劉如太 武旺芝

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，山西 太原 030031)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在晉中至太原城際鐵路勘察中的應(yīng)用

劉如太 武旺芝

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，山西 太原 030031)

介紹了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的原理、試驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)成果在劃分土類、求解側(cè)向基床反力系數(shù)和壓縮模量中的應(yīng)用，并與室內(nèi)土工試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)得到的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，為工程的巖土工程分析及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了土性參數(shù),可為同一地區(qū)類似工程提供參考。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，側(cè)向基床反力系數(shù)，壓縮模量，土工試驗(yàn)

1 概述

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(簡稱DMT)是巖土工程勘察中的一種先進(jìn)水平向的原位測試方法，具有操作簡單、快速經(jīng)濟(jì)和擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用到鐵路、公路和工民建等工程的巖土工程分析評(píng)價(jià)中，為地基基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)提供了可靠的參數(shù)。

本文介紹了在晉中至太原城際鐵路勘察中的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和成果應(yīng)用。地基土為沖洪積成因的粉土、粉質(zhì)粘土和砂土，通過試驗(yàn)獲得了各測試點(diǎn)的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，用于評(píng)價(jià)土的類型、確定粘性土的塑性狀態(tài)、計(jì)算土的靜止側(cè)壓力系數(shù)和側(cè)向基床反力系數(shù)等，為工程的巖土工程分析及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了較為可靠的土性參數(shù),可以為同一地區(qū)的類似地基的原位試驗(yàn)提供參考。

2 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)原理

本次扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)采用的是DMT-W3型扁鏟側(cè)脹儀。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)[1]是利用靜力將接在探桿上的扁鏟側(cè)頭壓至地基土中的試驗(yàn)深度，利用施加氣壓，使位于扁鏟側(cè)頭的圓形鋼膜向地基土中膨脹，以測得膜片中心到達(dá)0.05 mm和1.10 mm時(shí)膜片上三個(gè)位置(A，B，C)的氣壓值，利用土體的彈性理論得到膜片在不同位置時(shí)的土壓力p0,p1和p2，由p0,p1和p2可得到扁鏟試驗(yàn)基本參數(shù)[2]：側(cè)脹模量ED、材料指數(shù)ID、孔隙水壓力指數(shù)UD和水平應(yīng)力指數(shù)KD。

3 試驗(yàn)過程

3.1 膜片的校正

扁鏟膜片在每個(gè)孔的試驗(yàn)前后必須進(jìn)行校正。膜片的校正是為了克服膜片本身的剛度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[3]，通過校正可以得到膜片的標(biāo)定值ΔA和ΔB，膜片合格的標(biāo)定值一般為ΔA=-5 kPa～-25 kPa，ΔB=10 kPa～110 kPa，ΔA和ΔB可用于對(duì)A,B,C讀數(shù)進(jìn)行修正。膜片在自然狀態(tài)下處于特定A,B位置間(0.05 mm～1.10 mm)，ΔA是采用率定氣壓計(jì)通過對(duì)扁鏟探頭抽成真空，使膜片從自然位置回縮到距離基座0.05 mm時(shí)所需的負(fù)壓力；ΔB是通過對(duì)扁鏟探頭施加正氣壓，使膜片從自由位置回到距離基座1.1 mm時(shí)所需要的正壓力。新膜片的ΔA,ΔB大多不在其許可范圍內(nèi)，需要對(duì)膜片進(jìn)行老化處理[4]，當(dāng)經(jīng)老化處理的膜片降至許可范圍內(nèi)，再按膜片校正方式，正確測定ΔA,ΔB數(shù)值，直至穩(wěn)定，扁鏟測頭方可投入使用。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

將氣—電管路貫穿在探桿中，一端跟扁鏟測頭連接，另一端跟測控箱的測頭插座連接；估算一下鋼瓶氣體是否滿足該測試需要，檢查測控箱、壓力源設(shè)備是否完好，彼此用氣電管路連接；地線接到測控箱的地線插座上，另一端夾到探桿上；檢查電路，用手輕按膜片中心，蜂鳴器會(huì)響，則電路正常；再用氣源氣壓綜合率定膜片，將率定值記錄在記錄紙上，以便試驗(yàn)時(shí)校對(duì)。

3.3 DMT測試過程

扁鏟探頭以2 cm/s的速度壓入土中，試驗(yàn)點(diǎn)的間距取50 cm。貫入過程中排氣閥始終是打開的，當(dāng)探頭達(dá)到預(yù)定深度后[3]：關(guān)閉排氣閥，緩慢打開微調(diào)閥，將壓力緩慢增加，當(dāng)蜂鳴器和電流計(jì)停止動(dòng)作瞬間記下A讀數(shù)氣壓值；然后不停頓地繼續(xù)緩慢加壓，直到蜂鳴器響，電流計(jì)動(dòng)作時(shí)，記下B讀數(shù)氣壓值；立即打開排氣閥，快速減壓到蜂嗚器聲音停止，以防止膜片繼續(xù)膨脹損壞膜片；貫入到下一點(diǎn)指定深度，重復(fù)下一次實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)立即提升探桿，取出扁鏟測頭，并對(duì)扁鏟探頭進(jìn)行標(biāo)定，獲得試驗(yàn)后的ΔA和ΔB。ΔA和ΔB應(yīng)在允許范圍之內(nèi)，且實(shí)驗(yàn)前后ΔA和ΔB相差不應(yīng)超過25 kPa，取試驗(yàn)前后的平均值作為修正值。

4 數(shù)據(jù)整理

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正

在數(shù)據(jù)整理前，首先應(yīng)保證B-A≥ΔA+ΔB。由A,B,C值經(jīng)膜片修正系數(shù)的修正后可分別得出試驗(yàn)位置處的土壓力[5]P0,P1和P2。

P0=1.05(A+ΔA)-0.05(B-ΔB);

P1=B-ΔB;

P2=C+ΔA。

式中：P0——土體水平位移0.05 mm(即A點(diǎn))時(shí)，土體所受的側(cè)壓力；

P1——土體水平位移1.10 mm(即B點(diǎn))時(shí)，土體所受的側(cè)壓力；

P2——恢復(fù)初始狀態(tài)(即B點(diǎn))時(shí)，土體所受的側(cè)壓力。

根據(jù)上述參數(shù)，可以分別繪制P0，P1，ΔP(即P1-P0)與深度H的變化的完整連續(xù)曲線，ΔP—H曲線與靜力觸探曲線非常一致。

4.2 扁鏟試驗(yàn)基本參數(shù)

根據(jù)P0,P1和P2值可由下式計(jì)算出4個(gè)試驗(yàn)基本參數(shù)。

材料指數(shù)：

水平應(yīng)力指數(shù)：

孔隙水壓力指數(shù)：

扁鏟側(cè)脹模量：

ED=34.7(P1-P0)。

其中，u0為試驗(yàn)深度處的靜水壓力，kPa；δvo為試驗(yàn)深度處的有效上覆土壓力，kPa。

5 成果應(yīng)用

5.1 劃分土類

根據(jù)試驗(yàn)基本參數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)用ID可劃分土類，意大利人Marchetti提出了依據(jù)材料指數(shù)ID劃分土類的標(biāo)準(zhǔn)為：ID≤0.6時(shí)為粘性土；0.61.8為砂土。本次試驗(yàn)經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出：本次試驗(yàn)的晉中地區(qū)粉質(zhì)粘土ID=0.35～0.6，粉土ID=0.45～1.92，細(xì)砂ID=1.8～3.2。與Marchetti標(biāo)準(zhǔn)相比，粉土的ID值相差較大，這是由于各地區(qū)的土性不完全相同，它可以為同類地區(qū)應(yīng)用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的ID值進(jìn)行土類劃分提供參照。

5.2 求解土層側(cè)向基床反力系數(shù)

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)代表了土體在小應(yīng)變情況下似彈性階段的側(cè)向基床反力系數(shù)Kh0，在實(shí)際工程中的側(cè)向基床反力系數(shù)Kh往往處于彈—塑性階段或塑性階段的應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)用時(shí)側(cè)向基床反力系數(shù)除了與土體本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)形狀及剛?cè)嵝院图雍伤俾实纫蛩氐挠绊憽?/p>

目前已有多種利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解側(cè)向基床反力系數(shù)的關(guān)系式，綜合考慮到經(jīng)上各種影響因素的是如下的關(guān)系式[6]：Kh=λ1λ2λ3Kh0，其中，Kh0為側(cè)向基床反力系數(shù)試驗(yàn)值，Kh0=3Δp/2s(0);s(0)為DMT中膜片中心點(diǎn)的位移量，為1.10 mm；Δp為相應(yīng)的土壓力增量；λ1為寬度修正系數(shù)，與基礎(chǔ)實(shí)際直徑或?qū)挾群屯列杂嘘P(guān)；λ2為形狀及剛?cè)岫刃拚禂?shù)；λ3為加荷速率修正系數(shù)，與試驗(yàn)土層的性質(zhì)有關(guān)。

雖然通過扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)計(jì)算側(cè)向基床反力系數(shù)Kh的影響因素較多，但扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)值Kh0與實(shí)際的Kh存在總體上呈正比例關(guān)系，可以用一個(gè)總的修正系數(shù)λ對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行修正，Kh=λKh0。修正系數(shù)λ綜合對(duì)比各類數(shù)據(jù)，建議在晉中地區(qū)粉土層λ取0.05～0.07，粉質(zhì)粘土層λ取0.02～0.04，細(xì)砂層λ取0.06～0.09，這與其他地區(qū)的建議值有較大的差異，這是由于各地土體沉積時(shí)的環(huán)境、氣候和物質(zhì)的差異造成的土性不盡相同引起的。

5.3 求土的壓縮模量

由扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可以求得土體的側(cè)脹模量ED，考慮到豎向壓縮模量Es與側(cè)脹模量的關(guān)系，Marchetti提出應(yīng)用扁鏟側(cè)脹模量計(jì)算壓縮模量的經(jīng)驗(yàn)公式，即Es=RmED，Rm是ID和KD的函數(shù)，一般情況下Rm≥0.85。本次測試由該公式得出的壓縮模量比土工試驗(yàn)結(jié)果值偏大，詳見表1。但該成果更真實(shí)地反映了土體的原始受力狀態(tài)，可以作為本地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

表1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)壓縮模量與土工試驗(yàn)成果比較

6 結(jié)語

1)由扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出：晉中地區(qū)粉質(zhì)粘土和砂土的ID與Marchetti標(biāo)準(zhǔn)相比，比較吻合，而粉土的ID值相差較大，這是由于各地區(qū)的土性不完全相同，在晉中地區(qū)可以應(yīng)用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的ID值進(jìn)行土類劃分。

2)側(cè)向基床反力系數(shù)除了與土體本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)形狀及剛?cè)嵝院图雍伤俾实纫蛩氐挠绊?。建議晉中地區(qū)粉土層λ取0.05～0.07，粉質(zhì)粘土層λ取0.02～0.04，細(xì)砂層λ取0.06～0.09，這與其他地區(qū)的建議值有較大的差異，這是由于各地土體沉積時(shí)的環(huán)境、氣候和物質(zhì)的差異造成的土性不盡相同引起的。

3)由扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式得出的壓縮模量比土工試驗(yàn)結(jié)果值偏大，但扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)更真實(shí)地反映了土體的原始受力狀態(tài)，由此得出的壓縮模量可以作為本地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

[1] 繆永華,沈華駿.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解側(cè)向基床反力系數(shù)的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(24):125-126.

[2] 趙中華.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].土工基礎(chǔ),2014,28(1):104-105.

[3] 實(shí)習(xí)指導(dǎo)書0124092.doc-max[OB/L].互聯(lián)網(wǎng)文檔資源(http://m.book118.com/html/2015/0613/18947501.shtm),2016.

[4] 土體原位測試指導(dǎo)書.互聯(lián)網(wǎng)文檔資源(http://www.docin.com/p-474536532.html),2012.

[5] 余洽棟,王想勤.扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和其他原位測試試驗(yàn)的對(duì)比研究[J].科協(xié)論壇(下半月),2007(2):97-98.

[6] 唐世棟,林華國.用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解側(cè)向基床反力系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(6):692-693.

OnapplicationofflatdilatometertestinJinzhong-Taiyuaninter-cityrailwaysurvey

LiuRutaiWuWangzhi

(ShanxiBranchofChinaBuildingMaterialsIndustryGeologicExplorationCenter,Taiyuan030031,China)

The paper introduces the principle, test process, data analysis and test results for the flat dilatometer test in the classification for the soil types, the solution to lateral machine’s reaction coefficient and compression modulus, and compares it with the parameter indexes of the indoor civil tests and static sounding test, so as to provide some soil parameter for the geotechnical engineering analysis and foundation design, and provide some reference for similar projects of the same area.

flat dilatometer test, lateral machine’s reaction coefficient, compression modulus, civil test

1009-6825(2017)23-0063-02

2017-06-02

劉如太(1969- )，男，高級(jí)工程師

TU413

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