扁鏟側脹試驗在晉中至太原城際鐵路勘察中的應用

劉如太 武旺芝

(中國建筑材料工業地質勘查中心山西總隊，山西 太原 030031)

扁鏟側脹試驗在晉中至太原城際鐵路勘察中的應用

劉如太 武旺芝

(中國建筑材料工業地質勘查中心山西總隊，山西 太原 030031)

介紹了扁鏟側脹試驗的原理、試驗過程、數據分析及試驗成果在劃分土類、求解側向基床反力系數和壓縮模量中的應用，并與室內土工試驗和靜力觸探試驗得到的參數指標進行了對比，為工程的巖土工程分析及地基基礎設計提供了土性參數,可為同一地區類似工程提供參考。

扁鏟側脹試驗，側向基床反力系數，壓縮模量，土工試驗

1 概述

扁鏟側脹試驗(簡稱DMT)是巖土工程勘察中的一種先進水平向的原位測試方法，具有操作簡單、快速經濟和擾動小等優點，目前已廣泛應用到鐵路、公路和工民建等工程的巖土工程分析評價中，為地基基礎方案的設計提供了可靠的參數。

本文介紹了在晉中至太原城際鐵路勘察中的扁鏟側脹試驗和成果應用。地基土為沖洪積成因的粉土、粉質粘土和砂土，通過試驗獲得了各測試點的扁鏟側脹試驗數據，通過對試驗數據的整理和分析，用于評價土的類型、確定粘性土的塑性狀態、計算土的靜止側壓力系數和側向基床反力系數等，為工程的巖土工程分析及地基基礎設計提供了較為可靠的土性參數,可以為同一地區的類似地基的原位試驗提供參考。

2 扁鏟側脹試驗原理

本次扁鏟側脹試驗采用的是DMT-W3型扁鏟側脹儀。扁鏟側脹試驗[1]是利用靜力將接在探桿上的扁鏟側頭壓至地基土中的試驗深度，利用施加氣壓，使位于扁鏟側頭的圓形鋼膜向地基土中膨脹，以測得膜片中心到達0.05 mm和1.10 mm時膜片上三個位置(A，B，C)的氣壓值，利用土體的彈性理論得到膜片在不同位置時的土壓力p0,p1和p2，由p0,p1和p2可得到扁鏟試驗基本參數[2]：側脹模量ED、材料指數ID、孔隙水壓力指數UD和水平應力指數KD。

3 試驗過程

3.1 膜片的校正

扁鏟膜片在每個孔的試驗前后必須進行校正。膜片的校正是為了克服膜片本身的剛度對實驗結果的影響[3]，通過校正可以得到膜片的標定值ΔA和ΔB，膜片合格的標定值一般為ΔA=-5 kPa～-25 kPa，ΔB=10 kPa～110 kPa，ΔA和ΔB可用于對A,B,C讀數進行修正。膜片在自然狀態下處于特定A,B位置間(0.05 mm～1.10 mm)，ΔA是采用率定氣壓計通過對扁鏟探頭抽成真空，使膜片從自然位置回縮到距離基座0.05 mm時所需的負壓力；ΔB是通過對扁鏟探頭施加正氣壓，使膜片從自由位置回到距離基座1.1 mm時所需要的正壓力。新膜片的ΔA,ΔB大多不在其許可范圍內，需要對膜片進行老化處理[4]，當經老化處理的膜片降至許可范圍內，再按膜片校正方式，正確測定ΔA,ΔB數值，直至穩定，扁鏟測頭方可投入使用。

3.2 試驗準備

將氣—電管路貫穿在探桿中，一端跟扁鏟測頭連接，另一端跟測控箱的測頭插座連接；估算一下鋼瓶氣體是否滿足該測試需要，檢查測控箱、壓力源設備是否完好，彼此用氣電管路連接；地線接到測控箱的地線插座上，另一端夾到探桿上；檢查電路，用手輕按膜片中心，蜂鳴器會響，則電路正常；再用氣源氣壓綜合率定膜片，將率定值記錄在記錄紙上，以便試驗時校對。

3.3 DMT測試過程

扁鏟探頭以2 cm/s的速度壓入土中，試驗點的間距取50 cm。貫入過程中排氣閥始終是打開的，當探頭達到預定深度后[3]：關閉排氣閥，緩慢打開微調閥，將壓力緩慢增加，當蜂鳴器和電流計停止動作瞬間記下A讀數氣壓值；然后不停頓地繼續緩慢加壓，直到蜂鳴器響，電流計動作時，記下B讀數氣壓值；立即打開排氣閥，快速減壓到蜂嗚器聲音停止，以防止膜片繼續膨脹損壞膜片；貫入到下一點指定深度，重復下一次實驗。試驗結束后，應立即提升探桿，取出扁鏟測頭，并對扁鏟探頭進行標定，獲得試驗后的ΔA和ΔB。ΔA和ΔB應在允許范圍之內，且實驗前后ΔA和ΔB相差不應超過25 kPa，取試驗前后的平均值作為修正值。

4 數據整理

4.1 實驗數據修正

在數據整理前，首先應保證B-A≥ΔA+ΔB。由A,B,C值經膜片修正系數的修正后可分別得出試驗位置處的土壓力[5]P0,P1和P2。

P0=1.05(A+ΔA)-0.05(B-ΔB);

P1=B-ΔB;

P2=C+ΔA。

式中：P0——土體水平位移0.05 mm(即A點)時，土體所受的側壓力；

P1——土體水平位移1.10 mm(即B點)時，土體所受的側壓力；

P2——恢復初始狀態(即B點)時，土體所受的側壓力。

根據上述參數，可以分別繪制P0，P1，ΔP(即P1-P0)與深度H的變化的完整連續曲線，ΔP—H曲線與靜力觸探曲線非常一致。

4.2 扁鏟試驗基本參數

根據P0,P1和P2值可由下式計算出4個試驗基本參數。

材料指數：

水平應力指數：

孔隙水壓力指數：

扁鏟側脹模量：

ED=34.7(P1-P0)。

其中，u0為試驗深度處的靜水壓力，kPa；δvo為試驗深度處的有效上覆土壓力，kPa。

5 成果應用

5.1 劃分土類

根據試驗基本參數，按地區經驗用ID可劃分土類，意大利人Marchetti提出了依據材料指數ID劃分土類的標準為：ID≤0.6時為粘性土；0.61.8為砂土。本次試驗經統計得出：本次試驗的晉中地區粉質粘土ID=0.35～0.6，粉土ID=0.45～1.92，細砂ID=1.8～3.2。與Marchetti標準相比，粉土的ID值相差較大，這是由于各地區的土性不完全相同，它可以為同類地區應用扁鏟側脹試驗的ID值進行土類劃分提供參照。

5.2 求解土層側向基床反力系數

扁鏟側脹試驗代表了土體在小應變情況下似彈性階段的側向基床反力系數Kh0，在實際工程中的側向基床反力系數Kh往往處于彈—塑性階段或塑性階段的應力狀態。實用時側向基床反力系數除了與土體本身的性質有關外，還受基礎尺寸、基礎形狀及剛柔性和加荷速率等因素的影響。

目前已有多種利用扁鏟側脹試驗求解側向基床反力系數的關系式，綜合考慮到經上各種影響因素的是如下的關系式[6]：Kh=λ1λ2λ3Kh0，其中，Kh0為側向基床反力系數試驗值，Kh0=3Δp/2s(0);s(0)為DMT中膜片中心點的位移量，為1.10 mm；Δp為相應的土壓力增量；λ1為寬度修正系數，與基礎實際直徑或寬度和土性有關；λ2為形狀及剛柔度修正系數；λ3為加荷速率修正系數，與試驗土層的性質有關。

雖然通過扁鏟側脹試驗計算側向基床反力系數Kh的影響因素較多，但扁鏟側脹試驗值Kh0與實際的Kh存在總體上呈正比例關系，可以用一個總的修正系數λ對試驗值進行修正，Kh=λKh0。修正系數λ綜合對比各類數據，建議在晉中地區粉土層λ取0.05～0.07，粉質粘土層λ取0.02～0.04，細砂層λ取0.06～0.09，這與其他地區的建議值有較大的差異，這是由于各地土體沉積時的環境、氣候和物質的差異造成的土性不盡相同引起的。

5.3 求土的壓縮模量

由扁鏟側脹試驗可以求得土體的側脹模量ED，考慮到豎向壓縮模量Es與側脹模量的關系，Marchetti提出應用扁鏟側脹模量計算壓縮模量的經驗公式，即Es=RmED，Rm是ID和KD的函數，一般情況下Rm≥0.85。本次測試由該公式得出的壓縮模量比土工試驗結果值偏大，詳見表1。但該成果更真實地反映了土體的原始受力狀態，可以作為本地區地基基礎設計的依據。

表1 扁鏟側脹試驗壓縮模量與土工試驗成果比較

6 結語

1)由扁鏟側脹試驗結果統計得出：晉中地區粉質粘土和砂土的ID與Marchetti標準相比，比較吻合，而粉土的ID值相差較大，這是由于各地區的土性不完全相同，在晉中地區可以應用扁鏟側脹試驗的ID值進行土類劃分。

2)側向基床反力系數除了與土體本身的性質有關外，還受基礎尺寸、基礎形狀及剛柔性和加荷速率等因素的影響。建議晉中地區粉土層λ取0.05～0.07，粉質粘土層λ取0.02～0.04，細砂層λ取0.06～0.09，這與其他地區的建議值有較大的差異，這是由于各地土體沉積時的環境、氣候和物質的差異造成的土性不盡相同引起的。

3)由扁鏟側脹試驗結果及經驗公式得出的壓縮模量比土工試驗結果值偏大，但扁鏟側脹試驗更真實地反映了土體的原始受力狀態，由此得出的壓縮模量可以作為本地區地基基礎設計的依據。

[1] 繆永華,沈華駿.扁鏟側脹試驗求解側向基床反力系數的應用[J].山西建筑,2009,35(24):125-126.

[2] 趙中華.扁鏟側脹試驗技術的應用研究[J].土工基礎,2014,28(1):104-105.

[3] 實習指導書0124092.doc-max[OB/L].互聯網文檔資源(http://m.book118.com/html/2015/0613/18947501.shtm),2016.

[4] 土體原位測試指導書.互聯網文檔資源(http://www.docin.com/p-474536532.html),2012.

[5] 余洽棟,王想勤.扁鏟側脹試驗和其他原位測試試驗的對比研究[J].科協論壇(下半月),2007(2):97-98.

[6] 唐世棟,林華國.用扁鏟側脹試驗求解側向基床反力系數[J].巖土工程學報,2003,25(6):692-693.

OnapplicationofflatdilatometertestinJinzhong-Taiyuaninter-cityrailwaysurvey

LiuRutaiWuWangzhi

(ShanxiBranchofChinaBuildingMaterialsIndustryGeologicExplorationCenter,Taiyuan030031,China)

The paper introduces the principle, test process, data analysis and test results for the flat dilatometer test in the classification for the soil types, the solution to lateral machine’s reaction coefficient and compression modulus, and compares it with the parameter indexes of the indoor civil tests and static sounding test, so as to provide some soil parameter for the geotechnical engineering analysis and foundation design, and provide some reference for similar projects of the same area.

flat dilatometer test, lateral machine’s reaction coefficient, compression modulus, civil test

1009-6825(2017)23-0063-02

2017-06-02

劉如太(1969- )，男，高級工程師

TU413

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