扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)研究及其工程應(yīng)用

王程亮

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(flat dilatometer test,簡(jiǎn)稱(chēng)DMT),是1980年意大利Silvano Marchetti教授創(chuàng)立的一種原位測(cè)試方法。最初在北美和歐洲地區(qū)應(yīng)用,1998年引入我國(guó),隨后開(kāi)始試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用,目前還處于積累工程經(jīng)驗(yàn)的階段。DMT操作簡(jiǎn)便、快捷,可以得到近乎連續(xù)的地層剖面。得到的試驗(yàn)結(jié)果與人們熟悉的土工參數(shù)相關(guān),可用于分析淺基礎(chǔ)的沉降、側(cè)向受荷樁的設(shè)計(jì)、砂土液化的可能性、確定超固結(jié)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(yàn)地基處理的效果。

1 基本原理[1]

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

扁鏟試驗(yàn)時(shí),整個(gè)膨脹過(guò)程中膜片的變形量較小,因而可將其視為彈性變形的過(guò)程。膜片向外鼓脹可假設(shè)為在無(wú)限彈性介質(zhì)內(nèi)部,在圓形膜片上施加均布荷載 ΔP。如果彈性介質(zhì)的彈性模量為E,泊松比為μ,膜上任一點(diǎn)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(diǎn)到膜片中心的距離。當(dāng)r=0時(shí),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(shí)際為膜片從基座鼓脹到距基座0.05mm或1.10mm時(shí)的壓力增量。因此式(2)表示壓力增量ΔP與被測(cè)試土的性質(zhì)E/(1-μ2)直接相關(guān)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

為了克服膜片本身的剛度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,試驗(yàn)前后應(yīng)對(duì)膜片進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí),應(yīng)先關(guān)閉排氣閥,然后用率定氣壓計(jì)對(duì)扁鏟探頭抽氣,待蜂鳴器響時(shí)停止抽氣,然后緩慢加壓,直至蜂鳴器停止響聲時(shí)刻,記下測(cè)控箱上讀數(shù),即 ΔA(該值為負(fù)值,記錄時(shí)記錄正值);之后繼續(xù)對(duì)扁鏟探頭施加氣壓,直至蜂鳴器再次響起時(shí)的讀數(shù)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(nèi),則此膜片不能用于扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。

試驗(yàn)由貫入扁鏟探頭開(kāi)始,在貫入至某一深度后暫停,使用測(cè)控箱操作使膜片充氣膨脹,在充氣鼓脹過(guò)程中得到如下三個(gè)讀數(shù):

A讀數(shù):膜片鼓脹距離基座0.05mm時(shí)的氣壓值;B讀數(shù):膜片鼓脹距離基座1.10mm時(shí)的氣壓值;C讀數(shù):通過(guò)測(cè)控箱上的氣壓調(diào)節(jié)器釋放氣壓,使膜片回縮到距離基座0.05mm時(shí)的氣壓值。

扁鏟探頭貫入速度應(yīng)控制在 2 cm/s左右,試驗(yàn)點(diǎn)的間距可取20 cm～50 cm。在貫入過(guò)程中,排氣閥始終是打開(kāi)的。當(dāng)扁鏟探頭達(dá)預(yù)定深度后,進(jìn)行如下測(cè)試操作:

1)關(guān)閉排氣閥,緩慢打開(kāi)微調(diào)閥,當(dāng)蜂鳴器停止響聲的瞬間記下氣壓值,即A讀數(shù);2)繼續(xù)緩慢加壓,直至蜂鳴器響時(shí),記下氣壓值,即B讀數(shù);3)打開(kāi)微排閥,使氣壓緩慢降低直至蜂鳴器再次響起,此時(shí)記下的讀數(shù)為C值;4)探頭繼續(xù)往下貫入至下一試驗(yàn)深度。在每一試驗(yàn)深度都重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程,讀取A,B讀數(shù),必要時(shí)測(cè)記C讀數(shù)。

加壓的速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響,因而應(yīng)將加壓速率控制在一定的范圍內(nèi)。壓力從 0到A值應(yīng)控制在 15 s之內(nèi)測(cè)得,而B(niǎo)值應(yīng)在A讀數(shù)后的 15 s～20 s之間獲得,C值在 B讀數(shù)后約1min獲得。

試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意校核差值,是否出現(xiàn)B-A＜ΔA+ΔB,如果出現(xiàn)則停止試驗(yàn),檢查原因。試驗(yàn)結(jié)束后,立即取出扁鏟探頭進(jìn)行標(biāo)定,ΔA,ΔB應(yīng)在允許范圍內(nèi),并且試驗(yàn)前后 ΔA,ΔB值相差不應(yīng)超過(guò)25 kPa,否則試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能用。

3 試驗(yàn)參數(shù)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正[2]

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)A,B,C讀數(shù)應(yīng)對(duì)鋼膜片和壓力表零飄進(jìn)行修正以求得膜片不同位置時(shí)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(shí)的壓力,kPa;P2為膜片回到0.05mm時(shí)的終止壓力,kPa;Zm為壓力表零飄,kPa。

3.2 試驗(yàn)的中間指數(shù)[3]

扁鏟土性指數(shù):

其中,u0為未貫入前試驗(yàn)深度處的靜水壓力,kPa,一般可按u0=10×(試驗(yàn)深度-地下水位)進(jìn)行計(jì)算;

水平應(yīng)力指數(shù):

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

扁鏟側(cè)脹模量:

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

3.3 試驗(yàn)所得的巖土工程相關(guān)參數(shù)

靜止側(cè)壓力系數(shù):

ID≤1.2。

不排水抗剪強(qiáng)度:

壓縮模量:

當(dāng)ID≤0.6時(shí),RM=0.14+2.36logKD;

當(dāng)ID≥3時(shí),RM=0.5+2logKD;

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

當(dāng)KD＞10時(shí),RM=0.32+2.18logKD;

當(dāng)RM＜0.85時(shí),RM=0.85。

地基承載力:

其中,f0為地基土的計(jì)算強(qiáng)度;n為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),粘土取1.14,粉質(zhì)粘土取0.86;Δp為DMT的壓力增量。

4 工程應(yīng)用

4.1 應(yīng)用依據(jù)

實(shí)踐證明扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)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(huì)有較大的增長(zhǎng),靜止側(cè)壓力系數(shù) K0和不排水抗剪強(qiáng)度cu也會(huì)有增大的變化,據(jù)此可檢驗(yàn)地基處理的效果。

4.2 工程實(shí)踐

某高速公路建設(shè)工程中,對(duì)于其中某段深厚軟土地基采用水泥土攪拌樁聯(lián)合塑料排水板方案進(jìn)行處理。在處理前和處理一個(gè)月后各進(jìn)行了一次扁鏟側(cè)脹試驗(yàn),通過(guò)前后數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)檢驗(yàn)地基處理的效果,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表1 地基處理前后DMT數(shù)據(jù)對(duì)比表

通過(guò)表 1可以看出,經(jīng)水泥土攪拌樁聯(lián)合塑料排水板方案進(jìn)行處理后,地基土的各項(xiàng)強(qiáng)度及變形指標(biāo)都有不同程度的增長(zhǎng),地基處理取得了良好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

1)DMT作為一種原位測(cè)試的手段,簡(jiǎn)單快捷,重復(fù)性好,可以立即得到試驗(yàn)結(jié)果,可用來(lái)評(píng)定土的各項(xiàng)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(fēng)化巖。同其他原位測(cè)試技術(shù)一樣,將其用于新的土類(lèi)和地區(qū)時(shí),應(yīng)通過(guò)對(duì)比研究,建立適合于研究對(duì)象的 DMT指標(biāo)和巖土工程參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)理論關(guān)系式,不宜照搬套用現(xiàn)成公式。

3)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)和密度變化非常敏感,分析對(duì)比相關(guān)參數(shù)的前后變化可以評(píng)價(jià)地基處理的效果。

[1] 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):177-183.

[2] GB 50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

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