扁鏟探頭貫入干砂的位移特征試驗研究

陳忠清，吳天宇，高彥斌，呂 越，劉 帥

（1.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；3.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興 312000）

意大利學者Silvano Marchetti于20世紀70年代末發明了扁鏟側脹儀（The flat dilatometer），主要由扁鏟探頭、測控箱、氣電管路等組成[1]。扁鏟側脹試驗（The flat dilatometer test，簡稱DMT）即是一種利用貫入設備將扁鏟探頭壓入土中，然后通過氣壓源向探頭內加壓，以獲取探頭膜片膨脹到指定位移時的壓力值（即p0、p1及p2值）。DMT具有操作便捷、可重復性強、且能獲得多個土性參數（如靜止側壓力系數K0、超固結比OCR、壓縮模量M、內摩擦角φ及不排水抗剪強度Cu等）的特點。目前扁鏟側脹試驗已在70多個國家得到工程應用，并被作為一種標準的原位測試技術列入美國材料與試驗協會（ASTM）標準（ASTMD 6635—15）[2]、歐洲規范Eurocode（EN 1997—2:2007）[3]、ISO標準（ISO 22 476—11:2017（E））[4]和中國的《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）[5]。

盡管DMT在國內外應用廣泛，但是多年來DMT的研究主要集中在試驗設備及測試方法改進[6-9]、工程應用研究[10-12]，而關于扁鏟探頭貫入過程的研究進展緩慢，相關報道尚不多見。很明顯，DMT的測試過程是在貫入過程的基礎上進行，而貫入過程產生的土體位移、應力等必將一定程度上影響測試結果，尤其是直接影響p0值。因此有必要對扁鏟探頭的貫入機理及貫入過程可能引起的土體擾動范圍展開研究。Baligh等[13]比較了不同錐角的楔形貫入器引起的黏土變形，得到尖角楔形貫入（sharp wedge penetration）引起土體變形小于鈍角楔形貫入（blunt wedge penetration）。Huang[14]利用數值手段，進行了任意三維貫入器的應變路徑分析，得到圓錐探頭（cone）和扁鏟探頭（dilatometer）貫入引起的應變場明顯不同，且前者大于后者。Beno?t等[15]利用改裝的扁鏟側脹儀（instrumented dilatometer）開展了軟黏土的原位扁鏟側脹試驗，得到扁鏟探頭貫入過程產生明顯的超孔壓，但小于孔壓靜力觸探試驗圓錐探頭貫入產生的超孔壓。以上研究均表明，雖然扁鏟探頭的尖角（一般為20°）明顯小于圓錐探頭的錐角（一般為60°），但其貫入過程仍對土體造成一定的擾動效應。Finno[16]采用應變路徑法（Strain Path Method）對扁鏟探頭貫入飽和黏性土進行了理論分析，得到扁鏟探頭貫入引起的擾動范圍（以探頭周圍土體的破壞區域failure zone來反映）為距離探頭膜片中心100～110mm，距離探頭的側面70mm，稍小于標準圓錐探頭貫入引起的擾動范圍（距離圓錐探頭116mm[17]）。羅松[18]采用ANSYS軟件進行有限元模擬，將扁鏟探頭的貫入過程簡化為施加一個位移邊界條件（位移大小為探頭厚度的一半），得到飽和土體的貫入擾動范圍為距離探頭350mm左右。

可以看到，現有的研究主要采用理論解析及數值模擬手段進行了有價值的探索，但扁鏟探頭貫入土體過程中產生的位移、應力分布特征及其影響因素（比如土體類型、應力歷史和初始密實狀態等）仍不清楚，以及不同條件下貫入過程引起的土體擾動范圍也尚未形成明確、統一的認識。本文基于室內模型試驗，開展扁鏟探頭貫入不同初始密實狀態下均質干砂的試驗研究，主要探討探頭貫入過程中產生的位移特征，為進一步認識扁鏟側脹試驗中探頭的貫入機理，以及探頭貫入過程的擾動影響提供參考。

1 試驗材料及儀器設備

1.1 試驗材料

采用廈門ISO標準砂（干砂）作為模型試驗材料，顆粒級配曲線如圖1所示。顆粒粒徑為0.08～2mm；最大干密度為1.88 g/cm3，最小干密度為1.69 g/cm3，最小孔隙比為0.41，最大孔隙比為0.57，比重為2.66。

1.2 儀器設備

（1）扁鏟探頭

采用南光地質儀器有限公司生產的扁鏟探頭，可分為連接部、側脹部及楔形部，如圖2所示。探頭全長為240mm，寬為96mm，厚14mm，楔形部夾角為26°，側脹部膜片直徑60mm。探頭連接部頂端與鉆桿連接頭相連，直徑為38mm。

圖1 標準砂顆粒級配曲線Fig.1 Particle size curve of the standard sand

圖2 扁鏟側脹探頭Fig.2 Blade of flat dilatometer:（a）front of blade and（b）side of blade

（2）粒子圖像測速（PIV）系統

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,簡稱PIV）系統由硬件和軟件組成，其中硬件主要包括德國HSVISION型高速相機、無頻閃照明燈及電腦（圖3），軟件采用北京立方科技Micro Vec3圖像控制系統。

（3）小型靜力觸探儀

采用單橋探頭，探頭錐底直徑為2.52 cm，錐頭截面積為5 cm2，錐角為60°，測試范圍0～30 MPa（圖4）。

（4）模型箱及制樣裝置

模型箱內部長寬高尺寸為500mm×500mm×500mm，其中一側為10mm厚的鋼化玻璃。制樣箱的尺寸為495mm×495mm×50mm，底部按照梅花形開設圓孔，直徑為5mm，中心距8mm（圖5）。

圖3 模型試驗照片Fig.3 Picture of the model test

圖4 小型靜力觸探儀的探頭Fig.4 Probe of small-scale static cone penetrometer

圖5 模型箱及制樣裝置Fig.5 Test box and sample preparation device

2 試驗方案及過程

2.1 試驗方案

制備不同初始密實狀態的均質干砂試樣，開展扁鏟探頭貫入砂土的模型試驗，并結合PIV技術進行圖像分析，探討扁鏟探頭貫入過程中砂土顆粒的位移特征，以及貫入引起的土體擾動范圍。試驗分組及相關參數如表1所示，3組試驗均進行了平行試驗。

表1 試驗分組及相關試驗參數Table 1 Test groups and related test parameters

2.2 試驗過程

（1）砂土試樣制備

采用“分層低位落雨+平板壓實法”制備干砂試樣。分層制樣步驟包括：①裝樣。將按初始密度要求計算出的每層砂土質量均勻裝入制樣箱中，刮平表面；②低位落雨。將模型箱四周同時慢速提起，并逐漸提升，使砂土沿著制樣箱底面的篩孔均勻下落；③平板壓實。當土樣超出分層設計高度時，利用與模型箱等內框的平板進行均勻壓實處理，直至達到規定高度。

對3種不同初始密實度要求的砂土試樣分別進行平行制樣，并利用小型靜力觸探儀在試樣中心位置開展靜力觸探試驗（CPT），以檢測制樣效果，結果如圖6所示。從圖6可以看出，3種初始密實狀態下，2次平行試驗的CPT測試結果基本一致，比貫入阻力均隨深度增加而逐漸增大，且密實度越大時比貫入阻力也越大?？梢?，本文采用的干砂試樣制備方法具有較好的重復性，可以保證平行試驗結果的可靠性。

（2）探頭貫入及圖像采集

利用小型CPT貫入設備，通過靜壓方式將扁鏟探頭沿模型箱中部并緊貼玻璃視窗內側垂直貫入試樣，貫入速率為20mm/s。圖像采集與探頭貫入過程同步，采集速率設置為40幅/s，圖像分辨率為1 088×1 008。

圖6 比貫入阻力隨深度的變化曲線Fig.6 Variation of specific penetration resistance with depth

3 試驗結果與分析

3.1 貫入松砂的位移分布特征

利用Micro Vec3軟件對扁鏟探頭貫入前后的圖像進行PIV計算，得到探頭貫入松砂時的土體位移向量分布，進一步利用Tecplot軟件對PIV計算結果進行后處理，得到水平向位移和豎向位移分布云圖（圖7）。從圖7（a）可以看出，探頭連接部兩側的土體位移量最大，方向為陡斜向上。探頭側脹部兩側的土體位移呈對稱分布，位移量相對較小，方向基本上為緩斜向上，其中膜片以下部分土體發生向緩斜向下方位移。探頭楔形部兩側及以下的土體位移量最小，方向為緩斜向下，且楔形部以下的位移向量較不明顯。

從圖7（b）可以看出，貫入松砂時的水平位移主要分布在探頭側脹部兩側區域，近似對稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側壁為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部兩側土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過3mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為20mm。由圖7（c）可得，貫入松砂時的豎向位移主要分布在探頭連接部兩側，方向向上，位移量5～8mm。探頭側脹部兩側分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，其中膜片對應區域的土體豎向位移量僅為1～3mm。探頭楔形部兩側的豎向位移向下，最大位移量不到3mm，以2mm為界的分布寬度范圍不超過25mm，楔形部以下的土體豎向位移均小于2mm。

圖7 探頭貫入松砂的位移向量（a）和水平位移（b）、豎向位移（c）云圖分布Fig.7（a）displacement vector distribution and cloud graph of(b) horizontal displacement,(c) vertical displacement after blade insertion into loose sand

3.2 貫入中密砂的位移分布特征

扁鏟探頭貫入中密砂時的土體位移向量分布、水平向位移和豎向位移分布云圖如圖8所示。從圖8（a）可以看出，探頭貫入中密砂時的土體位移向量分布特征與貫入松砂時接近，但探頭楔形部以下的位移向量相對較明顯。

圖8 探頭貫入中密砂的位移向量（a）水平位移（b）和豎向位移（c）分布云圖Fig.8(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating medium dense sand

從圖8（b）可以看出，水平位移主要分布在探頭側脹部兩側區域，近似對稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側壁亦為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部兩側土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過4mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為30mm。由圖8（c）可得，豎向位移也主要在探頭連接部兩側分布，方向向上，位移量5～10mm。探頭側脹部兩側分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土體豎向位移量僅為1～3mm。探頭楔形部兩側的豎向位移向下，最大位移量不到3mm，楔形部以下20mm深度范圍的土體豎向位移僅為2～3mm，且寬度范圍不超過60mm。

3.3 貫入密砂的位移分布特征

扁鏟探頭貫入密砂時的土體位移向量分布、水平向位移和豎向位移分布云圖圖9所示。從圖9（a）可以看出，探頭貫入密砂時的土體位移向量分布特征與貫入松砂及中密砂時接近，但探頭楔形部以下的位移向量最為明顯。

圖9 探頭貫入密砂的位移向量（a）水平位移（b）和豎向位移（c）分布云圖Fig.9(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating dense sand

從圖9（b）可以看出，水平位移主要分布在探頭側脹部兩側區域，近似對稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側壁亦為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部兩側土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過3mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為25mm。由圖9（c）可得，豎向位移也主要在探頭連接部兩側分布，方向向上，位移量5～8mm。探頭側脹部兩側分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土體豎向位移量僅為1～3mm。探頭楔形部兩側的豎向位移向下，最大位移量達4mm，楔形部以下25mm深度范圍的土體豎向位移為2～4mm，且寬度范圍近90mm。

3.4 分析與討論

顯然，扁鏟探頭貫入不同初始密實狀態砂土時的位移分布特征與探頭三部分（即連接部、側脹部、楔形部）的幾何外形不同直接相關，且探頭楔形部和側脹部引起的土體位移將直接影響DMT測試結果，因此也是本文分析的重點?？傮w上，隨著扁鏟探頭沿深度逐漸貫入干砂，探頭楔形部周圍土體先產生緩斜向下的位移，主要分布在兩側，且水平位移的分布范圍明顯大于豎向位移的分布范圍，而正下方產生的豎向位移量很小。然后，探頭側脹部兩側土體產生以水平向為主的位移，基本呈對稱分布，并近似以長軸平行于探頭側面的半橢圓形向外擴散，同時探頭側面較窄范圍的土體產生較明顯的斜向下位移。探頭連接部貫入時，兩側明顯產生向砂土表面的斜向上位移，并以豎向位移為主?？梢?，貫入過程先表現為楔形部對土體的向下和向斜側面擠壓作用，然后表現為側脹部對土體明顯的水平向擠壓作用，且探頭側面與土體存在向下摩擦產生的剪切作用，這與CPT錐形探頭貫入砂土的離散元數值模擬結果[19?20]相似，但不同的是，由于DMT探頭的尖角（26°）明顯小于CPT探頭的錐角（60°），貫入過程引起的土體最大位移未在側脹部與楔形部的交界處，而主要分布在膜片附近。另外可得，扁鏟探頭連接部未表現出對膜片附近的土體產生擠壓作用。

當砂土的初始密實度增大時，扁鏟探頭周圍的土體位移分布特征相似，楔形部周圍土體的位移分布范圍明顯擴大，而探頭側脹部周圍土體的位移分布范圍基本保持不變。文獻[21]～[22]的模型試驗結果指出CPT錐形探頭貫入不同密實狀態的砂土時，錐頭正下方及側向的位移場影響范圍隨密實度增大而擴大，且向兩側顯著擴大。可見，扁鏟探頭貫入干砂的位移場分布特征及范圍受土體初始密實狀態的影響相對較小。如果分別以2mm和4mm作為干砂受到扁鏟探頭貫入擾動的影響邊界，則擾動影響范圍分別為距離探頭膜片150～160mm和70～80mm。

4 結論

（1）扁鏟探頭貫入干砂過程產生的土體位移分布特征與探頭的幾何外形直接相關，其中探頭楔形部和膜片所在的側脹部貫入產生的擠壓作用是引起土體變形擾動的主要原因。

（2）扁鏟探頭楔形部的貫入過程表現為向下和向斜側面擠壓土體，但豎向位移量很小，產生向兩側擴展為主的扁狀位移場，而側脹部的貫入過程主要表現為向兩側面水平向擠壓土體，產生分布范圍明顯更大的半橢圓狀水平位移場，同時探頭側面表現為一定的剪切作用而產生較窄范圍的豎向位移場。

（3）扁鏟探頭貫入干砂產生的位移場受砂土初始密實狀態的影響較小，主要表現為探頭楔形部周圍的位移場分布范圍隨密實度增大而擴大。