扁铲侧胀试验

2016主讲人：第六组一、扁铲侧胀试验概述•扁铲侧胀试验（简称扁胀实验）是用静力（有时也用锤击动力）把一扁铲形探头贯入土中，达实验深度后，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验，它可作为一种特殊的旁压试验。它的优点在于简单、快速、重复性好和便宜。故在国外近年发展很快。•扁胀实验适用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用于含碎石的土、风化岩等。二、扁胀实验的基本原理扁胀实验时膜向外扩长可假设为在无线弹性介质中在圆形面积上施加均布荷载，如弹性介质的弹性模量为，泊松比为,膜中心的外移为，则式中，为膜的半径（）。如把定义为扁胀模量,为1.10mm，则上式可变为而作用在扁胀仪上的原位应力即，水平有效应力与竖向有效应力之比，可定义为水平应力指数:而膜中心外移1.10mm所需的压力与土的类型有关，定义扁胀（或土类）指数为可把压力当做初始的孔压加上由于膜扩张所产生的超孔压之和，故可定义为扁胀孔压指数为可以根据确定土的一系列岩土技术参数，并为路基、浅基、深基等岩土工程问题作出评价。spEEpRs)1(42πRmmR30)1(2EDEs)(7.347.3401pppED0p'0p0'vDKvoDupK'/)(00)(01ppDI)/()(0001upppID2pDU0002upupUDDDDDUIKE，，，三、扁胀实验设备•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四、扁胀实验技术要求（1）实验时，测定三个钢膜位置的压力A,B,C。压力A为当膜片中心刚开始向外扩张，向垂直扁铲周围的土体水平位移0.05（+0.02，-0.00）mm时作用在膜片内侧的气压。压力B为膜片中心外移达1.100.03时作用在膜片内侧的气压。压力C为在膜片外移1.10mm后，缓慢降压，使膜片内缩到刚启动前的原来位置时作用在膜片内的气压。当膜片到达所确定的位置时，会发出一电信号（指示灯发光或蜂鸣器发声），测读相应的气压。一般三个压力读数A,B,C可贯入1min内完成。（2）由于膜片的刚度，须通过在大气压下标定膜片中心外移0.05mm和1.10mm所需的压力和，标定应重复多次。取和的平均值。则据压力B修正为（膜中心外移1.10mm）的计算式为式中，为压力表的零读数（大气压下）。把压力A修正为（膜中心无外移时，即外移0.00mm）的计算式为AABB1pBzBpm1mz0p)(05.0)(05.10BzBAzApmm把压力C修正为（膜中心外移后又收缩到初始位移0.05mm的位置）的计算式为（3）当静压扁胀探头入土的推力超过5t（或用标准贯入得锤击方式，每30cm的锤击数超过15击）时，为避免扁胀探头损坏，建议先钻孔，在孔底下压探头至少15cm。（4）试验点在垂直方向的间距可为0.15~0.30m,一般采用20cm。（5）实验全部结束，应重新检验和值。（6）若要估算原位的水平固结系数，可进行扁胀消散实验，从卸除推力开始，记录压力C随时间t的变化，记录时间可按1，2，4，8，15，30，...min安排。直至C压力的消散超过50%为止。AB2pAzCpm2hC五、扁胀实验的资料整理•1、根据A，B，C压力及△A，△B计算P0，P1和P2，并绘制P0，P1，P2与深度的变化曲线。•2、绘制ED，ID，KD和UD与深度的变化曲线。五、扁胀实验的应用1、划分土类1980年，Marchetti就提出依据扁胀指数来划分土类，如表1.表1据扁胀指数划分土类ID0.10.350.60.91.21.83.3泥炭及灵敏性黏土黏土粉质黏土黏质粉土粉土砂质粉土粉质砂土砂土DIDI在1981年，Marchetti和Crapps将表1绘制成图3，用来划分土层。2、静止侧压力系数K0•扁胀探头压入土中，对周围土体产生挤压，故并不能由扁胀实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K0与水平应力指数KD的关系式。•（1）Marchetti(1980)根据意大利黏土的实验经验，得出•（2）Lunne等（1990）补充资料后，提出对于新近沉积黏土:对于老黏土:（cu/v0＞0.8）（3）Lacasse和Lunne（1998）根据挪威试验资料，提出(KD＜4）式中，m为系数，对高塑性黏土，m=0.44;对低塑性黏土，m=0.64。54.0068.0DKKmDKK35.003、应力历史（1）Marchetti(1990)建议，对于胶结的黏性土（ID≤1.2），可用KD评定土的超固结比(OCR):（2）Lunne(1988)提出：对新进沉积黏土（cu/'v0≤0.8）：对老黏土：56.15.0DKOCR17.13.0DKOCR17.17.2DKOCR4、不排水抗剪强度cu（1）Marchetti(1980)提出：（2）Roque等（1988）提出：式中h0——原位水平力，由h0=K0·v0+u0得，K0可由扁胀实验测定；Nc——经验系数，取5~9，对于硬黏性土，Nc=5；对于中等黏性土，Nc=7；对于非灵敏可塑性黏土，Nc=9。25.10)5.0(22.0'/DvuKcNcpchu015、土的变形参数•Marchetti(1980)提出压缩模量Es与ED关系如下：Es=RM·ED式中，RM为与水平应力指数KD有关的函数。当ID≤0.6时RM=0.14+2.36lgKD当ID≥3.0时RM=0.5+2lgKD当0.6＜ID＜3.0时RM=RM0+(2.5-RM0)lgKDRM0=0.14+0.15(ID-0.6)当Ib＞10时RM=0.32+2.18lgKD一般RM≥0.85弹性模量E（初始切线模量Ei，50%极限应力时的割线模量E50,25%极限应力时的割线模量E25）E=F·ED式中，F为经验系数，见下表经验系数F注：F与ID有关，F=0.36ID-1.6土类EF提出者黏性土砂土砂土NC砂土OC砂土重超固结黏土黏性土EiEiE25E25E25EiEi10210.853.51.4（0.4~1.1）Robertson等（1988）Robertson等（1988）Campanella等（1985）Baldi等（1986）Baldi等（1986）Davidson等（1983）Lutenegger（1988）6、水平固结系数Ch根据扁胀实验C压力的读数，绘制C√t曲线，由曲线确定相应C消散50%的时间t50，则式中，T50为孔压消散50%的时间因数，如下表用扁胀实验的结果由式确定的Ch，由于扁胀探头压入土体相当于再加荷（初始阶段），要确定现场的水平固体素数（Ch）F还须作修正：（Ch）F=Ch/a式中，a为修正系数，见下表a值（Sohmertmann,1988）E/cu100200300400T501.11.52.02.7土的固结历史正常固结正常超固结低超固结重超固结a7531min)/)((60025050mmtTCh7、侧向受荷桩的设计Robertson等（1989）对侧向受荷桩做了如下假设：桩为一弹性梁（梁的弹性模量为E，截面惯性矩为I）；土的抗力由均匀分布的非弹性模量模拟。式中——桩每单位长度土的侧向抗力（kPa）；——桩每单位长度土的极限侧向抗力（kPa）；——相应于P=0.5Pu桩单元体的极限水平变位（mm);——桩单元体的水平变位（mm)。（1）对黏性土（不排水条件）式中——由扁胀实验确定的不排水抗剪强度（kPa）；——桩径（cm）；——扁胀模量（MPa）DcucEFDcy5.067.23ucDDE33.0)(5.0cuyyPPyyPPcu，为初始切线模量，。式中，为无因次极限抗力系数。式中——深度（m）；——深度处的垂直有效应力（kPa）；经验系数J（Matlock,1970）——经验系数，见右表。（2）对砂性土式中，为内摩擦角；，近似取2。Robertson等建议取下两式中的低值：式中——朗金主动土压系数；——朗金被动土压系数；——静止侧压力系数；DicEEFiE10DiEEDcNPuPUPN9)('30DxJcNuVPx0'vxJ土类J值软黏性土硬黏性土0.50.25DFEysDvoc)'sin1(''sin17.4'DiSEEFuPaPPvuPaPvuKKKKDPxKKKDP'tan'tan2'tan'tan'203002'450。—KKKPa)'sin1()1()sin1'sin1(0KKKKaPa