扁鏟側脹試驗及其貫入擾動研究綜述

徐慧萍 江山市政府投資項目評審中心

1 前言

扁鏟側脹試驗（DilatometerTest，簡稱DMT）原名馬氏松脹儀試驗（The Flate Dilatometer Test，簡稱DMT）最早在北美和歐洲使用，它已在我國越來越多的單位使用扁鏟側脹試驗進行巖土應用。平脹試驗是用靜力或錘擊力將扁鏟探頭插入土壤中。到達試驗深度后，平鏟側面的圓鋼膜片被氣壓向外膨脹，取得了一些土壓力與變形關系的旁壓試驗。為平面膨脹試驗提供了一些有益的結論和參數，可用于地基處理、樁基工程、基坑工程、等復雜的接觸巖土工程問題。適用于處理各種砂土、粘性土、和濕性黃土。其操作簡便，可重復性水平高、經濟、干擾小、土壤參數多、剖面近似連續等優點。1997年浙江溫嶺南光地質廠與國內器開始發聲，并成功研制出dmt-w1型扁鏟側脹儀。目前，該技術已列入國家標準《巖土工程勘察規范》。

2 試驗儀器和原理

2.1 試驗儀器

扁鏟側脹儀的基本組成包括：扁鏟側脹儀探頭、鉆桿、氣電管線、測控箱、輸氣管線、氣壓源，如圖1所示。

圖1 扁鏟試驗儀器組成及布置圖

扁鏟探頭：外形尺寸高160mm，寬94mm，厚14mm，底部20度楔形，高40mm。在鏟頭的中間是一個直徑為60mm、厚度約為0.2mm的圓形隔板。隔板中心距頂部110mm，兩側47mm。

鉆桿：一般采用靜力觸探鉆桿。

氣-電管路：主要用于保護平鏟探頭與測控箱之間的氣壓連接和電路。通常用尼龍不銹鋼絲包裹，兩端安裝特殊的金屬接頭。

測控箱：主要包括壓力測量儀表、壓力源接口、接地、進氣門、排氣門、檢流計、蜂鳴器等。當測控箱內部電路接通時，電路形成回路，使測控箱上的蜂鳴器響起，這是控制膜片的唯一信號，根據信號讀數，確定了不同位移隔膜的地基反力。

輸氣線：連接氣壓源和測控箱，使得氣壓儀表能夠正確讀出不同時刻的土體對于膜片的反力值。

氣壓源：通常使用的是氮氣瓶。

2.2 工作原理

平鏟內部有一個控制電路。當電路接通時，電流計讀數，蜂鳴器鳴響，從而給出膜片不同位移的信號。絕緣塑料底座與感應板及下方的鋼體連接，起到控制電路開關的作用。感應盤仍固定在絕緣底座中。平鏟探頭進入土壤時，膜片靠近感應盤，處于零位。電路接通，蜂鳴器鳴響。在氣壓的作用下，內膜在內外土壓力達到平衡后才發生移動，隨著氣壓的不斷輸入，膜片開始膨脹，逐漸脫離傳感盤，但仍與傳感器相連。當膜片脫離傳感器時，到達位置A，當膜片脫離感應器的瞬時（到達0.05mm），這時電路斷開，則電路斷開，蜂鳴器停止。直到膜片膨脹接觸不銹鋼柱和感應板（到達位置B，膜片距離基座1.10mm時的氣壓值），使其緩慢降壓直至蜂鳴器停后再次響起。此時，壓力可以降低。當蜂鳴器停止時，膜片將返回位置B，當蜂鳴器再次鳴響時，膜片側與傳感器接觸到位置C（與A位置相同的點）。扁鏟側脹試驗就是測讀A、B、C位置時候的土體反力大小，將其換算成不同的指標來反映原位土的性質。

3 扁鏟側脹試驗的優點及缺點

扁鏟側脹試驗和其他原位測試試驗的對比研究，扁鏟側脹試驗具有以下優點。①重復性好、經濟、速度快，每1min～2min可完成一個測點；②每20cm可進行一次試驗，得到土壤性質隨深度的變化曲線；③試驗有兩個參數，可以準確預測土體的第二個參數，同時還可以簡單反映土體應力歷史對土體強度的影響；④試驗對水平應力具有較高的敏感性，可用于沉降分析和地基處理效果檢驗；⑤平探頭能減輕對孔壁土體的擾動，基本維持了土體的地應力狀態；⑥試驗所需的能源和材料很少，容易獲得且不會對環境造成污染；⑦試驗結果簡單明了，便于工程應用；⑧設備可攜帶，進出現場方便，可使用多種穿透設備；⑨在實際工程中，橫隔梁的小變形與土體的彈性變形相吻合；⑩扁鏟側脹試驗適用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黃土等，不適用于含碎石的土。

然而，扁鏟側脹試驗也有以下缺點。①由于扁鏟探頭的復雜性，目前還沒有一個理想的數學模型，可以從理論上推導出各土壤參數的計算公式。每個參數主要依賴于局部工程數據的概率統計，因此每個公式的應用都有很大的區域局限性，采用不同的計算方法會有不同的結果。②探頭膜片面積小，試驗限制在小變形的彈性范圍內。③扁平探針對敏感黏土和膠結砂也有干擾作用。④含塊狀石塊和中粗砂的土體，平鏟隔膜易損壞。⑤試驗前，氣電管道應穿過鉆桿。如果要加深測試深度，會帶來不便。

4 扁鏟側脹試驗研究現狀

4.1 提供設計所需的土巖工程技術參數

扁鏟側脹試驗能一次獲得多個設計參數，可與室內土工試驗參數得到的地基承載力特征值，總結側脹模量和靜力觸探試驗或以及十字板剪切試驗之間的相關性，從而提供多種土壤參數。1975年～1980年，馬爾切蒂在意大利40多個有代表性的地區進行了一系列具有代表性的研究進展與成果，通過扁鏟側脹試驗，得到了靜側壓力系數K0、不排水抗剪強度Cu、超固結比OCR、側壓模量m（國內稱es）等土性參數的經驗公式。

4.2 巖土工程中的應用

①土壤分類和土壤容重的測定。1983年，Davidson和boghrat提出用剛性扁鏟側脹儀指數ID和1min超孔隙水壓力消散百分率（可通過壓力C消散試驗獲得）對土進行分類。

②砂土液化問題。Reyna研究了扁鏟側脹試驗、標準貫入試驗與砂土相對密實度的關系，提出了用KD判別砂土液化的方法。Reyna方法介于其他兩種方法之間。Marchetti建議用雷諾方法來判斷砂土的液化。

③測試地基處理效果。大量工程實踐表明，扁鏟側脹試驗對地基處理的檢測效果比靜態試驗更為明顯。

④確定超固結粘性土中滑動面的位置。1997年，Totani提出了通過對KD剖面的分析來確定滑動面位置的方法：在超固結粘性土中，KD一般大于2。因此，如果KD在超固結粘性土中小于2，則這是土壤的滑動面。

⑤水平荷載下樁的設計。1989年，Robertson等人提出了黏土和砂土中水平荷載與水平位移曲線P-y曲線設計方法；1991年，Marchetti將該方法改進為Pu=tanh（ESI，Y/Pu）。Pu為壓板試驗極限承載力；ESI是初始切線模量。

5 扁鏟側脹試驗侵徹過程的有限元數值分析

5.1 貫入機理研究現狀

與其他原位試驗相比，扁鏟側脹試驗在貫入機理上具有最大的優勢。目前常用的侵徹機理理論有承載力理論分析、空洞擴展理論分析和應變路徑法。

承載力理論（BearingCapacityTheories）是將土體視為剛塑性材料，該理論認為貫入阻力是由于錐頭貫入而引起的探針下方土體的整體剪切破壞，它是由土體在滑動面上的抗剪強度提供的，在分析時要假設一系列的滑動面進行試算，算出每個試算滑動面的穩定系數。

空穴擴張法（CavitiesExpansionMethods）是從均勻壓力作用下具有圓柱形或球形空腔的無限均質各向同性彈性體的彈性理論出發導出的。

應變路徑法（straintpath methods）是由baligh領導的研究小組經過十多年的研究于1985年正式提出的。Baligh假設，由于深穿透過程中嚴格的運動限制，探針周圍土壤的變形和應變幾乎不受土壤剪切特性的影響。因此，巴利說，這種問題是由應變控制的，后來的理論和實驗也證實了這一假設。其誤差在預期的合理范圍內，然后，利用估算的應變關系，利用符合實際情況的本構模型，在滿足平衡條件下，計算出近似的應力和孔隙壓力。

5.2 給定側向貫入位移的分析

在實際工程中側壁摩擦力很難確定，為了避開設定側壁摩擦力，給定側向位移貫入模擬中擬設兩個假定。在假定條件下不用再輸入側面摩阻力約束，而改之以應變控制的方法。通過對某些點位移條件的改變，可以獲得土體在此情況下的應力應變變化以及變形情況，從而進行貫入過程的模擬和分析。

以土中一定深度的區域為分析對象，通過建模計算，得到平鏟貫入前后土壤的應力應變的過程具有相當復雜的關系。ANSYS計算出土中各點達極限平衡時的應力及滑動方向，求得基底極限承載力。

通過貫入過程結果分析，貫入后，平鏟鏟尖附近土體應力很大，部分地區已超過土體承載力極限。在離擾動面不遠的表面上，擾動前后剪應力與剪切位移曲線上未出現明顯突變段，水平側向應力明顯增大，并引起一定位移。平鏟頭對稍遠土層的擾動主要是水平向上應力增大，較深的土層中傳遞并相應減少。

6 結束語

扁鏟側脹試驗可同時獲得多個巖土參數等優點，采用扁探頭時，對土體的擾動較小，能較好地保持原狀土。但在實際應用中，有必要根據本區不同地層的工程特點選擇合適的計算參數，并在此基礎上選擇適合本地區的公式，以促進扁鏟側脹試驗技術的應用。