王程亮

扁鏟側(cè)脹試驗(flat dilatometer test,簡稱DMT),是1980年意大利Silvano Marchetti教授創(chuàng)立的一種原位測試方法。最初在北美和歐洲地區(qū)應(yīng)用,1998年引入我國,隨后開始試驗研究和工程應(yīng)用,目前還處于積累工程經(jīng)驗的階段。DMT操作簡便、快捷,可以得到近乎連續(xù)的地層剖面。得到的試驗結(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、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地基處理的效果。

1 基本原理[1]

扁鏟側(cè)脹試驗設(shè)備由扁鏟探頭、氣電管路、測控箱、氣壓源、貫入設(shè)備以及探桿組成。扁鏟探頭是一個具有特定規(guī)格的不銹鋼鋼板,在探頭的一側(cè)安裝了一個圓形鋼膜片。扁鏟探頭通過一條穿過探桿的氣電管路與地表的測控箱連接,氣電管路用以傳輸氣壓和傳遞電信號。測控箱通過氣壓管和氣壓源連接。氣壓源提供氣壓使膜片膨脹,測控箱起控制氣壓力和提示采樣中樞的作用。

扁鏟試驗時,整個膨脹過程中膜片的變形量較小,因而可將其視為彈性變形的過程。膜片向外鼓脹可假設(shè)為在無限彈性介質(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,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實際為膜片從基座鼓脹到距基座0.05mm或1.10mm時的壓力增量。因此式(2)表示壓力增量ΔP與被測試土的性質(zhì)E/(1-μ2)直接相關(guān)。

2 試驗過程

為了克服膜片本身的剛度對試驗結(jié)果的影響,試驗前后應(yīng)對膜片進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時,應(yīng)先關(guān)閉排氣閥,然后用率定氣壓計對扁鏟探頭抽氣,待蜂鳴器響時停止抽氣,然后緩慢加壓,直至蜂鳴器停止響聲時刻,記下測控箱上讀數(shù),即 ΔA(該值為負(fù)值,記錄時記錄正值);之后繼續(xù)對扁鏟探頭施加氣壓,直至蜂鳴器再次響起時的讀數(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。

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

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

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

1)關(guān)閉排氣閥,緩慢打開微調(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,記下氣壓值,即B讀數(shù);3)打開微排閥,使氣壓緩慢降低直至蜂鳴器再次響起,此時記下的讀數(shù)為C值;4)探頭繼續(xù)往下貫入至下一試驗深度。在每一試驗深度都重復(fù)上述試驗過程,讀取A,B讀數(shù),必要時測記C讀數(shù)。

加壓的速率對試驗結(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)測得,而B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。

試驗過程中應(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,檢查原因。試驗結(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),并且試驗前后 ΔA,ΔB值相差不應(yīng)超過25 kPa,否則試驗數(shù)據(jù)不能用。

3 試驗參數(shù)

3.1 試驗數(shù)據(jù)的修正[2]

現(xiàn)場實測A,B,C讀數(shù)應(yīng)對鋼膜片和壓力表零飄進(jìn)行修正以求得膜片不同位置時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時的壓力,kPa;P2為膜片回到0.05mm時的終止壓力,kPa;Zm為壓力表零飄,kPa。

3.2 試驗的中間指數(shù)[3]

扁鏟土性指數(shù):

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

水平應(yīng)力指數(shù):

其中,σ′v0為未貫入前試驗深度處的豎向有效壓力,kPa;當(dāng)s(0)=1.10mm時,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,RM=0.14+2.36logKD;

當(dāng)ID≥3時,RM=0.5+2logKD;

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

當(dāng)KD＞10時,RM=0.32+2.18logKD;

當(dāng)RM＜0.85時,RM=0.85。

地基承載力:

其中,f0為地基土的計算強(qiáng)度;n為經(jīng)驗修正系數(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)

實踐證明扁鏟側(cè)脹試驗結(jié)果對土的力學(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會有較大的增長,靜止側(cè)壓力系數(shù) K0和不排水抗剪強(qiáng)度cu也會有增大的變化,據(jù)此可檢驗地基處理的效果。

4.2 工程實踐

某高速公路建設(shè)工程中,對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月后各進(jìn)行了一次扁鏟側(cè)脹試驗,通過前后數(shù)據(jù)的對比來檢驗地基處理的效果,具體數(shù)據(jù)見表 1。

表1 地基處理前后DMT數(shù)據(jù)對比表

通過表 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,地基土的各項強(qiáng)度及變形指標(biāo)都有不同程度的增長,地基處理取得了良好的效果。

5 結(jié)語

1)DMT作為一種原位測試的手段,簡單快捷,重復(fù)性好,可以立即得到試驗結(jié)果,可用來評定土的各項巖土工程特性。

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。同其他原位測試技術(shù)一樣,將其用于新的土類和地區(qū)時,應(yīng)通過對比研究,建立適合于研究對象的 DMT指標(biāo)和巖土工程參數(shù)的經(jīng)驗、半經(jīng)驗理論關(guān)系式,不宜照搬套用現(xiàn)成公式。

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

[1] 陳國民.扁鏟側(cè)脹試驗及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報,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.