旁压试验是将圆柱形的旁压器竖直地放入土中，利用旁压器的扩张，对周围土体施加均匀压力，测量径向压力和变形的关系，即可求得地基土在水平方向的应力应变关系，如图5-35所示。按将旁压器设置土中的方式不同，旁压仪分为预钻式、自钻式和压入式3种。

预钻式旁压试验应保证成孔质量，钻孔直径与旁压器直径应良好配合，防止孔壁坍塌。自钻式旁压试验的自钻钻头、钻头转速、钻进速率、刃口距离、泥浆压力和流量等应符合有关规定。

图5-35　旁压仪示意图

最近的几十年来，旁压试验在国内外岩土工程实践中得到迅速发展并逐渐成熟，其试验方法简单、灵活、准确，适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩等地层的测试。

（一）旁压试验类型

旁压试验按旁压器放置在土层中的方式可分为预钻式旁压试验、自钻式旁压试验和压入式旁压试验。

预钻式旁压试验是事先在土层中钻探成孔，再将旁压器放置到孔内试验深度进行试验，其结果很大程度上取决于成孔质量，一般用于成孔质量较好的地基土中。

自钻式旁压试验（简称SBPMT）是在旁压器下端装置切削钻头和环形刃具，以静压力压入土中。同时，用钻头将进入刃具的土切碎，并用循环泥浆将碎土带到地面，到预定深度后进行试验。

压入式旁压试验又分为圆锥压入式和圆筒压入式两种，都是用静力将旁压器压入到指定深度进行试验，但在压入过程中对土有挤土效应，对试验结果有一定的影响。

（二）旁压试验原理

旁压试验原理是通过向圆柱形旁压器内分级充气加压，在竖直的孔内使旁压膜侧向膨胀，并由该膜（或护套）将压力传递给周围土体，使土体产生变形直至破坏，从而得到压力与扩张体积（或径向位移）之间的关系。根据这种关系对地基土的承载力（强度）、变形性质等进行评价。

旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，属于轴对称平面应变问题。典型的旁压曲线（p-V曲线或p-S曲线）如图5-36所示，可划分为以下三段：

图5-36　典型的旁压曲线

P0—初始水平压力；Pf—临塑压力；PL—极限压力。

Ⅰ段（曲线段AB）：初始阶段，反映孔壁受扰动后土的压缩与恢复。

Ⅱ段（直线段 BC）：似弹性阶段，此阶段内压力与体积变化量（测管水位下降值）大致成直线关系。

Ⅲ段（曲线段 CD）：塑性阶段，随着压力的增大，体积变化量（测管水位下降值）逐渐增加，最后急剧增大，直至达到破坏。

旁压曲线Ⅰ段与Ⅱ段之间的界限压力相当于初始水平压力p0，Ⅱ段与Ⅲ段之间的界限压力相当于临塑压力pf，Ⅲ段末尾渐近线的压力为极限压力p1。

进行旁压试验测试时，由加压装置通过增压缸的面积变换，将较低的气压转换为较高压力的水压，并通过高压导管传至试验深度处的旁压器，使弹性膜侧向膨胀导致钻孔孔壁受压而产生相应的侧向变形。其变形量可由增压缸的活塞位移值S确定，压力P由与增压缸相连的压力传感器测得。根据所测结果，得到压力P和位移值S（或换算为旁压腔的体积变形量V）间的关系，即旁压曲线。根据旁压曲线可以得到试验深度处地基土层的初始压力、临塑压力、极限压力，以及旁压模量等有关土力学指标。

依据旁压曲线似弹性阶段（BC段）的斜率，由圆柱扩张轴对称平面应变的弹性理论解，可得旁压模量EM和旁压剪切模量GM，即

式中：μ——土的泊松比；

　　　Vc——旁压器的固有体积（cm3）；

　　　V0——与初始压力p0对应的体积（cm3）；

Vf——与临塑压力pf对应的体积（cm3）；

——旁压曲线直线段的斜率。

（三）旁压试验设备

旁压试验所需的仪器设备主要由旁压器、变形测量系统和加压稳压装置等部分组成，如图5-37所示。

图5-37　旁压仪结构

1.旁压器

旁压器又称旁压仪，是旁压试验的主要部件，整体呈圆柱形，为三腔式圆柱形骨架，外套弹性膜。分上、中、下三腔，中腔为测试腔，连接地上液体管路部分；上下为辅助腔，连接地上气体管路部分。旁压器放入试验位置，加压后上下辅助腔迅速膨胀贴紧钻孔侧壁，用于固定旁压器，并使之保持竖直状态；中部测试腔按试验要求在不同氮气压力下，随注入其中的液体而变形。

2.变形测量系统

变形测量系统主要由水位测管和导压管组成。水位测管为有机玻璃材质，内截面积11.75 cm²，其主要功能是显示旁压器的体积变化。水位测管两侧分别设置了S、ΔV、ΔR三个标尺刻度。S为标准长度，最小刻度1 mm，表示由于旁压器变形引起的水位测管液面下降值；ΔV为体积增量，表示由于旁压器变形引起的水位测管内液体体积变化值；ΔR为半径增量，表示旁压器变形根据测试段长度换算得到的旁压器半径增量。

3.加压稳定装置

加压稳定装置主要由氮气源、调压阀、压力表组成。氮气源为高压氮气，其最低压力值，宜大于试验预估最大压力1～2 MPa。当氮气源压力过大时，为保护试验设备和人员安全，建议配置减压阀后连接旁压仪。调压阀为压力精密调节装置，可以在输入稳定压力后，调节输出压力从零到最大值，该部分是旁压试验的主要控制部分。为方便读数，配置大小量程两块压力表。小量程压力表范围为0～1 MPa，当试验压力大于1 MPa时，关闭小量程压力表下方阀门，使用大量程压力表读数，后者的范围是0～4 MPa。

（四）旁压试验作用

根据旁压试验成果，并结合地区经验，可实现以下岩土工程目的：

（1）测求地基土的临塑荷载和极限荷载强度，从而估算地基土的承载力；

（2）测求地基土的变形参数，从而估算沉降量；

（3）估算桩基承载力；

（4）计算土的侧向基床系数；

（5）根据自钻式旁压试验的旁压曲线推求地基土的原位水平应力、静止侧压力系数和不排水抗剪强度参数。

（五）旁压试验方法

1.试验前的准备工作

试验前，必须熟悉仪器的基本原理、管路图和各阀门的作用，并按以下步骤做好准备工作：

（1）向水箱注满蒸馏水或纯净水；

（2）连通管路；

（3）试压：打开高压气瓶阀门并调节减压器，使其输出压力为0.15 MPa左右；

（4）调零：提高旁压器，使其测试腔的中点与测压管“0”刻度齐平；

（5）检查传感器和记录仪的连接是否正常工作，并设置好试验时间。

2.仪器校正

试验前，应对仪器进行弹性膜（包括保护套）约束力校正和仪器综合变形校正。

（1）弹性膜约束力的校正方法：将旁压器竖立地面，按试验加压步骤适当加压（0.05 MPa左右即可）使其自由膨胀。当测水管水位降至近36 cm时，卸压至零，如此反复5次以上，再进行正式校正。压力增量采用10 kPa，按1 min的相对稳定时间测记压力及水位下降值，并据此绘制弹性膜约束力校正曲线图，如图5-38所示。

（2）仪器综合变形的校正方法：连接好合适长度的导管，注水至要求高度后，将旁压器放入校正筒内，在旁压器受到刚性限制的状态下进行。按试验加压步骤对旁压器加压，压力增量为100 kPa，逐级加压至800 kPa以上后，终止校正试验。各级压力下的观测时间等均与正式试验一致，根据所测压力与水位下降值绘制关系曲线。该曲线应为一斜线，如图5-39所示，取直线的斜率为综合变形校正系数。(www.daowen.com)

图5-38　弹性膜约束力校正曲线示意图

图5-39　仪器综合变形校正曲线示意图

3.预钻成孔

针对不同性质的土层及深度，可选用与其相应的提土器或与其相适应的钻机钻头。例如，对于软塑流塑状态的土层，宜选用提土器；对于坚硬—可塑状态的土层，可采用勺型钻；对于钻孔孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁钻进。

孔径根据土层情况和选用的旁压器外径确定，一般要求比所用旁压器外径大2～3 mm为宜，不允许过大。钻孔深度应以旁压器测试腔中点处为试验深度。

值得注意的是，试验必须在同一土层，否则，不但试验资料难以应用，而且当上、下两种土层差异过大时，会造成试验中旁压器弹性膜的破裂，导致试验失败。另外，钻孔中取过土样或进行标贯试验的孔段，由于土体已经受到不同程度的扰动，不宜进行旁压试验。

4.旁压试验

成孔后，应尽快进行试验。压力增量等级和相对稳定时间（观测时间）标准可根据现场情况及有关旁压试验规程选取。其中，压力增量建议选取预估临塑压力pf的1/8～1/12，如不易估计，压力增量可参考《PY型预钻式旁压试验规程》（JGJ 69），如表5-27所示。

表5-27　旁压试验压力增量建议值

各级压力下的观测时间，可根据土的特征等具体情况确定，采用1 min或2 min，按下列间隔来观测水位下降值s。

（1）观测时间为1 min时：15 s，30 s，60 s；

（2）观测时间为2 min时：15 s，30 s，60 s，120 s。

当测管水位下降接近40 cm或水位急剧下降无法稳定时，应立即终止试验，以防弹性膜胀破。

试验结束后，利用试验中系统内的压力将水排净后旋松调压阀。另外，在试验过程中，由于钻孔直径较大或被测岩土体的弹性区较大时，有可能发生水量不够的情况，此时如需继续试验，则应给仪器进行补水。

（六）试验资料整理与成果应用

1.试验结果校正

在试验资料整理时，应分别对各级压力和相应的扩张体积（或径向增量）进行约束力和体积校正。

式中：P——校正后的压力（kPa）；

　　　Pm——压力表读数（kPa）；

　　　Pw——静水压力（kPa）；

　　　Pi——弹性膜约束曲线上与测管水位下降值对应的弹性膜约束力（kPa）。

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（kPa）；

　　　α——仪器综合变形校正系数（cm/kPa）。

2.旁压曲线绘制

用校正后的压力P和校正后的测管水位下降值S，绘制P-S曲线，即旁压曲线。

3.确定特征压力值

（1）原位水平土压力（初始压力）P0。

P-S曲线直线段与纵轴相交于S0，与S0对应的压力即为原位水平土压力P0。

（2）临塑压力Pf。

① P-S曲线直线段的终点所对应的压力为Pf；

② 按各级压力下30～60 s的体积增量ΔS60～30或30～120 s的体积增量ΔS120～30与压力P的关系曲线辅助分析确定，如图5-40所示。

图5-40　旁压试验结果曲线

（3）极限压力Pl。

① 手工外推法：将实测曲线光滑延伸，取S=2S0+Sf所对应的压力为极限压力Pl。

② 倒数曲线法：将临塑压力Pf以后曲线部分各点的水位下降值S取倒数1/S，与S所对应的压力P作P-（1/S）关系曲线，此曲线为一近似直线，在直线上取1（/2S0+Sf）所对应的压力为极限压力Pl。

4.影响因素分析

（1）成孔质量。

对预钻式旁压试验，成孔质量是试验成败的关键，除要求钻孔垂直、横截面呈圆形外，还需钻孔大小与旁压器直径相匹配，孔壁土体要尽量少受扰动。

（2）加压方式。

对预钻式旁压试验，加压等级选择不当会影响试验参数的确定，如过密则试验历时过长，过疏则不易获得P0及Pf值。

加荷速率（或相对稳定时间）反映了排水条件，不同的加荷速率对极限压力值影响较大。

（3）旁压器的构造和规格。

旁压器的有效长（l）径（D）比是设计旁压器的关键参数。

l/D为4～10时，土体变形近似为圆柱形，当单腔式旁压器的长径比为10时，与三腔式旁压器所取得的变形模量结果没有明显差别，但单腔式的临塑压力和极限压力则偏小。

（4）旁压测试临界深度的影响。

在均质土层测试，Pf自地表向下逐渐增大，当超过一定深度后，才趋近一个常数，这个土层表面一定深度就称为临界深度。

砂土中表现明显，临界深度随砂土密实度的增加而增加，一般为1～3 m。

在临界深度内，由于地面是临空面，土体可以产生较明显的垂向变形，而在临界深度以下，因上覆土层压力加大，限制了垂向变形，基本上只有径向变形。