扁鏟側脹試驗在長春地鐵勘察工程中的應用

摘要：通過對長春市地鐵勘察工程中扁鏟側脹試驗與土工試驗成果的對比，發現扁鏟側脹試驗得到的土體參數與土工試驗參數有很好的相關性，可通過扁鏟試驗參數直接計算巖土參數。在對地鐵1、2線的勘察中，扁鏟側脹試驗在波狀臺地獲得了大量數據，為保證原始數據的準確性，公司進行科學管理，實施PDCA循環。通過對大量的試驗數據進行統計和研究，發現國內外經驗公式在長春地區并不完全適用，通過對數據的整理、分析，對原有經驗公式進行修正，提出了適用于本地區工程的通過扁鏟試驗數據計算巖土參數（不排水抗剪強度Cu）的經驗公式。

關鍵詞：扁鏟側脹試驗;經驗公式;不排水抗剪強度Cu扁鏟側脹試驗儀器操作簡單、重復性好、人為影響因素小且較為經濟，一次試驗能夠獲得多種參數，被廣泛應用于地鐵項目。運用扁鏟側脹試驗可對土層進行分層，計算出靜止側壓力系數、不排水抗剪強度、水平基床系數等巖土參數，對重大地下構筑物（地鐵工程）的設計、施工有著非常重要的作用［1］。

從1998年以來，據初步統計扁鏟側脹試驗在北京、上海、廣州、南京等約30個城市和地區的地鐵項目中得到了應用，獲得了大量的實測數據，并經過科學、合理的統計分析，總結出適合當地的經驗公式，而長春地區在這方面則屬于空白［2］。

2009年11月起我公司在長春地鐵1、2號線勘察中首次采用扁鏟側脹試驗，在長春地區業內也屬于首例，沒有成熟的經驗可以借鑒。本文通過實踐研究，總結出適合當地的經驗公式，填補長春地區在這方面應用的空白。

1試驗設備及工作原理

試驗設備是由鏟形插板、測控箱、率定裝置、氣電管路、貫入設備、探桿和壓力源組成［3］。

試驗由貫入扁鏟測頭開始，在貫入至某一深度后暫停，通過測控箱操作使膜片充氣膨脹。在充氣鼓脹過程中，得到兩個讀數：A讀數（膜片距離基座0.05 mm時的氣壓值）、 B讀數（膜片距離基座1.10 mm時的氣壓值）。另外，在到達B點之后，通過測控箱上的氣壓調控器釋放氣壓，使膜片緩慢回縮到距離基座0.05 mm時，可讀取C讀數。考慮到膜片本身的剛度，根據試驗前后得到的標定值Da（ΔA），Db（ΔB）來對它們進行修正，以計算P0、P1、P2。P0為膜片在基座時土體所受的壓力；P1為膜片距離基座1.10 mm時土體所受的壓力，P2為膜片回縮到A點（距離基座0.05 mm）時土體所受的壓力，然后由P0、P1、P2值可獲得4個扁鏟試驗中間參數：材料指數ID、水平應力指數KD、孔隙水壓力指數UD和扁鏟模量ED。這些參數經過經驗公式計算，可以得到一些土性參數，如靜止側壓力系數K0、超固結比OCR、不排水抗剪強度Cu和砂土內摩擦角等。

2實例分析

2.1實例簡介

根據長春地鐵1、2號線詳勘階段巖土工程勘察報告，長春地鐵1號線一期工程地貌單元較為單一，全線位于長春市波狀臺地，地層結構較為簡單；長春地鐵2號線一期工程地貌單元以伊通河為界，以西為長春波狀臺地，以東為伊通河一級階地。由于一級階地扁鏟側脹試驗數據較少，本次扁鏟側脹試驗只對波狀臺地淺層粉質黏土進行研究，長春波狀臺地淺層主要為可塑狀粉質黏土。

2.2方案實施

我公司對地鐵1、2號線每個工點布置了2～3個扁鏟側脹試驗孔位。各參數根據每個工點同一土層的試驗數據剔除異常數據后進行統計計算。各工點計算完畢后，再對地鐵1、2號線全線同一地層的計算數據再進行統計，舍棄異常值，要求變異系數小于0.3，找出沿線試驗參數的分布規律，研究并確定相關參數及經驗公式［4］。

在2009年11月份，將地鐵1號線鐵北三站三區間當做試點進行扁鏟側脹試驗。工點位于北人民大街城市主干道上，所布設的試驗孔頂部均為砼路面。試驗前均用勘察鉆機進行引孔，引孔深度為穿過砼路面及上部雜填土地層。引孔完畢后，將鉆孔用膨潤土回填。試驗貫入設備采用靜力觸探設備貫入扁鏟測頭，量測3個特殊位置的壓力，用筆記本自動記錄數據，從而獲得需要的巖土參數［5］。

2.3現存問題

通過對鐵北三站三區間扁鏟側脹試驗，發現個別站點上部土層存在數據異常及數據丟失等現象。

2.4分析問題

發現問題后，我公司通過討論研究，從影響質量形成的各種主觀和客觀因素（包括人、機、料、法、環）中驗證分析，找出造成數據失真的原因［6］。針對影響數據準確性的要因，進行了認真討論，制定對策如下：

（1） 要因1：鉆孔未回填或回填材料不當

對策：采用鉆機引孔破除砼路面，將雜填土地層進行取芯后回填，回填材料為膨潤土，杜絕空孔，防止雪水流入孔內結冰以及土體遇水后工程性質發生變化。

（2） 要因2：施工時溫度過低，試驗儀器、設備受影響

對策：通過改變操作室溫度，使儀器、設備處于正常工作環境溫度，防止因冬季施工氣溫過低試驗儀器死機或氣電管路折斷，造成數據丟失、失準。

（3） 要因3：扁鏟使用前率定處理不當

對策：針對每個試驗孔，試驗前、后均應對扁鏟進行率定老化，使ΔA處于5～25 kPa，ΔB處于10～110 kPa。

（4） 要因4：首次使用，人員基本技能差

對策：針對人員基本技能差，邀請儀器廠方技術人員對項目部進行技術指導、培訓，明確質量控制點及試驗操作流程等。

項目部于2009年12月對鐵北的三站三區異常試驗重新進行扁鏟側脹試驗。經計算、統計分析，各工點相同土層數據的變異系數均小于0.3。通過2009年扁鏟側脹試驗的經驗，在2010年11～12月對地鐵1號線其它工點及2013年4～8月對地鐵2號所有工點進行了扁鏟側脹試驗，試驗點位達到4 200個，通過對1、2號線扁鏟側脹試驗與室內試驗取得數據按層統計結果，去除異常值，統計結果見表1。

對于靜止側壓力系數K0，扁鏟側脹試驗與室內試驗數據相近；對于不排水抗剪強度Cu，根據地層進行劃分。對于可塑～可塑偏軟粉質黏土，扁鏟側脹試驗取得數據是室內試驗數據的1.10～1.20倍；對于可塑偏硬～硬塑粉質黏土扁鏟側脹試驗取得數據是室內試驗數據的1.40～1.50倍。

由于水平基床系數未進行室內試驗，無法對比，故不對其進行討論。但通過扁鏟側脹試驗計算出水平基床系數與《城市軌道交通巖土工程勘察規范》GB 50307—2012附錄H中的經驗值相吻合。

（1） 通過以上分析，得出靜止側壓力系數K0計算公式：K0=0.34K0.54D-nKD式中K0——靜止側壓力系數

KD——水平應力指數

其中n的取值，可塑狀態可采用0.07，可偏軟塑可采用0.03，可偏硬塑可采用0.08。

（2） 不排水抗剪強度Cu計算公式：

對于可塑～可塑偏軟粉質黏土計算公式：Cu=0.19（KD/2）1.25σvo對于可塑偏硬～硬塑粉質黏土計算公式：Cu=0.152（KD/2）1.25σvo式中Cu——不排水抗剪強度

KD——水平應力指數

σvo——試驗點有效上覆土壓力

3結語

國外經驗公式與長春本地區土性參數有偏差，不適直接運用。總結的經驗公式更契合當地經驗參數及室內土工試驗得出的數據，故更為適合長春地區使用。扁鏟側脹試驗這項新技術在長春市首次成功使用，其所取得參數應用到地鐵項目中均得到設計單位及甲方的認可。通過這幾年實踐，在這項新技術的運用中積累了豐富的經驗，并本著“認真、負責、科學、嚴謹”的理念，建立起滿足本地區工程需要的經驗公式，為此項新技術的推廣及使用奠定了先期的基礎，樹立了良好的企業形象。

參考文獻：

［1］GB 50021—2001，巖土工程勘察規范［S］.

［2］GB 50307—2012，城市軌道交通巖土工程勘察規范［S］.

［3］林國華.扁鏟側脹試驗在巖土工程中的應用［D］.上海：同濟大學，2004.

［4］陳國民，鐘建東.采用扁鏟側脹試驗估算土的側向基床反力系數的探討［J］.上海地質，2002（2）：4053.

［5］唐世棟，林華國.用扁鏟側脹試驗求解側向基床反力系數［J］.巖土工程學報，2003，26（6）：692701.

［6］李雄威，蔣剛，等.扁鏟側脹原位測試的應用與探討［J］.巖石力學與工程學報，2004（6）：21182130.