扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)新模式教學(xué)的探索實(shí)踐

程 鵬， 李錦輝， 王海洋

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心，土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東深圳518055）

0 引 言

扁鏟側(cè)脹儀由意大利Marchetti教授在上世紀(jì)70年代發(fā)明，可用于原位測試軟土、黏土、粉土、黃土和松散-中密砂土等土質(zhì)的性能參數(shù)［1-2］。扁鏟側(cè)脹儀具有高效、操作簡單、小巧易攜帶、可連續(xù)測試、測試結(jié)果具有良好的重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)80年代就被寫入美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。該試驗(yàn)方法在20世紀(jì)90年代引入國內(nèi)后被廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域，現(xiàn)已寫入《巖土工程勘察規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)和《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》行業(yè)規(guī)范中［3-5］。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可用于以下用途：計(jì)算壓縮模量、測量不排水剪切強(qiáng)度Cu、測量側(cè)向受荷樁的P-y曲線、土質(zhì)分類、測量黏土的滲透系數(shù)、測量靜止土壓力系數(shù)、壓實(shí)度控制、砂土液化勢判別、測量砂土內(nèi)摩擦角

等，尤其適用于側(cè)向荷載較大的建筑工程［6］。

1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的原理

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（Flat Dilatometer Test，DMT）首先利用貫入設(shè)備（可與靜力觸探設(shè)備共用）、鉆機(jī)或其他野外現(xiàn)場設(shè)備將扁鏟貫入土層中，達(dá)到預(yù)定深度后，通過小型氣瓶對扁鏟進(jìn)行加壓，利用氣壓使扁鏟上的鋼膜片側(cè)向膨脹，分別測得膜片中心側(cè)向膨脹0.05 mm和1.10 mm時(shí)的氣壓值A(chǔ)值和B值，再測量膜片回縮到0.05 mm時(shí)的氣壓值，C值。根據(jù)氣壓與變形之間的關(guān)系，來獲得地基土的力學(xué)參數(shù)［7-8］。

鋼膜片達(dá)到0.05 mm和1.10 mm的時(shí)候可以通過蜂鳴器是否鳴響來做出精確判斷。扁鏟的內(nèi)部構(gòu)造見圖1，實(shí)物圖見圖2。

圖1 扁鏟結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 扁鏟實(shí)物圖

工作原理如同一個(gè)電開關(guān)，圖中絕緣墊將導(dǎo)體基座與扁鏟鋼體和鋼膜片隔離，導(dǎo)體基座與正極相連，鋼膜片與負(fù)極相連。在自然狀態(tài)下，線路被絕緣墊斷開，蜂鳴器不會(huì)鳴響。

（1）當(dāng)扁鏟插入土中，鋼膜片受到土壓力之后，會(huì)向內(nèi)收縮，當(dāng)鋼膜片與導(dǎo)體基座接觸時(shí)，整個(gè)線路連通，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出鳴響。

（2）施加氣壓使鋼膜片膨脹，當(dāng)膨脹量達(dá)到0.05 mm時(shí)，鋼膜片與導(dǎo)體基座脫開，線路斷開，蜂鳴器停止鳴響，此時(shí)氣壓讀數(shù)為A值。

（3）繼續(xù)施加氣壓使鋼膜片膨脹，由于彈簧的作用，鋼柱和玻璃柱被向外推出。膨脹量達(dá)到1.10 mm時(shí)，鋼柱與導(dǎo)體基座接觸，線路連通，蜂鳴器發(fā)生鳴響，此時(shí)氣壓讀數(shù)為B值。

（4）然后緩慢卸壓，鋼膜片重新向內(nèi)收縮，鋼柱開始脫離導(dǎo)體基座，線路斷開，蜂鳴器停止鳴響。

（5）鋼膜片繼續(xù)收縮，當(dāng)鋼膜片重新收至0.05 mm處時(shí)，鋼膜片與導(dǎo)體基座重新接觸，蜂鳴器又發(fā)生鳴響，此時(shí)氣壓讀數(shù)為C值。

2 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 需要足夠大的室外試驗(yàn)場地

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)是一種原位測試試驗(yàn)，需要在野外工地上進(jìn)行。貫入扁鏟需要搭配貫入儀、鉆機(jī)或其他野外現(xiàn)場設(shè)備。常用的手搖式靜力觸探貫入儀占地面積約為1 m×1 m，液壓貫入儀尺寸約為2 m×1.5 m。再加上學(xué)生的操作空間，每組至少需要10 m2的場地，一個(gè)班級(jí)可能需要找到將近60～100 m2的室外試驗(yàn)場地。對于寸土寸金的深圳或其他一線城市來說，顯然很難滿足上課需求。此外由于涉及到鉆探，試驗(yàn)場地難以重復(fù)利用，這就使得原本緊張的用地變得更加局促。對于沒有提前規(guī)劃場地的學(xué)校更是無法開展。

2.2 測試儀器搬運(yùn)不方便

常用的液壓靜力觸探貫入儀質(zhì)量在200 kg以上，需要使用專門的搬運(yùn)工具來運(yùn)輸。這一工作費(fèi)事費(fèi)力，嚴(yán)重影響課堂的效率。

2.3 對場地條件、土質(zhì)要求較高

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)一般在疏軟松散土中適宜性好，在堅(jiān)硬密實(shí)土中適宜性差，不適用于含碎石的土。若土質(zhì)不滿足要求，可能會(huì)損傷扁鏟的鋼膜片。此外，試驗(yàn)之前需要對場地進(jìn)行整平且表面無雜草、石塊等雜物，這無疑大大增加了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

2.4 室外場地的隨機(jī)性大，不利于結(jié)果分析

室外試驗(yàn)場地往往具有較大的隨機(jī)性，場地土質(zhì)的不確定性、土體本身的不均勻性等均會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)論的誤差［9］。很有可能會(huì)出現(xiàn)每個(gè)組的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同的情況，并且也無從得知正確的結(jié)論，也就無法準(zhǔn)確地對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行評(píng)分。

2.5 室外實(shí)驗(yàn)的開展受天氣影響

深圳是一個(gè)多雨的城市，每年的4～9月份為雨季。一方面雷雨天氣無法在室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，另一方面降雨過后會(huì)導(dǎo)致室外場地泥濘，也不利于開展實(shí)驗(yàn)。

3 新模式教學(xué)改革研究

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是一方面能夠使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，另一方面能夠使學(xué)生快速掌握解決實(shí)際工程問題的能力［10-14］。筆者針對扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)教學(xué)存在的難點(diǎn)，提出了新模式教學(xué)方法，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

3.1 構(gòu)建貫入系統(tǒng)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室即可分組操作

貫入系統(tǒng)由貫入裝置、貫入平臺(tái)、模型桶、平板推車4部分構(gòu)成，見圖3。

圖3 貫入系統(tǒng)實(shí)物圖

（1）貫入裝置。貫入裝置選用手搖式靜力觸探機(jī)，結(jié)構(gòu)圖見圖4。這種貫入設(shè)備較為輕便，通過手搖柄驅(qū)動(dòng)鏈條，進(jìn)而帶動(dòng)鉆桿進(jìn)行鉆探。該設(shè)備也可搭配十字板剪切儀、孔壓靜力觸探儀等不同的原位測試設(shè)備使用，有良好的擴(kuò)展功能。

圖4 貫入裝置結(jié)構(gòu)圖

（2）貫入平臺(tái)。貫入平臺(tái)的工作臺(tái)面尺寸為長1.4 m×寬1.0 m，臺(tái)面高度為1.2 m，在平臺(tái)上面切割了兩個(gè)220 mm×220 mm的方形孔洞，作為鉆桿和探頭的貫入通道。貫入平臺(tái)四周加設(shè)高1 m的安全圍欄。在圍欄的對側(cè)有兩個(gè)推拉門，并可用插銷將推拉門鎖上。

（3）模型桶。模型桶為φ0.6 m×1 m不銹鋼桶。桶中填入了若干層不同類型的土體，見表1。可將扁鏟每隔20 cm深測量一次數(shù)據(jù)，對土體進(jìn)行粗略分層。也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選擇其他種類土體或改變分層厚度。

表1 桶中土的類別及深度

（4）平板推車。平板推車為邊長0.6 m的可移動(dòng)平板車。平板推車由一塊5 mm厚不銹鋼底板、4根鍍絡(luò)棒和4個(gè)軸承組成。平板推車的作用是為了方便添加或更換模型桶中的土。

首先將兩臺(tái)手搖式靜力觸探機(jī)立在貫入平臺(tái)上面并用螺栓與之固定，在模型桶中填入若干層不同種類的土。由于在測量A值之前，需要有足夠的土壓力擠壓膜片使之與導(dǎo)體基座接觸，因此模型桶中的土可采用加水、施加荷載進(jìn)行緊實(shí)等方法來增大土體側(cè)壓力。

然后將模型桶放入平板推車上，推進(jìn)貫入平臺(tái)下方，學(xué)生可以站在貫入平臺(tái)上將扁鏟向模型桶中貫入，將下方的模型桶內(nèi)的土代替原狀土，以此來模擬整個(gè)試驗(yàn)過程，扁鏟貫入土中的過程見圖5。由于老師對模型桶中的土體參數(shù)已經(jīng)掌握，故可較準(zhǔn)確判斷學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確。

圖5 扁鏟貫入過程

3.2 加強(qiáng)預(yù)習(xí)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告

有效地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用［15］。而通常的預(yù)習(xí)報(bào)告無外乎實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟這幾部分內(nèi)容，一般情況下這些內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中都可以找得到，只需全盤抄一遍即能完成任務(wù)［16］。

為了讓學(xué)生們能在課前真正初步理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)，在預(yù)習(xí)報(bào)告部分摒棄了原有的模式，采用填空題、選擇題、簡答題等多種形式，題目的設(shè)置則針對實(shí)驗(yàn)過程中的重點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)和安全注意事項(xiàng)的關(guān)鍵點(diǎn)。若想完成預(yù)習(xí)報(bào)告，則需要提前通讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書并理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)。這樣做既不需要大段抄寫也能讓學(xué)生真正去思考并理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.3 豐富考核內(nèi)容，多方位綜合考評(píng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核不應(yīng)局限于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)過程、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)后的設(shè)備整理歸位、對實(shí)驗(yàn)的理解等都應(yīng)設(shè)為考核內(nèi)容。筆者對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后3個(gè)階段進(jìn)行了6個(gè)方面共17

項(xiàng)的綜合考評(píng)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的積極性，取得了良好的效果。綜合考評(píng)情況見表2。

表2 綜合考評(píng)表

4 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，每組配備一套扁鏟側(cè)脹儀和貫入系統(tǒng)，人數(shù)在4人左右為宜，保證每名同學(xué)都能夠參與其中，相互協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)過程和人員分工情況如下：

4.1 實(shí)驗(yàn)前檢查

實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行3項(xiàng)檢查，可由4人協(xié)同分工完成。其中1名同學(xué)檢查與氣瓶連接的壓力表讀數(shù)是否為0；1名同學(xué)打開電源開關(guān)，檢查蜂鳴器工作是否正常、回路是否正常；1名同學(xué)檢查測控箱的總開關(guān)、調(diào)壓閥和排氣閥是否處于關(guān)閉狀態(tài)；1名同學(xué)記錄檢查結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)前率定鋼膜片

鋼膜片在自然條件下處于微膨脹狀態(tài)，膨脹量在0.05～1.10 mm之間，即A、B位置之間。鋼膜片存在一定的剛度，由自然狀態(tài)下收縮、膨脹到A、B兩個(gè)位置時(shí)需克服自身的剛度，這部分力被計(jì)算到結(jié)果當(dāng)中。若想獲得真實(shí)值，需要在每次實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行修正，即率定鋼膜片。率定過程為用針筒向扁鏟抽氣和打氣，當(dāng)鋼膜片收縮至A位置、膨脹至B位置時(shí)，記錄所施加的氣壓值。

率定時(shí)1名同學(xué)將針筒、扁鏟、測控箱連接好。另1名同學(xué)用針筒對扁鏟探頭抽氣，膜片在大氣壓力作用下從自然位置移向?qū)w基座，待蜂鳴器響起（此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹小于0.05 mm）停止抽氣，緩慢加壓至蜂鳴器聲音停止［此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為（0.05±0.02）mm，即A位置］，讀取測控箱儀表盤的讀數(shù)，記為ΔA。

第3名同學(xué)用針筒對扁鏟探頭打氣，直到蜂鳴器再次響起［此時(shí)膜片中心向外膨脹量為（1.10±0.03）mm，即B位置］，讀取測控箱儀表盤的讀數(shù)，記為ΔB。

第4名同學(xué)判斷ΔA和ΔB是否在合理范圍內(nèi)，ΔA應(yīng)在5～25 kPa之間，理想值為15 kPa。ΔB應(yīng)在10～110 kPa之間，理想值為40 kPa。

4.3 貫入扁鏟探頭

1名同學(xué)站在貫入平臺(tái)上，用扳手輕微松動(dòng)頂部的鉆桿夾具。1名同學(xué)將U形墊壓塊卡在鉆桿的卡槽內(nèi)，將山形板放置在U形墊壓塊上面，并用手持住山形板。這時(shí)第1名同學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)手搖柄，使鏈條的長軸銷釘輕輕頂在山形板上面。山形板、U形墊壓塊實(shí)物圖及安裝圖見圖6。

圖6 山形板、U形墊壓塊實(shí)物圖及安裝圖

接著以一定的速率搖動(dòng)手搖柄，將扁鏟以（20±5）mm／s的速度貫入土中，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，土壓力將鋼膜片壓向?qū)w基座，鋼膜片膨脹量小于0.05 mm，蜂鳴器開始鳴響。達(dá)到預(yù)定深度后停止貫入，取下山形板和U形墊壓塊。

4.4 測量A、B、C值

1名同學(xué)打開氣瓶開關(guān)、測控箱總開關(guān)，并緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥，將壓力緩慢增加。待蜂鳴器停止鳴響的瞬間（此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為0.05 mm），記錄氣壓值A(chǔ)值。

另1名同學(xué)繼續(xù)緩慢加壓，待蜂鳴器再次鳴響的瞬間（此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為1.10 mm），記錄氣壓值B值。

測得B值后，第3名同學(xué)即關(guān)閉總開關(guān)，防止繼續(xù)加壓導(dǎo)致鋼膜片膨脹破壞。然后反向旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥，將氣壓緩慢卸掉，當(dāng)蜂鳴器再次鳴響瞬間（此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為0.05 mm），記錄氣壓值C值。

4.5 卸壓、提桿

第1名同學(xué)打開排氣閥，快速卸掉剩余壓力。第2名同學(xué)關(guān)閉氣瓶開關(guān)，卸掉氣瓶與測控箱中氣管的剩余壓力。第3名同學(xué)安裝山形板和U形墊壓塊，并用手持住山形板。最后1名同學(xué)站在貫入平臺(tái)上提升探桿，從土中取出扁鏟探頭。

4.6 實(shí)驗(yàn)后重新率定鋼膜片

試驗(yàn)結(jié)束后需重新率定鋼膜片，重新測量ΔA和ΔB，并與試驗(yàn)前的測值相比，差值不得超過25 kPa。

5 結(jié) 語

從巖土原位測試的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題出發(fā)，以扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)為例，提出了新模式的教學(xué)方法并進(jìn)行了實(shí)踐。通過自制的貫入系統(tǒng)，可讓學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分組操作扁鏟側(cè)脹儀進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。通過改革預(yù)習(xí)內(nèi)容、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，能夠有效地提升學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，提高實(shí)驗(yàn)效率。同時(shí)豐富考核內(nèi)容，對學(xué)生進(jìn)行了6個(gè)方面共17項(xiàng)考評(píng)，能夠更準(zhǔn)確地對學(xué)生進(jìn)行全方位的綜合評(píng)價(jià)。