旁压试验

定义

中国国家标准《岩土工程勘察规范》把旁压试验界定为利用可侧向膨胀的旁压器、对钻孔孔壁周围土体施加径向压力的原位测试，通过压力与变形的关系计算土的模量和强度^[2]。按旁压器置入土中的方式，旁压仪分为预钻式、自钻式和压入式三类，国内以往以预钻式应用最广^[2]。

从力学模型看，旁压器对孔壁的作用可简化为无限长圆柱孔承受径向均布压力，孔周土体处于轴对称平面应变状态，理论分析随之简化为一维问题^[3]。常用的三腔式旁压器由中间的测量腔和上下两个保护腔组成，三腔同步加压，保护腔用于减小探头长度有限带来的端部影响，使测量腔近似在平面应变条件下膨胀，这一思路与孔扩张理论的假设相对应^[4]。

规范建议旁压器的有效长径比取 4~10，此时岩土变形接近圆柱形，对试验结果影响较小^[4]。预钻式试验要求旁压器测量腔位于同一土层内，试验点的垂直间距不宜小于 1 m，试验孔与已有钻孔的水平距离也不宜小于 1 m^[2]。

背景

土的工程性质既可通过取样后做室内试验测定，也可在现场直接测试，两者互为补充。取样、封装、运送、储存和制样等环节会使原状土受到不同程度的扰动，砂质土取原状样尤其困难，因此原位测试成为必要手段^[5]。旁压试验在钻孔内对土体原位加载，测试方便、不受地下水控制，与室内试验相比扰动较小^[2]。

这项试验的雏形由德国工程师寇克娄(Kogler)在 1933 年提出，所用装置为靠气体压力膨胀的单腔探头^[6]。1955 年，法国工程师梅纳(Ménard)研制出三腔式旁压器并申请专利，1957 年在法国创办公司专门生产这种仪器，旁压试验此后在法国及世界多国推广^[7][8]。

此后探头的置入方式不断改进。1965 年法国的耶泽凯尔(Jézéquel)研制出第一台自钻式旁压仪，1971 年英国沃斯(Wroth)与休斯(Hughes)在剑桥大学开发出另一种自钻式机型^[9]。自钻式探头自带切削装置，成孔扰动小、测试深度大，被认为是确定土性参数较为有效的原位测试手段之一^[10]。

内容

试验时加压装置经增压缸把较低的气压转换为较高的水压，通过管路传到孔内旁压器，使弹性膜侧向膨胀，孔壁土体受压后产生径向变形。压力由压力表或传感器读取，变形量由测管水位下降值或体积变化换算，两者对应即得到压力—体积（或压力—位移）曲线，称为旁压曲线^[6]。

典型的旁压曲线可分三段：初始段反映孔壁受扰动土的压缩与恢复，似弹性段的压力与体积变化近似呈直线关系，塑性段的体积变化随压力增大而迅速增加，直至土体破坏^[6][2]。初始段与似弹性段的界限压力相当于初始水平应力 $p_0$，似弹性段与塑性段的界限压力为临塑压力 $p_f$，末段渐近线对应的压力为极限压力 $p_L$^[6]。

由似弹性直线段的斜率可计算旁压模量 $E_M = 2(1+\mu)\left(V_c+\frac{V_0+V_f}{2}\right)\frac{\Delta p}{\Delta V}$，式中 $\mu$ 为泊松比，$V_c$ 为测量腔固有体积，$V_0$ 与 $V_f$ 分别是直线段起点和终点对应的体积，$\Delta p/\Delta V$ 为直线段斜率^[11]。在此基础上还可把旁压模量换算为土的初始切线模量^[11]。

操作上有若干技术要求：加荷等级可参考预期临塑压力的 1/51/7 选取，每级压力维持 1 min 或 2 min 后施加下一级，并在加压后的规定时刻读数；当测量腔扩张体积达到其固有体积或压力达到仪器允许的最大压力时终止试验^[2]。有研究指出，分级加载速率宜控制在 3 kPa/s5 kPa/s，加载稳定时间间隔宜取 2 min~5 min^[11]。

预钻式旁压试验的成孔质量直接影响成果，孔壁应垂直、光滑并尽量少受扰动，钻孔孔径一般宜比旁压器外径大 2 mm8 mm，软弱土层可用泥浆护壁^[2]。该试验适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩等，最大测试深度可达 20 m30 m^[2][11]。

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；依据自钻式旁压曲线还能测求原位水平应力、静止侧压力系数和不排水抗剪强度^[2]。工程中还常据此估算地基沉降、桩基承载力和水平向基床系数^[6]。

影响与争议

自钻式旁压试验扰动小，在软土中应用较广，但其推求的不排水抗剪强度受多种因素影响：旁压腔长度有限带来的长径比效应、试验过程中的部分排水、应变保持阶段的应力松弛以及应变加载速率等，都会使反算的强度出现偏差^[3]。理论分析对排水条件和土体本构关系作了简化假设，这些假设的适用性被认为是参数估计误差的主要来源，黏性土中的完全不排水抗剪强度、砂土中的完全排水等假定与实际并不总是一致^[3]。

在黏土中对比不同解释方法的结果显示，Gibson 与 Anderson 的传统直接法没有考虑土体超固结比和探头实际长度的影响，所得不排水抗剪强度与考虑这两项因素的有限元法存在差别；对两个场地的粉质黏土算例，超固结比临界值分别约为 23 和 34，超过该值后探头长度效应与超固结比的影响相互抵消^[12]。

现场对比的结果也不完全一致。在加拿大魁北克一种硬灵敏黏土中，预钻式旁压试验与装有传感器的锥形试验测得的不排水抗剪强度明显高于自钻式旁压试验和十字板剪切试验的结果，研究者认为差异与预钻孔造成的初始扰动和卸载有关^[13]。而在杭州软黏土中开展的自钻式旁压试验与十字板试验对比，则针对欠固结程度和探头几何尺寸等因素提出了不排水抗剪强度的修正系数^[14]。

另有观点认为，旁压试验在中国岩土工程中的推广应用时间不长，标准化程度相对不高，实际工作中往往需要规范、规程与手册并用，并依靠地区经验对成果作判断^[15]。

参见

• 原位测试 —— 旁压试验是岩土工程原位测试的主要方法之一。

• 载荷试验 —— 旁压试验可视为钻孔内水平方向的载荷试验，两者都以压力与变形的关系评价地基性质。

• 十字板剪切试验 —— 常用于测定软黏土的不排水抗剪强度，其成果常与旁压试验相互对比。

• 静力触探试验 —— 另一种常用的岩土原位测试手段，通过连续贯入量测地层阻力。

• 孔扩张理论 —— 分析旁压试验机理、由旁压曲线反算土性参数的理论基础。

• 地基承载力 —— 旁压试验成果的主要工程应用方向之一。