扁板側脹試驗獲取溫州軟黏土不排水抗剪強度試驗研究

涂啟柱

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

扁板側脹試驗(簡稱DMT試驗)，是由意大利Silvano Marchetti于1980年創立［1］，最早在北美和歐洲使用，隨后迅速推廣，并先后列入ASTM(1986)推薦方法和歐洲Eurocode 7(1997)規范，我國在20世紀90年代開始引進和使用這項技術。目前DMT試驗方法及其應用已經得到了多國的認可，被認為是一種操作簡單、重復性好、人為影響小、且較經濟的原位測試方法［2］，已列入我國國家標準《巖土工程勘察規范》［3］，并已納入我國鐵路行業標準《鐵路工程地質原位測試規程》［4］。

不排水抗剪強度是軟黏土重要的力學特性參數，對土體的強度特性分析和穩定性評價具有重要影響。最近30年，國外學者對利用扁板側脹試驗獲取軟黏土不排水抗剪強度參數有了一定的試驗研究，國內學者主要針對上海地區進行了一些研究，但由于土體沉積時的環境、氣候、物質等的差異，各地的土性不盡相同，而且國內外試驗儀器性能、試驗標準也不盡相同，因此在利用扁板側脹試驗確定土性指標時，必須重視各地的地區經驗［3］。

針對溫州海相沉積軟黏土進行了多種原位測試試驗，并利用多元回歸分析方法，探求溫州軟黏土地區扁板側脹試驗參數與不排水抗剪強度參數之間的相關關系。

1 扁板側脹試驗獲取不排水抗剪強度研究現狀

扁板側脹試驗是利用外力將一扁平狀測頭壓入地基土達某一深度后加氣壓使測頭一面的膜片向外膨脹，測得在特定位置時膜片所受的相應氣壓值A、B和C，從而獲得土體受力與變形關系的一種原位測試方法［1］。

根據試驗前率定獲得的膜片約束力A、B及試驗時測得的氣壓值A、B、C利用土體彈性性質可得出膜片在不同位置時的土壓力［4］。

式中，Zm為未調零時壓力表初讀數，kPa;P0為膜片向土中膨脹之前作用在膜片上的接觸壓力，kPa;P1為膜片膨脹1.10 mm時膨脹壓力，kPa;P2為膜片回到0.05 mm時受到的終止壓力，kPa。

根據以上土壓力值和各試驗點靜止水壓力u0及上覆有效土壓力值可以獲得以下參數。

劃分地基土層的材料指數為

反映地基土固結歷史的水平應力指數為

反映地基土力學性質的側脹模量為

反映地基土孔壓特性的孔壓指數為

Marchetti(1980)［1］最早提出利用扁板側脹試驗計算地基土的不排水抗剪強度Cu

之后國外其他學者，Mayne(1987)、Lacasse和Lunne(1988)、Roque(1988)以及 Iwasaki和 Kamei(1995)等［5］根據各自不同地區的試驗資料對式(8)作出了修正(表1)。

國內在這方面的研究主要集中在上海地區，陳國民(1999)［6］針對上海淺層黏土，根據土性指數ID的不同，對式(8)進行了修正，當ID≤0.35時，可根據式(8)計算，當ID＞0.35時，根據下式計算

孫莉等(2002)［7］針對于上海地區的軟土層，建立了扁板模量ED與不排水抗剪強度cu具有線性相關性，其關系式為

國內外學者利用扁板側賬試驗獲取黏土不排水抗剪強度的研究成果匯總如表1所示。

表1 用DMT計算不排水抗剪強度公式匯總

2 多元回歸分析方法

由于巖土工程中室內、室外試驗機理及邊界條件的復雜性，直接從理論上推導出兩種試驗各參數間的函數關系往往是比較困難的。因此，為研究兩種試驗的關系，可借助數理統計的方法，建立試驗參數間的相關關系，這在工程中是可行的。為提高回歸分析的精度，一般可采用多元回歸分析的方法。

2.1 選元分析

在多元回歸分析中，自變量的選擇是很重要的。如果遺漏了重要的變量，回歸分析的效果一定不會好;如果變量過多，將會把對應變量y影響不顯著的變量也選入回歸方程，這樣就影響了回歸方程的穩定性，效果也好不了。因此在研究因變量與自變量之間回歸關系時，需要從眾多自變量中篩選出比較重要的若干個自變量來建立回歸方程，這個過程即為選元分析［9］。通過選元分析可以減輕回歸分析中的計算工作量，更重要的是能增加回歸方程的使用價值。選元分析一般可分為:前進法、后退法、最優子集法、逐步回歸法。其中逐步回歸法結合了前進法與后退法的優點，該法考慮了在向前挑選自變量過程的同時還提出新發現的次要變量。

2.2 回歸分析

3 扁板側脹試驗確定不排水抗剪強度試驗研究

3.1 試驗場地概述

溫州市域鐵路擬建工程經過區域多屬于沖海積平原區，為一套自中更新統到全新統的海相、陸相及海陸過渡相的松散層。沿鐵路線選擇4個試驗場地各布置1個鉆探孔、1個扁板側脹試驗孔、2個靜力觸探試驗孔(分為單橋與雙橋靜力觸探試驗)與1個十字板剪切試驗孔。試驗場地地層分為①耕植土;②-1淤泥，②-2淤泥質粉質黏土;③細砂;④-1粉質黏土，④-2黏土等(圖1、圖2)。由現場試驗及室內試驗可以探明試驗場地普遍存在淤泥、淤泥質黏性土等軟土，呈厚層狀大面積分布，含水量高、壓縮性大、強度低、天然孔隙比大等特征(表2)。

3.2 選元分析

P0、P1與P2是扁板側脹試驗數據經修正后直接得到的參數，最能直接反應土的物理力學特性。通過對 Marchetti(1980)［1］等國外學者及陳國民(1999)［5］等國內學者的研究成果分析可以得出不排水抗剪強度Cu與(P0-u0)有密切的關系，國內學者孫莉等(2002)［6］的研究成果也說明不排水抗剪強度Cu與P1有一定的關系，為了兼顧分析的全面性與提高分析的精度，將P0-u0、P1-u0及P2-u0作為自變量納入回歸分析。

圖1 溫州市域鐵路試驗場地靜力觸探曲線

圖2 溫州市域鐵路試驗場地DMT側脹試驗曲線

表2 溫州市域鐵路試驗場地軟黏土的主要物理力學性質指標

3.3 回歸分析

目前測試黏性土不排水抗剪強度的最直接的方法是十字板剪切試驗(VST)。因此，回歸分析的應變量取十字板剪切試驗得出的不排水抗剪強度。取顯著性水平α=0.05，按逐步回歸分析法對其作回歸分析。變量的檢驗結果見表3與表4。

表3 各變量的檢驗結果

表4 方差分析

從表3可以看出P0-u0與P2-u0兩個變量的概率值均小于0.05，即兩變量通過檢驗，而P1-u0變量的概率值大于0.05，即該變量沒通過檢驗，說明P0-u0與P2-u0兩個變量對不排水抗剪強度的影響是顯著的，而P1-u0變量對不排水抗剪強度的影響不顯著。經多元回歸分析后，得

式中各參數的單位均為kPa。式(11)的相關系數R2=82.6，統計量 F 值:F=148.61＞F0.05(2，66)=3.14，說明線性回歸作用是顯著的，回歸Cu值與實測值的關系見圖3。

圖3 C u實測值與回歸值之間的關系

4 結語

扁板側脹試驗操作簡單、重復性好、人為影響小，扁板側脹試驗得到的參數與土體不排水抗剪強度參數具有較好的相關性，但這種相關性對不同地區、不同成因的土體存在一定的差異性。

多元回歸分析方法是一種有效的數理統計手段，通過多元回歸與選元分析，可將諸多因素中影響權重較大的因素選出無關因素刪除，使得到的回歸方程更為合理。本文利用多元回歸分析方法，對溫州地區多個試驗點的試驗數據進行分析，建立了扁板側脹試驗參數與十字板試驗不排水抗剪強度參數之間的經驗關系。

本文所建立的經驗公式適用于溫州海相沉積軟黏土地區地基土埋深小于30 m的土性條件，在其他地區使用還有待驗證。

［1］ Marchetti S.In-situ tests by flat dilatometer［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1980，107(3):832-837.

［2］ 儲團結，王中華，黃俊杰.扁板側脹試驗在高速鐵路軟土地基勘察中的應用研究［J］.鐵道勘察，2005(5):49-52.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50021—2001 巖土工程勘察規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［4］ TBl0018—2003 鐵路工程地質原位測試規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［5］ Marchetti S.The flat dilatomter:design applications［C］.Third geotechnical engineering conference，Cairo university，1997.

［6］ 陳國民.扁板側脹試驗及其應用［J］.巖土工程學報，1999，21(2):117-183.

［7］ 孫莉，孫仕林.用扁板側脹試驗計算飽和軟黏土的不排水抗剪強度［J］.巖土工程技術，2002(6).

［8］ Lutenegger A J.Current status of the Marchetti dilatometer test［A］.Proceedings of the first International Symposium on Penetration Testing［C］.Orlando:［s.n.］，1988(1):137-155.

［9］ 王黎明，等.應用回歸分析［M］.上海:復旦大學出版社，2008.