扁鏟側脹試驗新模式教學的探索實踐

程 鵬， 李錦輝， 王海洋

（哈爾濱工業(yè)大學（深圳），實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，土木與環(huán)境工程學院，廣東深圳518055）

0 引 言

扁鏟側脹儀由意大利Marchetti教授在上世紀70年代發(fā)明，可用于原位測試軟土、黏土、粉土、黃土和松散-中密砂土等土質的性能參數(shù)［1-2］。扁鏟側脹儀具有高效、操作簡單、小巧易攜帶、可連續(xù)測試、測試結果具有良好的重復性等優(yōu)點，在20世紀80年代就被寫入美國ASTM標準和歐洲標準。該試驗方法在20世紀90年代引入國內后被廣泛應用于巖土工程勘察設計領域，現(xiàn)已寫入《巖土工程勘察規(guī)范》國家標準和《鐵路工程地質原位測試規(guī)程》行業(yè)規(guī)范中［3-5］。

扁鏟側脹試驗可用于以下用途：計算壓縮模量、測量不排水剪切強度Cu、測量側向受荷樁的P-y曲線、土質分類、測量黏土的滲透系數(shù)、測量靜止土壓力系數(shù)、壓實度控制、砂土液化勢判別、測量砂土內摩擦角

等，尤其適用于側向荷載較大的建筑工程［6］。

1 扁鏟側脹試驗的原理

扁鏟側脹試驗（Flat Dilatometer Test，DMT）首先利用貫入設備（可與靜力觸探設備共用）、鉆機或其他野外現(xiàn)場設備將扁鏟貫入土層中，達到預定深度后，通過小型氣瓶對扁鏟進行加壓，利用氣壓使扁鏟上的鋼膜片側向膨脹，分別測得膜片中心側向膨脹0.05 mm和1.10 mm時的氣壓值A值和B值，再測量膜片回縮到0.05 mm時的氣壓值，C值。根據氣壓與變形之間的關系，來獲得地基土的力學參數(shù)［7-8］。

鋼膜片達到0.05 mm和1.10 mm的時候可以通過蜂鳴器是否鳴響來做出精確判斷。扁鏟的內部構造見圖1，實物圖見圖2。

圖1 扁鏟結構示意圖

圖2 扁鏟實物圖

工作原理如同一個電開關，圖中絕緣墊將導體基座與扁鏟鋼體和鋼膜片隔離，導體基座與正極相連，鋼膜片與負極相連。在自然狀態(tài)下，線路被絕緣墊斷開，蜂鳴器不會鳴響。

（1）當扁鏟插入土中，鋼膜片受到土壓力之后，會向內收縮，當鋼膜片與導體基座接觸時，整個線路連通，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出鳴響。

（2）施加氣壓使鋼膜片膨脹，當膨脹量達到0.05 mm時，鋼膜片與導體基座脫開，線路斷開，蜂鳴器停止鳴響，此時氣壓讀數(shù)為A值。

（3）繼續(xù)施加氣壓使鋼膜片膨脹，由于彈簧的作用，鋼柱和玻璃柱被向外推出。膨脹量達到1.10 mm時，鋼柱與導體基座接觸，線路連通，蜂鳴器發(fā)生鳴響，此時氣壓讀數(shù)為B值。

（4）然后緩慢卸壓，鋼膜片重新向內收縮，鋼柱開始脫離導體基座，線路斷開，蜂鳴器停止鳴響。

（5）鋼膜片繼續(xù)收縮，當鋼膜片重新收至0.05 mm處時，鋼膜片與導體基座重新接觸，蜂鳴器又發(fā)生鳴響，此時氣壓讀數(shù)為C值。

2 扁鏟側脹試驗的教學現(xiàn)狀

2.1 需要足夠大的室外試驗場地

扁鏟側脹試驗是一種原位測試試驗，需要在野外工地上進行。貫入扁鏟需要搭配貫入儀、鉆機或其他野外現(xiàn)場設備。常用的手搖式靜力觸探貫入儀占地面積約為1 m×1 m，液壓貫入儀尺寸約為2 m×1.5 m。再加上學生的操作空間，每組至少需要10 m2的場地，一個班級可能需要找到將近60～100 m2的室外試驗場地。對于寸土寸金的深圳或其他一線城市來說，顯然很難滿足上課需求。此外由于涉及到鉆探，試驗場地難以重復利用，這就使得原本緊張的用地變得更加局促。對于沒有提前規(guī)劃場地的學校更是無法開展。

2.2 測試儀器搬運不方便

常用的液壓靜力觸探貫入儀質量在200 kg以上，需要使用專門的搬運工具來運輸。這一工作費事費力，嚴重影響課堂的效率。

2.3 對場地條件、土質要求較高

扁鏟側脹試驗一般在疏軟松散土中適宜性好，在堅硬密實土中適宜性差，不適用于含碎石的土。若土質不滿足要求，可能會損傷扁鏟的鋼膜片。此外，試驗之前需要對場地進行整平且表面無雜草、石塊等雜物，這無疑大大增加了實驗前的準備工作。

2.4 室外場地的隨機性大，不利于結果分析

室外試驗場地往往具有較大的隨機性，場地土質的不確定性、土體本身的不均勻性等均會造成實驗結論的誤差［9］。很有可能會出現(xiàn)每個組的試驗結果不盡相同的情況，并且也無從得知正確的結論，也就無法準確地對實驗報告的數(shù)據處理部分進行評分。

2.5 室外實驗的開展受天氣影響

深圳是一個多雨的城市，每年的4～9月份為雨季。一方面雷雨天氣無法在室外進行實驗，另一方面降雨過后會導致室外場地泥濘，也不利于開展實驗。

3 新模式教學改革研究

實驗教學是課程教學的重要組成部分，實驗教學的目的是一方面能夠使學生鞏固所學知識，另一方面能夠使學生快速掌握解決實際工程問題的能力［10-14］。筆者針對扁鏟側脹試驗教學存在的難點，提出了新模式教學方法，主要體現(xiàn)在以下3個方面：

3.1 構建貫入系統(tǒng)，使學生在實驗室即可分組操作

貫入系統(tǒng)由貫入裝置、貫入平臺、模型桶、平板推車4部分構成，見圖3。

圖3 貫入系統(tǒng)實物圖

（1）貫入裝置。貫入裝置選用手搖式靜力觸探機，結構圖見圖4。這種貫入設備較為輕便，通過手搖柄驅動鏈條，進而帶動鉆桿進行鉆探。該設備也可搭配十字板剪切儀、孔壓靜力觸探儀等不同的原位測試設備使用，有良好的擴展功能。

圖4 貫入裝置結構圖

（2）貫入平臺。貫入平臺的工作臺面尺寸為長1.4 m×寬1.0 m，臺面高度為1.2 m，在平臺上面切割了兩個220 mm×220 mm的方形孔洞，作為鉆桿和探頭的貫入通道。貫入平臺四周加設高1 m的安全圍欄。在圍欄的對側有兩個推拉門，并可用插銷將推拉門鎖上。

（3）模型桶。模型桶為φ0.6 m×1 m不銹鋼桶。桶中填入了若干層不同類型的土體，見表1?？蓪⒈忡P每隔20 cm深測量一次數(shù)據，對土體進行粗略分層。也可根據實驗需求，選擇其他種類土體或改變分層厚度。

表1 桶中土的類別及深度

（4）平板推車。平板推車為邊長0.6 m的可移動平板車。平板推車由一塊5 mm厚不銹鋼底板、4根鍍絡棒和4個軸承組成。平板推車的作用是為了方便添加或更換模型桶中的土。

首先將兩臺手搖式靜力觸探機立在貫入平臺上面并用螺栓與之固定，在模型桶中填入若干層不同種類的土。由于在測量A值之前，需要有足夠的土壓力擠壓膜片使之與導體基座接觸，因此模型桶中的土可采用加水、施加荷載進行緊實等方法來增大土體側壓力。

然后將模型桶放入平板推車上，推進貫入平臺下方，學生可以站在貫入平臺上將扁鏟向模型桶中貫入，將下方的模型桶內的土代替原狀土，以此來模擬整個試驗過程，扁鏟貫入土中的過程見圖5。由于老師對模型桶中的土體參數(shù)已經掌握，故可較準確判斷學生們的實驗結果是否正確。

圖5 扁鏟貫入過程

3.2 加強預習，優(yōu)化實驗預習報告

有效地預習實驗對實驗操作的順利進行起著至關重要的作用［15］。而通常的預習報告無外乎實驗目的、實驗設備、實驗步驟這幾部分內容，一般情況下這些內容在實驗指導書中都可以找得到，只需全盤抄一遍即能完成任務［16］。

為了讓學生們能在課前真正初步理解整個實驗，在預習報告部分摒棄了原有的模式，采用填空題、選擇題、簡答題等多種形式，題目的設置則針對實驗過程中的重點、易錯點和安全注意事項的關鍵點。若想完成預習報告，則需要提前通讀實驗指導書并理解整個實驗。這樣做既不需要大段抄寫也能讓學生真正去思考并理解整個實驗內容。

3.3 豐富考核內容，多方位綜合考評

實驗教學的考核不應局限于實驗報告的撰寫，實驗前的預習過程、實驗操作、實驗后的設備整理歸位、對實驗的理解等都應設為考核內容。筆者對學生在實驗前、實驗中、實驗后3個階段進行了6個方面共17

項的綜合考評，充分調動了學生在整個實驗過程的積極性，取得了良好的效果。綜合考評情況見表2。

表2 綜合考評表

4 實驗過程設計

實驗分組進行，每組配備一套扁鏟側脹儀和貫入系統(tǒng)，人數(shù)在4人左右為宜，保證每名同學都能夠參與其中，相互協(xié)作完成實驗。具體的實驗過程和人員分工情況如下：

4.1 實驗前檢查

實驗前需進行3項檢查，可由4人協(xié)同分工完成。其中1名同學檢查與氣瓶連接的壓力表讀數(shù)是否為0；1名同學打開電源開關，檢查蜂鳴器工作是否正常、回路是否正常；1名同學檢查測控箱的總開關、調壓閥和排氣閥是否處于關閉狀態(tài)；1名同學記錄檢查結果。

4.2 實驗前率定鋼膜片

鋼膜片在自然條件下處于微膨脹狀態(tài)，膨脹量在0.05～1.10 mm之間，即A、B位置之間。鋼膜片存在一定的剛度，由自然狀態(tài)下收縮、膨脹到A、B兩個位置時需克服自身的剛度，這部分力被計算到結果當中。若想獲得真實值，需要在每次實驗前進行修正，即率定鋼膜片。率定過程為用針筒向扁鏟抽氣和打氣，當鋼膜片收縮至A位置、膨脹至B位置時，記錄所施加的氣壓值。

率定時1名同學將針筒、扁鏟、測控箱連接好。另1名同學用針筒對扁鏟探頭抽氣，膜片在大氣壓力作用下從自然位置移向導體基座，待蜂鳴器響起（此時鋼膜片中心向外膨脹小于0.05 mm）停止抽氣，緩慢加壓至蜂鳴器聲音停止［此時鋼膜片中心向外膨脹量為（0.05±0.02）mm，即A位置］，讀取測控箱儀表盤的讀數(shù)，記為ΔA。

第3名同學用針筒對扁鏟探頭打氣，直到蜂鳴器再次響起［此時膜片中心向外膨脹量為（1.10±0.03）mm，即B位置］，讀取測控箱儀表盤的讀數(shù)，記為ΔB。

第4名同學判斷ΔA和ΔB是否在合理范圍內，ΔA應在5～25 kPa之間，理想值為15 kPa。ΔB應在10～110 kPa之間，理想值為40 kPa。

4.3 貫入扁鏟探頭

1名同學站在貫入平臺上，用扳手輕微松動頂部的鉆桿夾具。1名同學將U形墊壓塊卡在鉆桿的卡槽內，將山形板放置在U形墊壓塊上面，并用手持住山形板。這時第1名同學轉動手搖柄，使鏈條的長軸銷釘輕輕頂在山形板上面。山形板、U形墊壓塊實物圖及安裝圖見圖6。

圖6 山形板、U形墊壓塊實物圖及安裝圖

接著以一定的速率搖動手搖柄，將扁鏟以（20±5）mm／s的速度貫入土中，當達到一定深度時，土壓力將鋼膜片壓向導體基座，鋼膜片膨脹量小于0.05 mm，蜂鳴器開始鳴響。達到預定深度后停止貫入，取下山形板和U形墊壓塊。

4.4 測量A、B、C值

1名同學打開氣瓶開關、測控箱總開關，并緩慢旋轉調壓閥，將壓力緩慢增加。待蜂鳴器停止鳴響的瞬間（此時鋼膜片中心向外膨脹量為0.05 mm），記錄氣壓值A值。

另1名同學繼續(xù)緩慢加壓，待蜂鳴器再次鳴響的瞬間（此時鋼膜片中心向外膨脹量為1.10 mm），記錄氣壓值B值。

測得B值后，第3名同學即關閉總開關，防止繼續(xù)加壓導致鋼膜片膨脹破壞。然后反向旋轉調壓閥，將氣壓緩慢卸掉，當蜂鳴器再次鳴響瞬間（此時鋼膜片中心向外膨脹量為0.05 mm），記錄氣壓值C值。

4.5 卸壓、提桿

第1名同學打開排氣閥，快速卸掉剩余壓力。第2名同學關閉氣瓶開關，卸掉氣瓶與測控箱中氣管的剩余壓力。第3名同學安裝山形板和U形墊壓塊，并用手持住山形板。最后1名同學站在貫入平臺上提升探桿，從土中取出扁鏟探頭。

4.6 實驗后重新率定鋼膜片

試驗結束后需重新率定鋼膜片，重新測量ΔA和ΔB，并與試驗前的測值相比，差值不得超過25 kPa。

5 結 語

從巖土原位測試的實驗教學中存在的問題出發(fā)，以扁鏟側脹試驗為例，提出了新模式的教學方法并進行了實踐。通過自制的貫入系統(tǒng)，可讓學生能夠在實驗室內分組操作扁鏟側脹儀進行扁鏟側脹試驗。通過改革預習內容、優(yōu)化實驗預習報告，能夠有效地提升學生的預習效果，提高實驗效率。同時豐富考核內容，對學生進行了6個方面共17項考評，能夠更準確地對學生進行全方位的綜合評價。