扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在天津某工程勘察中的運(yùn)用

茹杉杉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

扁鏟側(cè)脹儀(DMT)是20世紀(jì)70年代由意大利學(xué)者M(jìn)archetti發(fā)明的一種原位測試儀器[1]。它是用靜力把一鏟形探頭貫入土中,到達(dá)試驗(yàn)深度后,利用氣壓使扁鏟側(cè)面的圓形鋼膜向外擴(kuò)張進(jìn)行測試。它是一種特殊的旁壓試驗(yàn),是巖土工程勘測中一種先進(jìn)的原位測試方法。該儀器操作簡單、重復(fù)性好、人為影響因素小、經(jīng)濟(jì)適用,故發(fā)展很快。目前,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)使用,但由于在成果應(yīng)用中大多數(shù)采用的是國外經(jīng)驗(yàn)公式,再加上儀器性能的差別,所得的巖土參數(shù)往往與實(shí)際存在很大的差別。

扁鏟試驗(yàn)?zāi)芊从惩馏w在原位應(yīng)力條件下的某些物理、力學(xué)特性，適用于一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黃土等[2]，不適用于含碎石的土、風(fēng)化巖等。可應(yīng)用于天然地基、樁基工程及邊坡工程等復(fù)雜的巖土工程中,判定土層名稱與狀態(tài),確定飽和黏性土的不排水楊氏模量、靜止土壓力系數(shù)、水平基床系數(shù)等一系列常規(guī)和重要的土工參數(shù)。

1 工作原理

扁鏟內(nèi)部控制電路連通時(shí)檢流計(jì)會有讀數(shù),同時(shí)蜂鳴器也會發(fā)出聲音,當(dāng)扁鏟探頭貫入土中時(shí),膜片緊貼著感應(yīng)盤,此時(shí)為零位置,電路連通,蜂鳴器發(fā)出聲響。隨著氣壓的輸入,膜片開始膨脹,并逐漸脫離感應(yīng)盤,但依然和感應(yīng)器相連,此時(shí)電路仍舊連通。當(dāng)膜片脫離感應(yīng)器的瞬時(shí)(到達(dá)A位置,相對感應(yīng)盤位移0.05 mm),這時(shí)電路斷開,蜂鳴器停止聲響。直至膜片膨脹至不銹鋼柱體和感應(yīng)盤接觸(到達(dá)B位置,相對感應(yīng)盤位移1.1 mm),蜂鳴器再次響起。此時(shí),可開始減壓,當(dāng)蜂鳴器停止聲響的時(shí)候表明膜片剛回復(fù)至B位置,且正在向A位置位移。當(dāng)蜂鳴器再次響起,膜片方和感應(yīng)器接觸,到達(dá)C位置(與A位置同一點(diǎn))。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)就是測讀A、B、C位置時(shí)候的土體反力大小,進(jìn)而將其換算成不同的指標(biāo)來反映原位土體的性質(zhì)參數(shù)。

2 膜片的校正

在空氣中,膜片會輕微地自然向外突出,通常會位于A、B位置之間。由于膜片本身材料的屬性,它由自然狀態(tài)向內(nèi)、向外的位移都需克服其本身所具有的一定剛度,而這部分需要克服的力在讀取不同位置“土壓力”時(shí)已被包含在A、B讀數(shù)之中,若需獲得反映真實(shí)土壓力的值,則需對A、B值加以修正。在自然空氣中,使膜片向內(nèi)位移至A位置處,外部所需施加的力定義為ΔA；使膜片向外位移至B位置處,內(nèi)部所需施加的力定義為ΔB。

ΔA的獲取：對扁鏟內(nèi)部抽真空至蜂鳴器響,保持一段時(shí)間,然后加壓至蜂鳴器停止聲響,此時(shí)膜片位移A位置處,從儀表盤中即可讀出ΔA的值。

ΔB值的獲取：當(dāng)記錄完ΔA值的時(shí)候,繼續(xù)加壓至蜂鳴器再次響起,此時(shí)膜片位于B位置處,此時(shí)從儀表盤中讀取的讀數(shù)即為ΔB。

ΔA和ΔB對試驗(yàn)結(jié)果的影響最為直接和顯著,因此尤為重要,須反復(fù)測讀以確保讀數(shù)的準(zhǔn)確性。同時(shí),ΔA值和ΔB值的大小能反映膜片是否適用于進(jìn)一步的試驗(yàn),規(guī)定ΔA值的有效范圍為5～25 kPa,ΔB值的有效范圍為10～110 kPa,任何超過這個(gè)范圍的讀數(shù)都將被視為膜片損壞,須立即更換新膜片方可繼續(xù)試驗(yàn)。另外,在每次試驗(yàn)前后,試驗(yàn)操作人員都必須測讀這兩個(gè)值。若試驗(yàn)前后讀數(shù)相差很大,一般認(rèn)為膜片在試驗(yàn)過程中已經(jīng)損壞,也即試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)作無效處理；若讀數(shù)接近,通常采用兩者的算術(shù)平均值。試驗(yàn)過程中應(yīng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)A、B進(jìn)行校核,若B-A<ΔA+ΔB時(shí),應(yīng)停止貫入,做好檢查記錄[3]。

3 數(shù)據(jù)的整理

3.1 P0、P1和P2的換算

試驗(yàn)中所測A、B、C值,僅為對應(yīng)位置時(shí)扁鏟內(nèi)部的氣壓,須將其換算成實(shí)際位置的土壓力值。定義P0為扁鏟感應(yīng)盤面處(以下稱之為“零位置”)的土壓力、P1為B位置處的土壓力、P2為膜片回復(fù)至A位置時(shí)的土壓力,則有如下關(guān)系

P0=1.05(A-Zm+ΔA)-0.05(B-Zm-ΔB)

(1)

P1=B-Zm-ΔB

(2)

P2=C-Zm+ΔA

(3)

式中,Zm為氣壓零位讀數(shù)。

圖1和圖2為兩個(gè)P0/P1與深度的關(guān)系。

圖1 099孔P0P1與深度的關(guān)系

圖2 105孔P0P1與深度的關(guān)系

3.2 中間參數(shù)

在換算得P0、P1和P2的基礎(chǔ)上,Marchetti等人又定義了四個(gè)中間參數(shù),并通過這些中間參數(shù)再建立與各土工參數(shù)之間的關(guān)系。

材料指數(shù)ID

ID=(P1-P0)/(P0-uw)

(4)

水平應(yīng)力指數(shù)KD

KD=(P0-uw)/σ′v0

(5)

側(cè)脹模量ED

ED=34.7×(P1-P0)

(6)

孔壓指數(shù)UD

UD=(P2-uw)/(P0-uw)

(7)

uw——土的靜水壓力/kPa。

4 主要巖土參數(shù)

4.1 土類指數(shù)ID

材料指數(shù)ID是反映土性的一個(gè)重要扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù),可根據(jù)其劃分地基土層和定名[3](如表1所示)。

表1 幾種土層的ID值范圍

相比靜力觸探試驗(yàn)而言,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)大大避免了土體的拱效應(yīng),與圓柱形的靜力觸探探頭相比,對土體的擠壓和擾動(dòng)均較小,測試所獲得的參數(shù)較為穩(wěn)定,更能體現(xiàn)其原位測試的本質(zhì)。圖3和圖4為天津某工程099孔與105孔扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)孔與靜力觸探試驗(yàn)對比測試孔的綜合對比曲線,從中可看出兩種試驗(yàn)曲線都能很好地反映巖土體的強(qiáng)度特性、變化位置, 測試結(jié)果具有高度的一致性。

圖3 099孔扁鏟與靜力觸探劃分土層的比較

圖4 105孔扁鏟與靜力觸探劃分土層的比較

4.2 靜止側(cè)壓力系數(shù)K0

扁鏟探頭壓入土中,對周圍的土體產(chǎn)生擠壓,因此,不能夠直接測定原位初始測向應(yīng)力,但是可以建立水平應(yīng)力指數(shù)KD與靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的關(guān)系式。

Marchetti最初于1980年通過軟土地區(qū)的扁鏟試驗(yàn)與其他試驗(yàn)的研究對比,建立了水平應(yīng)力指數(shù)KD與K0之間的關(guān)系[4]

K0=(KD/1.5)0.47-0.6 (ID<1.2)

(8)

由Laccssea和Lunne(1988)根據(jù)挪威試驗(yàn)資料,提出的計(jì)算公式[5]

當(dāng)KD>4時(shí),m=0.44；KD<4時(shí),取m=0.24。

《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》中認(rèn)為該式計(jì)算結(jié)果略為偏大,提出用以下計(jì)算較為合適[3]

(9)

在國內(nèi),唐世棟等人對上海地區(qū)的工程資料進(jìn)行了研究,運(yùn)用Mindlin解建立了經(jīng)驗(yàn)公式[6]

K0=0.2KD

(10)

在天津某工程中進(jìn)行了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。在其中099孔,105孔附近鉆孔取樣,做了室內(nèi)土工K0試驗(yàn)。將扁鏟試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按Marchetti所建立的公式、Lunne所建立的鐵路規(guī)范中的公式以及用Mindlin解建立的公式進(jìn)行了計(jì)算,所得結(jié)果與對應(yīng)深度土樣的土工試驗(yàn)值進(jìn)行了對比(如圖5、圖6所示)。

圖5 099孔K0計(jì)算比較

扁鏟試驗(yàn)時(shí)每隔20 cm可測取一次結(jié)果,算得的K0值在圖中為近似連續(xù)曲線,可以清楚地反映出土性隨深度的變化。在圖5、圖6中,室內(nèi)土工試驗(yàn)值比計(jì)算值偏小,這與土工實(shí)驗(yàn)土樣采集、運(yùn)送、試驗(yàn)取值標(biāo)準(zhǔn)掌握有關(guān)。另外,按Lunne公式、Mindlin公式和Marchetti公式計(jì)算的值依次增大,且Lunne公式和Mindlin公式在下部地層中變化趨勢基本一致(5 m以下)。在105孔,用Lunne公式計(jì)算所得的值與室內(nèi)試驗(yàn)值比較接近,某些深度近似吻合。在0～5 m深度范圍內(nèi),三種曲線跳躍較大,計(jì)算結(jié)果差別較大,這是由于在5 m以上主要是全新世晚期沉積的褐黃色、灰黃色粉質(zhì)黏土,即軟土表層的硬殼層,其性質(zhì)與正常固結(jié)土不同,其水平向應(yīng)力未得以釋放,從而導(dǎo)致水平向有效應(yīng)力與上覆土有效壓力的比值要比正常固結(jié)土大,有時(shí)甚至出現(xiàn)K0大于1的情況。

5 結(jié)論

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在測試土體水平向參數(shù)時(shí)有其獨(dú)特的適用性，比室內(nèi)土工試驗(yàn)方法更為簡便、迅速。由于在原位土體中進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果更能反映土體的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。

每一種公式都有一定的適用范圍,實(shí)際中應(yīng)根據(jù)不同的條件選取合適的公式計(jì)算。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)也存在著許多不足,大多數(shù)成果是建立在和其他相關(guān)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,導(dǎo)致其成果的應(yīng)用不具有普遍性,各地區(qū)需要根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整，以滿足工程實(shí)際需求。

[1]朱火根，等.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的土性指數(shù)ID在上海軟土地層中的分布規(guī)律研究[J].巖土工程界,2005，8(1)

[2]徐 超，等.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在軟土地基評價(jià)中的應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué),2005，26(10)

[3]TB10018—2003 鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程[S]

[4]朱帆濟(jì)，等.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)確定軟土靜止側(cè)壓力系數(shù)[J].市政技術(shù),2008，26(2)

[5]張惠忠.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式推薦[J].地下工程與隧道,2003(1)

[6]唐世棟，等.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解初始水平應(yīng)力和靜止側(cè)壓力系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006，28(12)