验，除自钻进尺外，试验步骤基本和预钻式旁压试验步骤一样，简述如下。

（1）根据土质的软硬程度选择合适形式的探头，并考虑是否要配用加强膜和护套以及切削器的种类等。

（2）率定弹性膜约束力和仪器管道系统受力后的综合变形。对压力表和传感器等，要求在试验室进行必要的校核和率定。

（3）把探头插入土中。首先，借探头和钻杆的自重将刃脚切入土中一小段深度；然后，开动液压马达或钻机，带动研磨刃具旋转，并根据土体的软硬程度向刃具施加一定的垂直压力。被粉碎的土屑不断地被循环水或泥浆带出地面，直至探头下沉至试验标高。必须控制进尺速度，对一般地基土，用法国PAF-76旁压仪，要采用恒定的0.25m/min的速度。

图5—33　MIM-1型自钻式旁压仪

（a）自钻式旁压试验工作示意图：1—示波仪；2—电荷放大器；3—测震仪放大器；4—气压调节箱；6—跨孔激振器；7—自钻旁压器（兼拾震器）

（b）MIM-1型探头：1—泥浆冲洗液；2—钻杆；3—回水；4—电气管路；5—导向翼轮；6—电缆；7—接触板；8—拉簧；9—压簧；10－双向检波器；11—钢筒骨架；12—橡皮膜；13—金属罩片；14—丝扣；15—孔压传感器；16—轴承；17—鱼尾钻头；18—管靴；19—射水孔

（4）试验。首先要卸除钻杆的下压力，停止液压马达或钻机的转动，并截断冲洗水。用压力传感器测得旁压腔压力达到稳定时的压力值。这个压力即为土的静止侧压力。然后，调节压力控制器的压力，并开启压力阀门，使控制器的压力正好平衡探头中的压力。接着开始进行正式试验，需要测量注入探头的总水量、注入测量腔的水量及相应的压力表和压力传感器上的读数。当达到预定的探头膨胀量时，试验停止。

关于读数的间隔时间和压力增量，对于PAF型（应变控制式），建议每分钟应变x（x＝△V/V0表示加压时测量腔的体积增量与原体积的比值）等于2%，直至x=20%—25%时停止。需要量测每一△x=0.4%时的压力值。

对于PYHL-1型（压力控制式），建议按下述规定进行试验：

①压力增量取预估比例极限Pf的1/5至1/7。

②在各级压力下观察时间为一分钟，即可认为已达到相对稳定。

③在各级压力下，按下列时间间隔记录测管水位下降值：15、30、60s。

（三）自钻式旁压试验成果

（1）自钻式旁压试验的最主要成果是旁压曲线（P-x曲线）。对旁压器加压方式的不同，x的涵意也不同。剑桥型等气压式自钻式旁压曲线中的x指应变ε＝△r/r，道桥型液压式指△V/V0，国产PYHL-1型则指测管的水位降。对于等容剪切理论（可参考有关书籍），应变ε与△V/V0之间有下述简单的关系：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

虽然自钻式和预钻式旁压试验的主要成果都是旁压曲线，但它们的旁压曲线有下列不同之处。

图5—34为标准的自钻式旁压曲线。把它和图5-23标准预钻式旁压曲线相比较可以看出，两曲线的形状有明显的不同。预钻式旁压曲线可分为首曲线段、直线段和尾曲线段；而自钻式旁压曲线却缺失首曲线段，只有似直线段和尾曲线段。两曲线不同的原因，可简述如下：预钻式旁压曲线的首曲线段表示试验开始时旁压器和钻孔之间有空隙，孔壁土层受到扰动。因此，施加较小的压力，弹性膜就有较大的变P0m系使卸荷膨胀的孔壁土层重新压回到原始位置所需的力。之后的直线段，表示孔壁土层受压后处于似弹性变形阶段。尾曲线段表示孔壁土层已处于塑性破坏阶段。自钻式旁压曲线缺失首曲线段，是因为测试前孔壁土层未受扰动。当开始施加压力时，由于土层中存在着原始水平应力（或静止的土侧压力），弹性膜不膨胀。当所施加的压力达到土层原始水平应力时，弹性膜开始膨胀，自钻式旁压曲线才偏离压力P轴。此偏离开始点即为P0，其意义为土层原始水平应力。自钻式旁压曲线没有明显的直线段，或者说只有似直线段，且比预钻式旁压曲线直线段陡。达到极限压力时，按两线段分别求出的极限压力值很接近，但自钻式旁压曲线的极限压力值所对应的应变值要比预钻式的小得多。

图5—34　自钻式旁压曲线及特征值

（2）据自钻式旁压曲线可以得到下列指标（参看图5—34）：

①P20:x=20%时的旁压，大致相当于预钻式旁压曲线上的极限压力PL值。

②P4:x=4%时的旁压，大致相当于预钻式旁压曲线上的比例极限Pf值。

③P0：为土的原始水平应力。

④K0：为土的侧压力系数，可由下式求得：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：u——孔隙水压力（kPa）；

γ——土的密度，水下要用浮密度（kN/m3）;

h——测试点深度（m）。

⑤τ－x剪切曲线和不排水抗剪强度Cu值：该曲线系根据等容剪切理论推得。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

曲线为图5—34虚线所示。各剪应力τ值为图中旁压曲线上与x相对应的次切距TN。τ－x曲线的峰值即为不排水抗剪强度Cu。

⑥不同x值对应的剪切模量Gx

土体原位测试机理、方法及其工程应用

（四）影响自钻式旁压试验成果精度的主要因素

（1）自钻式旁压试验成功的关键是在试验前防止孔壁土层被扰动。自钻式旁压器下端为一切削器（又称切削管靴），切削器内为钻头。钻头与切削器刃脚底边的相对位置对孔壁土层的扰动与否有密切关系。钻头的位置一般应比切削器刃脚底边缩进一定距离，这样可以使孔壁土层不产生扰动；但缩进过多或不缩进，都会对孔壁土层产生扰动。图5—35为钻头位置对孔壁土层产生扰动程度的示意图。a图表示缩进过多会使切削器内的土受到挤压，反过来对孔壁土层产生反挤压；b图示钻头位置和刃脚齐平，会使孔壁外土层向孔中挤压；c图表明位置恰当，未对孔壁土层产生扰动。虽然做了这样处理，但在成果分析时仍应注意土层可能产生扰动造成的影响。

图5—35　钻头位置对孔壁土层扰动示意图

在钻进中为防止土层受扰动和回水管堵塞，可根据土层性质调整切削器的距离。调整时可参照表5—10。

用PYHL-1型自钻式旁压仪试验，应根据地层情况，调整好钻头和切削器刃脚底边之间的距离。最大调节距离为6cm。当地层为流塑或软塑土层时，宜调到最大距离；对可塑土层，可调为3cm左右；对硬塑土层和密实的砂，则将两者调至齐平或使钻头超前。

（2）非正常自钻式旁压曲线分析。由于设备、试验条件及土质等因素的影响，可能出现图3—36中一些非正常的P-x曲线，见图5—36。

表5—10　剑桥式切削器调整距离D

图5—36　非正常P-x曲线

曲线Ⅰ：如图5—36a示。当土层较硬时可能出现这类曲线。试验开始时，孔壁和橡皮膜之间存在有孔隙。一旦橡皮膜与孔壁完全贴合后，即呈正常型。

曲线Ⅱ：如图5-36b示。与预钻式旁压曲线很相似，可能是因试验前孔壁土层受到扰动所致。

曲线Ⅲ：如图5—36c示。为双重曲线，可能是因为旁压器架在复合土层中所致。这样，软土层处旁压器膨胀得多，而硬土层处旁压器膨胀得少；橡皮膜不平滑也会出现这种情况。

曲线Ⅳ：如图5—36d示。可能是因为注水量突然增大所致，如渗漏等的影响。

利用上述非正常曲线的测试结果，应十分小心，须和已测得的正常曲线或其它测试结果进行对比，才能确定压力和变形的力学指标；否则，应弃之不用，重新测试。

（3）取值标准。由于自钻式旁压试验经验不足，对成果的取值标准并未取得一致的看法，使得到的成果有差异。如法国道桥式自钻旁压试验的最大相对体积变化△V/V0值为20%，将此值对应的压力定为极限压力P1。这样限制的一个重要原因是旁压器的弹性膜和保护套不能受到过大的变形，当必须大变形时，就要用特殊装置的旁压器来做试验。因此，定为20%，主要是人为的标准。再者，土类千差万别，性质各异，用统一的体积变形标准（数值）来求Pf、P1是否合适，也有待进一步验证。我国制造的PYHL-1型旁压测试成果取值方法为：先画直线，并将两端延长与P轴相交，其截距为P0；再用曲线板连接曲线，定出曲线与直线的切点，切点所对应的压力即为Pf；取测管水位下降值Sf为37cm（或体积增量△V=1300cm3），与其对应的压力即为P1。

（4）孔壁土层扰动影响。如上述，孔壁土层扰动对自钻式旁压试验成果有很大影响。其影响程度，可通过比较自钻式旁压曲线（图5—37中标SBPMT者）和预钻式旁压曲线（图5—37中标PMT者）的特征值来加以了解。图5—37是法国在现场两个靠近钻孔中的4m深处进行试验而得到的成果曲线，将预钻式旁压曲线的起点选在V0m和P0m处。从图中可看出：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

图5—37　自钻式与预钻式旁压曲线比较

①自钻式的P0（55kPa）小于预钻式的P0m（73kPa）。

②两者的Pf值很接近，但此时的应变差别较大，因而两者的旁压模量大不相同，自钻式的明显大于预钻式的。

③两者的P1值也很接近。

表5—11和表5—12为两者试验结果的比较表。

法国道桥试验中心的研究结果得出如下关系：粘性土：P1=P20；粉土、砂土（松—中密）：P1=1.5P20；密实砂土：P1=2P20。

用两种测试测得的模量差异甚大，说明土的扰动不可忽视，即模量对土的扰动异常敏感。

表5—11　粘土中PMT和SBPMT结果比较（kPa）

表5—12　砂土中PMT和SBPMT结果比较（kPa）

注：EP2为2%体积应变时的割线模量；

Em3为三次循环后的重新加荷模量。

（五）自钻式旁压试验成果的应用

（1）从自钻式旁压曲线上求土层的各项指标，参阅本节（三）。

（2）推算地基容许承载力（承载力标准值）fk

土体原位测试机理、方法及其工程应用

如旁压曲线上的比例界限压力出现后曲线很快转弯，出现极限破坏时，则

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，F为安全系数，可根据当地经验确定，一般为2—3。fk、PL、P0单位均为kPa。

（3）计算旁压模量。用PYHL-1型旁压仪试验，建议采用下式计算自钻式旁压模量Efm：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，Sc＝37cm;Sf为与旁压器中腔体积相当的测管水位下降值。PYHL-1型旁压仪为37cm。

（4）鉴定土类。法国Baguelin、Frank等人通过对比试验资料分析，提出了特征系数β。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

他们发现，对于一定土类，β值相对比较稳定：β＜25%为灵敏粘土，25%＜β＜40%为粘土，35%＜β＜50%为粉土和松砂，45%＜β＜0%为密实砂，β＞60%为极密实砂。

（5）计算基础沉降。法国Baguelin建议按照Ménard理论有下列计算基础沉降公式。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：S——基础沉降量（cm）;

P——基底单位荷载（kPa）;

λⅠ、λⅡ——形状系数，查表5—7得；

B0——基础参考宽度，取B0=60cm；当B＜B0时，取B0=B；

其它符号意义同前。

由于自钻式旁压试验应用历史较短，应用领域还有待继续扩大。但是，自钻式旁压试验有其独特的优点，有很大的发展潜力，特别是对软土层和海域工程勘察，更有其优势，大有用武之地。

7、请问国内使用最广泛的旁压仪是什么牌子的?

PM型旁压仪，由天目仪器厂生产，国家行业标准JGJ/T69/-2019《地基旁压试验技术标准》的主要参编单位。

8、旁压仪试验 是什么

旁压试验是将圆柱形旁压器竖直放入土中，通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜将压力传给周围的土体（岩体），使土体（岩体）产生变形直至破坏，通过量测施加的压力和土变形之间的关系，即可得到地基土在水平方向的应力应变关系。