扁鏟側脹試驗研究及其工程應用

王程亮

扁鏟側脹試驗(flat dilatometer test,簡稱DMT),是1980年意大利Silvano Marchetti教授創立的一種原位測試方法。最初在北美和歐洲地區應用,1998年引入我國,隨后開始試驗研究和工程應用,目前還處于積累工程經驗的階段。DMT操作簡便、快捷,可以得到近乎連續的地層剖面。得到的試驗結果與人們熟悉的土工參數相關,可用于分析淺基礎的沉降、側向受荷樁的設計、砂土液化的可能性、確定超固結粘土斜坡中滑移面的位置,也可將其用于地基處理工程中以檢驗地基處理的效果。

1 基本原理[1]

扁鏟側脹試驗設備由扁鏟探頭、氣電管路、測控箱、氣壓源、貫入設備以及探桿組成。扁鏟探頭是一個具有特定規格的不銹鋼鋼板,在探頭的一側安裝了一個圓形鋼膜片。扁鏟探頭通過一條穿過探桿的氣電管路與地表的測控箱連接,氣電管路用以傳輸氣壓和傳遞電信號。測控箱通過氣壓管和氣壓源連接。氣壓源提供氣壓使膜片膨脹,測控箱起控制氣壓力和提示采樣中樞的作用。

扁鏟試驗時,整個膨脹過程中膜片的變形量較小,因而可將其視為彈性變形的過程。膜片向外鼓脹可假設為在無限彈性介質內部,在圓形膜片上施加均布荷載 ΔP。如果彈性介質的彈性模量為E,泊松比為μ,膜上任一點的位移量為s,則有:

其中,R為鋼膜片的半徑;r為膜上任一點到膜片中心的距離。當r=0時,把上式加以變化,則有:

其中,R和s(0)分別為膜片的半徑(30mm)和膜片中心的位移量(0.05mm或1.10mm),為已知值;ΔP實際為膜片從基座鼓脹到距基座0.05mm或1.10mm時的壓力增量。因此式(2)表示壓力增量ΔP與被測試土的性質E/(1-μ2)直接相關。

2 試驗過程

為了克服膜片本身的剛度對試驗結果的影響,試驗前后應對膜片進行標定。標定時,應先關閉排氣閥,然后用率定氣壓計對扁鏟探頭抽氣,待蜂鳴器響時停止抽氣,然后緩慢加壓,直至蜂鳴器停止響聲時刻,記下測控箱上讀數,即 ΔA(該值為負值,記錄時記錄正值);之后繼續對扁鏟探頭施加氣壓,直至蜂鳴器再次響起時的讀數為ΔB。一般ΔA在5 kPa～25 kPa之間,理想值為15 kPa;ΔB在10 kPa～110 kPa之間,理想值為40 kPa;若ΔA,ΔB不在該范圍內,則此膜片不能用于扁鏟側脹試驗。

試驗由貫入扁鏟探頭開始,在貫入至某一深度后暫停,使用測控箱操作使膜片充氣膨脹,在充氣鼓脹過程中得到如下三個讀數:

A讀數:膜片鼓脹距離基座0.05mm時的氣壓值;B讀數:膜片鼓脹距離基座1.10mm時的氣壓值;C讀數:通過測控箱上的氣壓調節器釋放氣壓,使膜片回縮到距離基座0.05mm時的氣壓值。

扁鏟探頭貫入速度應控制在 2 cm/s左右,試驗點的間距可取20 cm～50 cm。在貫入過程中,排氣閥始終是打開的。當扁鏟探頭達預定深度后,進行如下測試操作:

1)關閉排氣閥,緩慢打開微調閥,當蜂鳴器停止響聲的瞬間記下氣壓值,即A讀數;2)繼續緩慢加壓,直至蜂鳴器響時,記下氣壓值,即B讀數;3)打開微排閥,使氣壓緩慢降低直至蜂鳴器再次響起,此時記下的讀數為C值;4)探頭繼續往下貫入至下一試驗深度。在每一試驗深度都重復上述試驗過程,讀取A,B讀數,必要時測記C讀數。

加壓的速率對試驗結果有一定的影響,因而應將加壓速率控制在一定的范圍內。壓力從 0到A值應控制在 15 s之內測得,而B值應在A讀數后的 15 s～20 s之間獲得,C值在 B讀數后約1min獲得。

試驗過程中應注意校核差值,是否出現B-A＜ΔA+ΔB,如果出現則停止試驗,檢查原因。試驗結束后,立即取出扁鏟探頭進行標定,ΔA,ΔB應在允許范圍內,并且試驗前后 ΔA,ΔB值相差不應超過25 kPa,否則試驗數據不能用。

3 試驗參數

3.1 試驗數據的修正[2]

現場實測A,B,C讀數應對鋼膜片和壓力表零飄進行修正以求得膜片不同位置時與土之間的接觸壓力P0,P1,P2。

其中,P0為膜片向土中膨脹之前的接觸壓力,kPa;P1為膜片膨脹至1.10mm時的壓力,kPa;P2為膜片回到0.05mm時的終止壓力,kPa;Zm為壓力表零飄,kPa。

3.2 試驗的中間指數[3]

扁鏟土性指數:

其中,u0為未貫入前試驗深度處的靜水壓力,kPa,一般可按u0=10×(試驗深度-地下水位)進行計算;

水平應力指數:

其中,σ′v0為未貫入前試驗深度處的豎向有效壓力,kPa;當s(0)=1.10mm時,有:

扁鏟側脹模量:

由于ED缺乏應力歷史方面的信息,一般不能作為土性參數直接使用,而需要與 ID,KD相互結合使用。

3.3 試驗所得的巖土工程相關參數

靜止側壓力系數:

ID≤1.2。

不排水抗剪強度:

壓縮模量:

當ID≤0.6時,RM=0.14+2.36logKD;

當ID≥3時,RM=0.5+2logKD;

當0.6＜ID＜3時,RM=RM0+(2.5-RM0)logKD,其中,RM0= 0.14+0.15(ID-0.6);

當KD＞10時,RM=0.32+2.18logKD;

當RM＜0.85時,RM=0.85。

地基承載力:

其中,f0為地基土的計算強度;n為經驗修正系數,粘土取1.14,粉質粘土取0.86;Δp為DMT的壓力增量。

4 工程應用

4.1 應用依據

實踐證明扁鏟側脹試驗結果對土的力學性質和密度變化非常敏感,一般情況下地基壓密后,壓縮模量M會有較大的增長,靜止側壓力系數 K0和不排水抗剪強度cu也會有增大的變化,據此可檢驗地基處理的效果。

4.2 工程實踐

某高速公路建設工程中,對于其中某段深厚軟土地基采用水泥土攪拌樁聯合塑料排水板方案進行處理。在處理前和處理一個月后各進行了一次扁鏟側脹試驗,通過前后數據的對比來檢驗地基處理的效果,具體數據見表 1。

表1 地基處理前后DMT數據對比表

通過表 1可以看出,經水泥土攪拌樁聯合塑料排水板方案進行處理后,地基土的各項強度及變形指標都有不同程度的增長,地基處理取得了良好的效果。

5 結語

1)DMT作為一種原位測試的手段,簡單快捷,重復性好,可以立即得到試驗結果,可用來評定土的各項巖土工程特性。

2)DMT適用于軟土、一般粘性土、粉土和松散的砂土,不適用于含碎石的土和風化巖。同其他原位測試技術一樣,將其用于新的土類和地區時,應通過對比研究,建立適合于研究對象的 DMT指標和巖土工程參數的經驗、半經驗理論關系式,不宜照搬套用現成公式。

3)扁鏟側脹試驗結果對土的力學性質和密度變化非常敏感,分析對比相關參數的前后變化可以評價地基處理的效果。

[1] 陳國民.扁鏟側脹試驗及其應用[J].巖土工程學報,1999, 21(2):177-183.

[2] GB 50021-2001,巖土工程勘察規范[S].

[3] 李凱宏.土體測試手段在巖土工程勘察中的現狀及發展[J].山西建筑,2010,36(17):119-120.