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

天津地區(qū)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)應(yīng)用研究

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

摘要在對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)工作原理、標(biāo)定方法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理作簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合天津地區(qū)某工程實(shí)例，對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的部分成果進(jìn)行分析，將扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)的試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比。

關(guān)鍵詞扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)靜力觸探試驗(yàn)土類(lèi)指數(shù)靜止側(cè)壓力系數(shù)

扁鏟側(cè)脹儀[1]由意大利學(xué)者M(jìn)archetti在20世紀(jì)70年代末期發(fā)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(cè)試方法[2]。該儀器操作簡(jiǎn)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[3]，在北美及歐洲已經(jīng)列入一些相關(guān)規(guī)范中。

在國(guó)內(nèi)，隨著扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(DMT)的推廣，該試驗(yàn)已經(jīng)被列入《巖土工程勘察規(guī)范》和《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》，其在巖土工程中的應(yīng)用主要有劃分土層，判別土類(lèi)，確定土的重度，確定靜止側(cè)壓力系數(shù)，測(cè)定水平基床系數(shù)，計(jì)算黏性土不排水抗剪強(qiáng)度，確定土的變形參數(shù)，確定砂土有效內(nèi)摩擦角，地基液化判別等[4]。

根據(jù)相關(guān)研究[5-7]，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)指標(biāo)受土性影響較大。由于各地土體沉積時(shí)的環(huán)境氣候和物質(zhì)組成等的不同，各個(gè)地區(qū)的土層性質(zhì)存在較大差異。因此，在使用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，還需要結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

1試驗(yàn)設(shè)備方法及資料整理

1.1　試驗(yàn)設(shè)備

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)設(shè)備組成：扁鏟探頭，控制箱，氣-電管線(xiàn)，壓力源，貫入設(shè)備和探桿等。扁鏟探頭是一個(gè)長(zhǎng)約23 cm，寬約9.5 cm，厚1.5 cm，底部為楔形的測(cè)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(zhì)膜片，通過(guò)穿在探桿中的管路與地面操作箱連接，可以利用液壓鉆機(jī)或靜力觸探設(shè)備將扁鏟探頭壓入土中。

1.2　工作原理

扁鏟探頭內(nèi)部通過(guò)電路連通時(shí)，檢流計(jì)會(huì)顯示讀數(shù)，這時(shí)蜂鳴器也會(huì)響起。扁鏟探頭膜片與感應(yīng)盤(pán)之間有根細(xì)小的圓柱體，圓柱體的作用是指示膜片與感應(yīng)盤(pán)之間的位移，分別是0.05 mm(A位置)與1.10 mm(B位置)，加壓過(guò)程之中，當(dāng)膜片與感應(yīng)盤(pán)之間的位移達(dá)到這兩個(gè)位置時(shí)，探頭內(nèi)部電路會(huì)接通，蜂鳴器響起，記錄A值和B值。減壓過(guò)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?yè)Q算成相應(yīng)指標(biāo)，即可反映土體的相關(guān)性質(zhì)[3]。

1.3　試驗(yàn)率定

實(shí)驗(yàn)前和試驗(yàn)后，應(yīng)先對(duì)扁鏟探頭進(jìn)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(chēng)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(chēng)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(guò)合格率定值，則需要更換膜片再進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的ΔA和ΔB，兩者讀數(shù)必須接近，取兩者的算術(shù)平均值作為率定值；否則，認(rèn)為試驗(yàn)過(guò)程中存在較大誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。

1.4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，使用貫入裝置將扁鏟探頭壓入土中預(yù)定的深度，通過(guò)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(fù)到位移0.05 mm 時(shí)的壓力A、B、C值。需要注意的是，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)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[8]。

1.5　資料整理

試驗(yàn)測(cè)得的A、B、C值，經(jīng)過(guò)修正和換算，得到實(shí)際壓力值，分別為：初始?jí)毫0(扁鏟膜片中心位移至0.05 mm時(shí)的壓力)，p1(扁鏟膜片中心移至1.10 mm時(shí)的壓力)，終止壓力p2(扁鏟膜片中心回到0.05 mm時(shí)的壓力)，有如下關(guān)系

(1)

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

由Marchetti教授的理論[1]可知，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中，膜片向外擴(kuò)張的過(guò)程，將膜片四周土體假設(shè)為無(wú)限彈性介質(zhì)，均勻荷載施加在膜片上。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的土類(lèi)指數(shù)、水平應(yīng)力指數(shù)、側(cè)脹模量、孔壓模量可分別由p0、p1、p2計(jì)算。

土類(lèi)指數(shù)

(2)

水平應(yīng)力指數(shù)

(3)

側(cè)脹模量

(4)

孔壓模量

(5)

2地層概況

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

受扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試深度限制，列出的僅為扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)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(tǒng)計(jì)分析。表1是試驗(yàn)場(chǎng)地地層主要物理力學(xué)指標(biāo)。

3靜止側(cè)壓力系數(shù)K0

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0(在不允許有側(cè)向變形的情況下，土樣受到軸向壓力增量將會(huì)引起側(cè)向壓力相應(yīng)增量的比值[10])在基坑工程中有重要作用，是計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力分布和可靠度分析的關(guān)鍵參數(shù)。

《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》中，對(duì)于KD為1.5～4.0的一般飽和黏性土，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0可按下式計(jì)算[8]

(6)

本工程共完成21個(gè)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)孔，用式(6)計(jì)算K0，并利用該工程中鉆孔取樣所做的室內(nèi)土工K0試驗(yàn)作為對(duì)比，結(jié)果如表2。

從表2中可以看出，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)所得K0普遍高于室內(nèi)試驗(yàn)值，對(duì)比不同地層，在細(xì)節(jié)上又有不同。

4土類(lèi)指數(shù)ID

土類(lèi)指數(shù)ID是一個(gè)反映土體軟硬狀態(tài)及強(qiáng)度大小的參數(shù)，不同土類(lèi)的物理力學(xué)性質(zhì)一般是不同的。一般情況下，粉土的強(qiáng)度大于黏性土的強(qiáng)度，而砂土的強(qiáng)度又大粉土強(qiáng)度，《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》中就列出了常見(jiàn)土類(lèi)的ID，見(jiàn)表3。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可以有效避免土體的拱效應(yīng)，對(duì)土體的擠壓和擾動(dòng)較小，獲得的參數(shù)較為穩(wěn)定，更能反映真實(shí)的土體性質(zhì)。

4.1　深度曲線(xiàn)研究

為了直觀研究扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，對(duì)在工程中搜集的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。收集了天津某地鐵工程中的21個(gè)扁鏟側(cè)脹孔、1 591個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖1～圖3為其中10XJ-ML15孔、10XJ-MW05和10XJ-WC12孔扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)與靜力觸探試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)孔的綜合對(duì)比曲線(xiàn)，經(jīng)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中的ID曲線(xiàn)與靜力觸探qc曲線(xiàn)具有較好的對(duì)應(yīng)性，在反映土體強(qiáng)度特性和變化位置都具有高度的一致性。

4.2　ID與qc關(guān)系分析

由圖1～圖3可知，土類(lèi)指數(shù)ID和端阻qc之間有某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且這種關(guān)系很有可能是線(xiàn)性或比例關(guān)系。對(duì)土類(lèi)指數(shù)ID和端阻qc進(jìn)行對(duì)比分析：為了更直觀的揭示兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)將所有ID和qc試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)散點(diǎn)圖的形式表現(xiàn)出來(lái)，圖4包含了天津某地鐵工程中21個(gè)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)兼靜力觸探孔1 591組土層的ID和qc數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算出一條趨勢(shì)線(xiàn)，并得出其關(guān)系式。

由圖4可見(jiàn)，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都在均勻分布在趨勢(shì)線(xiàn)兩側(cè)，表明這條趨勢(shì)線(xiàn)很大程度上能夠反映出土層土類(lèi)指數(shù)ID和端阻qc之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而在實(shí)際工作中，這種簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系也很容易被加以利用。

可以得出扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)土類(lèi)指數(shù)ID和靜力觸探試驗(yàn)端阻qc有如下的關(guān)系式

ID=0.550 3qc+0.137 7

將離散性考慮在內(nèi)，可將上式表達(dá)如下

ID=(0.5~0.6)qc+0.137 7

5結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)取得的靜止側(cè)壓力系數(shù)，可看出土的靈敏度對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)值有較大影響，靈敏度越高的土，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)取得數(shù)值差別越大。

討論了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)之間在反映土體性質(zhì)方面的關(guān)系，這兩種試驗(yàn)可以相互驗(yàn)證，提高試驗(yàn)的可信度。另外，在扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)不易到達(dá)的土層中，可以用靜力觸探參數(shù)推導(dǎo)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)。

當(dāng)然，受制于扁鏟試驗(yàn)深度的影響，目前試驗(yàn)結(jié)果主要集中在20 m以上的黏土、粉質(zhì)黏土、松散—稍密粉土、砂土地層，正是由于難以穿過(guò)中密以上粉土、砂土層，導(dǎo)致扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)較深土層試驗(yàn)資料嚴(yán)重匱乏，使得中密—密實(shí)粉土、砂土中扁鏟試驗(yàn)數(shù)據(jù)與靜力觸探數(shù)據(jù)的對(duì)比分析不足，無(wú)法取得更加客觀準(zhǔn)確的分析結(jié)果。隨著貫入設(shè)備和扁鏟探頭的進(jìn)步，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)所能達(dá)到的土層深度越大，試驗(yàn)的土類(lèi)也越多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加豐富，也就能夠找到更準(zhǔn)確的ID和qc關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[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(guī)范[S]

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

[4]樊向陽(yáng)，莫群歡，張繼紅，等.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)計(jì)算地基承載力[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，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(guó)民.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999,21(2)

[7]陳國(guó)民.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)及其在巖土工程中應(yīng)用[J].巖土工程師，2001,13(2)

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

[9]李雄威，蔣剛，朱定華，等.扁鏟側(cè)脹原位測(cè)試的應(yīng)用與探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(12)

[10]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

中圖分類(lèi)號(hào)：TU413

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)06-0053-04

作者簡(jiǎn)介：司鵬飛(1986—)，男，2013年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-11-18