扁铲侧胀仪试验过程及其原理

扁铲侧胀仪试验过程及其原理扁铲侧胀试验（简称DMT）是意大利学者Marchettis.于七十年代发明的一种原位测试技术，可作为一种特殊的旁压试验，是用静力（有时也用锤击动力）把一扁铲探头贯入到土中某一预订深度，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验，量测不同侧胀位移时的侧向压力，可用于土层划分与定名、不排水剪切强度、判定土的液化、静止土压力系数、压缩模量、固结系数等的原位测定。其优点是试验操作简捷，重复性好，可靠性高且较经济。目前已在国外被广泛用于浅基工程，桩基工程，边坡工程等。扁铲侧胀试验最适宜在软弱、松散土中进行。一般适用于软土、一般粘性土、粉土、黄土和松散～中密的砂土。不适用于含碎石的土、风化岩等。因此，扁铲侧胀试验对土体而言具有较强的实用性。1.测试仪器扁铲侧胀仪是由1只扁铲形插板(图1)、1个控制箱(图2)、气电管路、压力源、贯入设备、探杆等组成。扁铲形探头长230～240mm、宽94～96mm、厚14～16mm；探头前刃角12～16°，探头侧面钢膜片的直径60mm，膜片厚约0.2mm，通过穿在杆内的一根柔性气-电管路和地面上的控制箱相连接。探头采用静力触探设备或液压钻机压入土中。图1.扁铲形插板图2.侧胀仪控制箱面板图2.资料整理读数A，B，C经过仪器的率定数值修正，可转为p0，p1，p2。)BzB(05.0)AzA(05.1pmm0BzBpm1AzCpm2其中p0为初始侧压力；p1为1.1mm位移时膨胀侧压力；p2为终止压力(回复初始状态侧压力)。由p0，p1，p2可获得如下4个DMT指数：土类指数ID=(p1-p0)/(p0-u0)水平应力指数KD=(p0-u0)/0V侧胀模量ED=34.7(p1-p0)孔隙压力指数UD=(p2-u0)/(p0-u0)式中u0为静水压力；0V为有效上复土压力。3.成果应用由试验得到的4个DMT参数，可用来判别土的特性，并且可以用这些参数来建立起经验公式，而这些经验公式在我们进行岩土工程设计时发挥着重要的作用。下面就介绍一下扁铲侧胀试验在岩土工程中的应用。3.1土类的划分土类的划分在岩土工程中发挥着重要的作用，在扁铲侧胀试验中，可以利用ID参数来对土类进行划分，因为ID可以反映出土体的软硬状态及强度大小。不同土类的物理力学性质是不同的，在一般情况下，粘性土的强度小于粉土的强度，而粉土的强度又小于砂土的强度。早在1980年，Marchetti就提出依据扁胀指数ID来划分土类，如表1.表1据扁胀指数ID划分土类ID0.10.350.60.91.21.83.3泥炭及灵敏土粘土粉质粘土粘质粉土粉土砂质粉土粉质砂土砂土在1981年，Marchetti和Crapps将表1绘制成图3，用来划分土层。图3土类的划分用土性参数ID来划分土类，必须考虑地区和沉积环境等影响，因此各地要用ID来划分土层，必须建立各自的经验公式。由于上海软土地层比较发育，给扁铲侧胀试验提供了前提条件，上海一些学者通过扁铲侧胀试验，提过了上海地区主要土层的ID范围。具体介绍如下。朱火根，施亚霖利用收集上海地区157个扁铲试验孔近17600份数据的实测资料，对不同土类的ID值范围进行统计，分析和归纳出粘土、粉土和粉砂的ID值范围，为利用ID值划分土类提供了依据。这些统计结果表明，不同土性软土的ID值具有各自的取值范围及一定的兼容性，通过粘性土、粉性土、砂性土三个大类统计获得的土性(材料)指数ID值正态分布曲线（图4）发现：粉性土和砂性土的正态分布曲线较为扁平，即粉性土和砂性土的ID较为离散，同时粉性土和相邻的粘性土和砂性土的兼容性非常大。说明了土性(材料)指数ID指标参数可以作为划分土性的指标之一，但详细准确地划分土性尚应结合土试和静探等其他勘察手段综合确定。图4土的大类统计表综合图文献还提出了造成离散性的原因是：（1）上海浅部地层均属第四系滨海相沉积，夹层、互层的水平、交错层理相对比较发育，土体为非均质体；(2)上海地区浅部粉土和粉砂，由于成因和时代不同，其密实度存在较大差异；(3)静止孔隙水压力的影响。文献提出了上海各土性ID值得分布规律，如表2表2上海地区全新世各软土层土性(材料)指数ID规律土性ID80%概率范围值平均值迭交范围粘土0.15～0.420.280.09～0.42粉质粘土0.09～0.710.400.09～0.71粘质粉土0.08～2.310.09～2.31砂质粉土0.09～3.222.062.31～3.22粉砂2.31～4.013.16唐世栋也提出了ID划分上海地区土类的范围，正常固结粘土的ID值范围为[0.1，0.6]，保证率88%；粉砂的ID值范围为[2.6，3.6]，保证率84%。若以粘土和粉砂之间的区间[0.6，2.6]来界定粉土的ID值范围时，保证率为61%。但统计发现，若根据钻孔和静探资料划分的粉土层，其ID值在[0.0，4.0]都有。由上可以发现，用ID划分上海土类时，由于上海地层属于滨海相沉积，所以造成了上海地区粉土层较薄、夹层、不均匀有关，从而导致ID在划分土类时的离散性。3.2液化判别传统的液化判别方法有标准贯入试验和静力触探试验，它们都有一定的缺点。比如标准贯入试验中的N和区分土性的粘粒含量并不同步，击数受试验点下面土层的土性、取试样的误差等影响较大，试样的粘粒含量并不真正与标贯击数N相匹配，因此准确率受一定影响，而静力触探试验的缺点首先在于无法定量区分土性，需要借助土工试验的颗分试验来确定试验段的土性和粘粒含量，易造成判别误差和失误。其次，锥尖阻力qc与状态参数(sp)(控制砂样剪切时体积的增减变化)的关系并不是唯一的，qc与sp的关系很大程度上取决于应力水平。扁铲作为一种新的原位测试，由于KD与土的相对密实度Dr、静止土压力系数K0、应力历史、沉积年代、胶结等有关，而这些因素也影响砂土的液化势，所以KD可以来评定砂土的液化势。同时也克服一些传统方法的缺点。美国伯克利地震工程研究中心(ERRC)的Seed和Idriss(1971)提出了液化判别的简化方法(simplifiedprocedure)，是目前普遍接受的方法之一，并一直在不断改进和完善。Seed和Idriss(1971)提出按式下式来计算等效循环应力比(CyclicStressRatio，简记为CSR)：CSR=av/0V其中av为地震作用平均水平剪应力，kPa；0V为有效上覆压力，kPa。由于水平应力指数KD对过去的应力、应变历史的反应十分敏感，Marchetti(2005)提出了用水平应力指数(KD)来计算CRR的方法，从而来判别土是否液化320.1070.07410.21690.1206DDDCRRKKK当饱和砂土的抗液化强度大于等效循环应力比时，即CRRCSR时，不液化，反之则液化。判别曲线（按7.5度烈度计算）见图5图5CRR(CSR)-KD曲线国内陈国明（2003年）选择对上海浅层粉性土场地进行扁铲侧胀试验，应用和发生地震剪应力(按7度烈度计算)的关系，结合国内的使用习惯，提出了考虑粘粒含量的粉土液化判别公式如下：3[0.8.4()]0.9()155swDcrDOswswDddKKOOddddI其中，KDcr为液化临界水平应力指数；KD0为液化临界水平应力指数基准值，此处为2.5；ds为扁铲试验点深度，m；dw为地下水位，m；ID为材料指数，当ID≤1.0时，为不液化土，ID2.4时，取ID=2.4；α为系数，按表3取值(dw为中间值时，可以线性内插)，当KD小于KDcr时，判别为可液化土，反之不液化。表3系数的取值可以发现扁铲侧胀试验提供了一种新的、更灵敏的测试手段。现有的经验表明：用ID和KD来判别液化是合理，而且ID和KD在试验点上同步测得，因此用ID和KD来判别液化也是准确的。3.3静止侧压力系数Ko扁铲侧胀试验在测试土体水平向参数时有其独特的适用性。它比室内土工试验方法更为简便、迅速。由于在原位土体中进行试验，其结果更能反映土体的实际应力状态。进行扁铲试验时，扁胀探头压入土中，对周围土体产生挤压，故并不能由扁胀试验直接测定原位初始侧向应力。但通过经验可建立静止侧压力系数Ko与水平应力指数KD的关系。dw(m)0.51.01.52.01.22.02.83.6水平应力指数KD是扁铲试验的一个非常重要的指标，它可以被认为是一个由贯入所导致放大的K0值。Marchetti最初于1980年通过对软土地区的扁铲侧胀试验与其他试验的对比研究，建立了KD与K0之间的关系式：当1.2DI时0.4700.61.5DkkLunne(1988年)根据试验结果提出：KD与K0的关系对新近黏土(6万年)和老黏土(7千万年)是不同的，并于1989年提出补充：对新黏性土0.54'000.34/0.5DuvkkC3.4计算地基承载力近年来，扁铲侧胀试验在我国发展迅速，在实际工程中的应用也越来越多。由于扁铲侧胀试验对土体的扰动小，试验数据较为稳定，因此，对采用扁铲侧胀试验计算地基土的承载力的研究越来越受到岩土工程界的重视。有学者通过试验得出计算地基承载力的经验公式，如下所示12akDfE其中：akf为用扁铲侧胀试验计算的地基承载力特征值(kPa)；ED为侧胀模量(kPa)；1，2为土性系数。而1，2为和土的性质密切相关，并且各个地区有不同的取值，下面提供的是上海地区的经验取值，如表4。表4扁铲侧胀试验确定地基承载力特征值fak的校核土层ED/MPa计算fak公式fak/kpa○2-1、2褐黄色粘性土2.0～7.00.01060akDfE80～130○2-3灰色粉性土2.5～11.50.00950akDfE73～154○3灰色淤泥质粉质粘土0.6～6.50.00660akDfE54～89○4灰色淤泥质粘土1.1～3.50.00660akDfE57～71○5-1褐灰色粘土2.2～5.50.01060akDfE82～115通过与静力触探试验，室内试验计算的地基承载力相比较，发现用扁铲侧胀试验确定的地基承载力范围与用其他方法确定的地基承载力范围基本一致，因此可以用扁铲侧胀试验计算地基承载力3.5其它应用除以上应用外，扁铲侧胀应用还可以用来评价应力历史、计算土的不排水抗剪强度、土的变形参数、水平固结系数和侧向受荷桩的设计。有了这些应用之后扁铲侧胀试验可以用来计算地基的变形，计算地基的沉降等。4.结论扁铲侧胀试验技术以其方法的简单、快速、经济及获得多样参数等特点，正在国内广泛开展应用。扁铲侧胀试验由于采用扁型探头，与圆探头相比具有对土的扰动减小、精度较高的特点，且获得的水平压力指数等均好于旁压试验。另外，扁铲侧胀试验还可以用于砂土的液化评价及桩的侧向承载力的确定、对软土的地基极限承载力进行估算、对地基土强夯效果进行检测等因此扁铲侧胀试验在岩土工程勘测的应用有较大的潜力和应用前景。由于扁铲侧胀试验在资料分析、数据计算时多是利用国外的经验公式，在实际应用时要针对本地区的不同地层的工程特性，选择适当的计算参数，在此基础上总结适合本地区的经验公式和经验参数，以利于扁铲侧胀试验技术的推广应用。