天津地區扁鏟側脹試驗應用研究

司鵬飛(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)Study and Application of Flat Dilatometer Test in TianjinSI Pengfei

天津地區扁鏟側脹試驗應用研究

司鵬飛(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)Study and Application of Flat Dilatometer Test in TianjinSI Pengfei

摘要在對扁鏟側脹試驗工作原理、標定方法、現場試驗及數據處理作簡要介紹的基礎上，結合天津地區某工程實例，對扁鏟側脹試驗的部分成果進行分析，將扁鏟側脹試驗與室內試驗、靜力觸探試驗的試驗成果進行對比。

關鍵詞扁鏟側脹試驗靜力觸探試驗土類指數靜止側壓力系數

扁鏟側脹儀[1]由意大利學者Marchetti在20世紀70年代末期發明，是一種適用于軟土、一般黏性土、粉土，松散—中密砂土的原位測試方法[2]。該儀器操作簡單、重復性好、人為影響因素小、經濟適用，故發展很快[3]，在北美及歐洲已經列入一些相關規范中。

在國內，隨著扁鏟側脹試驗(DMT)的推廣，該試驗已經被列入《巖土工程勘察規范》和《鐵路工程地質原位測試規程》，其在巖土工程中的應用主要有劃分土層，判別土類，確定土的重度，確定靜止側壓力系數，測定水平基床系數，計算黏性土不排水抗剪強度，確定土的變形參數，確定砂土有效內摩擦角，地基液化判別等[4]。

根據相關研究[5-7]，扁鏟側脹試驗指標受土性影響較大。由于各地土體沉積時的環境氣候和物質組成等的不同，各個地區的土層性質存在較大差異。因此，在使用扁鏟側脹試驗指標時，還需要結合地區經驗。

1試驗設備方法及資料整理

1.1　試驗設備

扁鏟側脹試驗設備組成：扁鏟探頭，控制箱，氣-電管線，壓力源，貫入設備和探桿等。扁鏟探頭是一個長約23 cm，寬約9.5 cm，厚1.5 cm，底部為楔形的測頭，扁鏟探頭的一面裝有一片可膨脹(直徑為6.0 cm)圓形鋼質膜片，通過穿在探桿中的管路與地面操作箱連接，可以利用液壓鉆機或靜力觸探設備將扁鏟探頭壓入土中。

1.2　工作原理

扁鏟探頭內部通過電路連通時，檢流計會顯示讀數，這時蜂鳴器也會響起。扁鏟探頭膜片與感應盤之間有根細小的圓柱體，圓柱體的作用是指示膜片與感應盤之間的位移，分別是0.05 mm(A位置)與1.10 mm(B位置)，加壓過程之中，當膜片與感應盤之間的位移達到這兩個位置時，探頭內部電路會接通，蜂鳴器響起，記錄A值和B值。減壓過程中，膜片回到0.05 mm，蜂鳴器再次響起，記錄C值。將A、B、C值整理換算成相應指標，即可反映土體的相關性質[3]。

1.3　試驗率定

實驗前和試驗后，應先對扁鏟探頭進行率定。氣壓克服膜片剛度并使膜片中心在空氣中膨脹0.05 mm所需的氣壓稱為ΔA。氣壓克服膜片剛度并使膜片中心在空氣中膨脹1.10 mm所需的氣壓稱為ΔB。膜片合格的率定值一般為ΔA=5～25 kPa，ΔB=10～110 kPa，如果率定值超過合格率定值，則需要更換膜片再進行試驗。對比試驗前和試驗后的ΔA和ΔB，兩者讀數必須接近，取兩者的算術平均值作為率定值；否則，認為試驗過程中存在較大誤差，試驗數據無效。

1.4　現場試驗

試驗時，使用貫入裝置將扁鏟探頭壓入土中預定的深度，通過增加氣壓使膜片膨脹，分別記錄膜片向外膨脹至0.05 mm、1.10 mm 和回復到位移0.05 mm 時的壓力A、B、C值。需要注意的是，試驗過程中應對試驗數據A、B進行校核，若B-A<ΔA+ΔB時，應停止貫入，做好檢查記錄[8]。

1.5　資料整理

試驗測得的A、B、C值，經過修正和換算，得到實際壓力值，分別為：初始壓力p0(扁鏟膜片中心位移至0.05 mm時的壓力)，p1(扁鏟膜片中心移至1.10 mm時的壓力)，終止壓力p2(扁鏟膜片中心回到0.05 mm時的壓力)，有如下關系

(1)

式中，Zm為通氣時壓力表零位讀數(采用傳感器量測的數顯儀表，不考慮Zm值的影響，因儀表本身有調零裝置[9])。

由Marchetti教授的理論[1]可知，扁鏟側脹試驗中，膜片向外擴張的過程，將膜片四周土體假設為無限彈性介質，均勻荷載施加在膜片上。扁鏟側脹試驗的土類指數、水平應力指數、側脹模量、孔壓模量可分別由p0、p1、p2計算。

土類指數

(2)

水平應力指數

(3)

側脹模量

(4)

孔壓模量

(5)

2地層概況

依托工程項目為天津市某地鐵工程。試驗場地地層中，扁鏟側脹試驗涉及的地層主要為第四系全新統人工填土層(人工堆積)、第Ⅰ陸相層(第四系全新統上組河床—河漫灘相沉積)、第Ⅰ海相層(第四系全新統中組淺海相沉積)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統下組河床—河漫灘相沉積)。

受扁鏟側脹試驗測試深度限制，列出的僅為扁鏟側脹試驗涉及的地層，埋深20 m左右。另外，由于人工堆積層的成分較雜，離散較大，故不作統計分析。表1是試驗場地地層主要物理力學指標。

3靜止側壓力系數K0

靜止側壓力系數K0(在不允許有側向變形的情況下，土樣受到軸向壓力增量將會引起側向壓力相應增量的比值[10])在基坑工程中有重要作用，是計算基坑支護結構上土壓力分布和可靠度分析的關鍵參數。

《鐵路工程地質原位測試規程》中，對于KD為1.5～4.0的一般飽和黏性土，靜止側壓力系數K0可按下式計算[8]

(6)

本工程共完成21個扁鏟側脹試驗孔，用式(6)計算K0，并利用該工程中鉆孔取樣所做的室內土工K0試驗作為對比，結果如表2。

從表2中可以看出，扁鏟側脹試驗所得K0普遍高于室內試驗值，對比不同地層，在細節上又有不同。

4土類指數ID

土類指數ID是一個反映土體軟硬狀態及強度大小的參數，不同土類的物理力學性質一般是不同的。一般情況下，粉土的強度大于黏性土的強度，而砂土的強度又大粉土強度，《鐵路工程地質原位測試規程》中就列出了常見土類的ID，見表3。

扁鏟側脹試驗可以有效避免土體的拱效應，對土體的擠壓和擾動較小，獲得的參數較為穩定，更能反映真實的土體性質。

4.1　深度曲線研究

為了直觀研究扁鏟側脹試驗，對在工程中搜集的扁鏟側脹試驗和靜力觸探試驗數據進行了統計和分析。收集了天津某地鐵工程中的21個扁鏟側脹孔、1 591個點的試驗數據，圖1～圖3為其中10XJ-ML15孔、10XJ-MW05和10XJ-WC12孔扁鏟側脹試驗與靜力觸探試驗對比試驗孔的綜合對比曲線，經對比分析，發現扁鏟側脹試驗中的ID曲線與靜力觸探qc曲線具有較好的對應性，在反映土體強度特性和變化位置都具有高度的一致性。

4.2　ID與qc關系分析

由圖1～圖3可知，土類指數ID和端阻qc之間有某種對應關系，并且這種關系很有可能是線性或比例關系。對土類指數ID和端阻qc進行對比分析：為了更直觀的揭示兩者對應關系，現將所有ID和qc試驗點數據通過散點圖的形式表現出來，圖4包含了天津某地鐵工程中21個扁鏟側脹試驗兼靜力觸探孔1 591組土層的ID和qc數據，根據這些數據點計算出一條趨勢線，并得出其關系式。

由圖4可見，所有數據點都在均勻分布在趨勢線兩側，表明這條趨勢線很大程度上能夠反映出土層土類指數ID和端阻qc之間的對應關系，而在實際工作中，這種簡單的對應關系也很容易被加以利用。

可以得出扁鏟側脹試驗土類指數ID和靜力觸探試驗端阻qc有如下的關系式

ID=0.550 3qc+0.137 7

將離散性考慮在內，可將上式表達如下

ID=(0.5~0.6)qc+0.137 7

5結束語

對比扁鏟側脹試驗和室內試驗取得的靜止側壓力系數，可看出土的靈敏度對靜止側壓力系數值有較大影響，靈敏度越高的土，扁鏟側脹試驗取得數據與室內試驗取得數值差別越大。

討論了扁鏟側脹試驗和靜力觸探試驗之間在反映土體性質方面的關系，這兩種試驗可以相互驗證，提高試驗的可信度。另外，在扁鏟側脹試驗不易到達的土層中，可以用靜力觸探參數推導扁鏟側脹試驗參數。

當然，受制于扁鏟試驗深度的影響，目前試驗結果主要集中在20 m以上的黏土、粉質黏土、松散—稍密粉土、砂土地層，正是由于難以穿過中密以上粉土、砂土層，導致扁鏟側脹試驗較深土層試驗資料嚴重匱乏，使得中密—密實粉土、砂土中扁鏟試驗數據與靜力觸探數據的對比分析不足，無法取得更加客觀準確的分析結果。隨著貫入設備和扁鏟探頭的進步，扁鏟側脹試驗所能達到的土層深度越大，試驗的土類也越多，試驗數據更加豐富，也就能夠找到更準確的ID和qc關系。

參考文獻

[1]Marchetti S. In-situ tests by flat dilatometer. Journal of the Geotechnical Engineering Divisio. ASCE， 1980，106

[2]GB 50021—2001巖土工程勘察規范[S]

[3]茹杉杉.扁鏟側脹試驗在天津某工程勘察中的運用[J].鐵道勘察，2011(5)

[4]樊向陽，莫群歡，張繼紅，等.扁鏟側脹試驗計算地基承載力[J].工程地質學報，2005，13(1)

[5]Marchetti S. The flat dilatometer test (DMT) in soil investigations[A]. In: IN-SITU 2001， International Conference on In-situ Measurement of Soil Properties[C]. Bali Indonesia: [s.n.], 2001

[6]陳國民.扁鏟側脹試驗及其應用[J].巖土工程學報，1999,21(2)

[7]陳國民.扁鏟側脹試驗及其在巖土工程中應用[J].巖土工程師，2001,13(2)

[8]TB10018—2003鐵路工程地質原位測試規程[S]

[9]李雄威，蔣剛，朱定華，等.扁鏟側脹原位測試的應用與探討[J].巖石力學與工程學報，2004，23(12)

[10]常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2007

中圖分類號：TU413

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)06-0053-04

作者簡介：司鵬飛(1986—)，男，2013年畢業于同濟大學地質工程專業，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-11-18