扁鏟探頭貫入干砂的位移特征試驗(yàn)研究

陳忠清，吳天宇，高彥斌，呂 越，劉 帥

（1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000）

意大利學(xué)者Silvano Marchetti于20世紀(jì)70年代末發(fā)明了扁鏟側(cè)脹儀（The flat dilatometer），主要由扁鏟探頭、測控箱、氣電管路等組成[1]。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（The flat dilatometer test，簡稱DMT）即是一種利用貫入設(shè)備將扁鏟探頭壓入土中，然后通過氣壓源向探頭內(nèi)加壓，以獲取探頭膜片膨脹到指定位移時的壓力值（即p0、p1及p2值）。DMT具有操作便捷、可重復(fù)性強(qiáng)、且能獲得多個土性參數(shù)（如靜止側(cè)壓力系數(shù)K0、超固結(jié)比OCR、壓縮模量M、內(nèi)摩擦角φ及不排水抗剪強(qiáng)度Cu等）的特點(diǎn)。目前扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)已在70多個國家得到工程應(yīng)用，并被作為一種標(biāo)準(zhǔn)的原位測試技術(shù)列入美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)（ASTMD 6635—15）[2]、歐洲規(guī)范Eurocode（EN 1997—2:2007）[3]、ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO 22 476—11:2017（E））[4]和中國的《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）[5]。

盡管DMT在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，但是多年來DMT的研究主要集中在試驗(yàn)設(shè)備及測試方法改進(jìn)[6-9]、工程應(yīng)用研究[10-12]，而關(guān)于扁鏟探頭貫入過程的研究進(jìn)展緩慢，相關(guān)報道尚不多見。很明顯，DMT的測試過程是在貫入過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而貫入過程產(chǎn)生的土體位移、應(yīng)力等必將一定程度上影響測試結(jié)果，尤其是直接影響p0值。因此有必要對扁鏟探頭的貫入機(jī)理及貫入過程可能引起的土體擾動范圍展開研究。Baligh等[13]比較了不同錐角的楔形貫入器引起的黏土變形，得到尖角楔形貫入（sharp wedge penetration）引起土體變形小于鈍角楔形貫入（blunt wedge penetration）。Huang[14]利用數(shù)值手段，進(jìn)行了任意三維貫入器的應(yīng)變路徑分析，得到圓錐探頭（cone）和扁鏟探頭（dilatometer）貫入引起的應(yīng)變場明顯不同，且前者大于后者。Beno?t等[15]利用改裝的扁鏟側(cè)脹儀（instrumented dilatometer）開展了軟黏土的原位扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，得到扁鏟探頭貫入過程產(chǎn)生明顯的超孔壓，但小于孔壓靜力觸探試驗(yàn)圓錐探頭貫入產(chǎn)生的超孔壓。以上研究均表明，雖然扁鏟探頭的尖角（一般為20°）明顯小于圓錐探頭的錐角（一般為60°），但其貫入過程仍對土體造成一定的擾動效應(yīng)。Finno[16]采用應(yīng)變路徑法（Strain Path Method）對扁鏟探頭貫入飽和黏性土進(jìn)行了理論分析，得到扁鏟探頭貫入引起的擾動范圍（以探頭周圍土體的破壞區(qū)域failure zone來反映）為距離探頭膜片中心100～110mm，距離探頭的側(cè)面70mm，稍小于標(biāo)準(zhǔn)圓錐探頭貫入引起的擾動范圍（距離圓錐探頭116mm[17]）。羅松[18]采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬，將扁鏟探頭的貫入過程簡化為施加一個位移邊界條件（位移大小為探頭厚度的一半），得到飽和土體的貫入擾動范圍為距離探頭350mm左右。

可以看到，現(xiàn)有的研究主要采用理論解析及數(shù)值模擬手段進(jìn)行了有價值的探索，但扁鏟探頭貫入土體過程中產(chǎn)生的位移、應(yīng)力分布特征及其影響因素（比如土體類型、應(yīng)力歷史和初始密實(shí)狀態(tài)等）仍不清楚，以及不同條件下貫入過程引起的土體擾動范圍也尚未形成明確、統(tǒng)一的認(rèn)識。本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，開展扁鏟探頭貫入不同初始密實(shí)狀態(tài)下均質(zhì)干砂的試驗(yàn)研究，主要探討探頭貫入過程中產(chǎn)生的位移特征，為進(jìn)一步認(rèn)識扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中探頭的貫入機(jī)理，以及探頭貫入過程的擾動影響提供參考。

1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

采用廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（干砂）作為模型試驗(yàn)材料，顆粒級配曲線如圖1所示。顆粒粒徑為0.08～2mm；最大干密度為1.88 g/cm3，最小干密度為1.69 g/cm3，最小孔隙比為0.41，最大孔隙比為0.57，比重為2.66。

1.2 儀器設(shè)備

（1）扁鏟探頭

采用南光地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的扁鏟探頭，可分為連接部、側(cè)脹部及楔形部，如圖2所示。探頭全長為240mm，寬為96mm，厚14mm，楔形部夾角為26°，側(cè)脹部膜片直徑60mm。探頭連接部頂端與鉆桿連接頭相連，直徑為38mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級配曲線Fig.1 Particle size curve of the standard sand

圖2 扁鏟側(cè)脹探頭Fig.2 Blade of flat dilatometer:（a）front of blade and（b）side of blade

（2）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,簡稱PIV）系統(tǒng)由硬件和軟件組成，其中硬件主要包括德國HSVISION型高速相機(jī)、無頻閃照明燈及電腦（圖3），軟件采用北京立方科技Micro Vec3圖像控制系統(tǒng)。

（3）小型靜力觸探儀

采用單橋探頭，探頭錐底直徑為2.52 cm，錐頭截面積為5 cm2，錐角為60°，測試范圍0～30 MPa（圖4）。

（4）模型箱及制樣裝置

模型箱內(nèi)部長寬高尺寸為500mm×500mm×500mm，其中一側(cè)為10mm厚的鋼化玻璃。制樣箱的尺寸為495mm×495mm×50mm，底部按照梅花形開設(shè)圓孔，直徑為5mm，中心距8mm（圖5）。

圖3 模型試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Picture of the model test

圖4 小型靜力觸探儀的探頭Fig.4 Probe of small-scale static cone penetrometer

圖5 模型箱及制樣裝置Fig.5 Test box and sample preparation device

2 試驗(yàn)方案及過程

2.1 試驗(yàn)方案

制備不同初始密實(shí)狀態(tài)的均質(zhì)干砂試樣，開展扁鏟探頭貫入砂土的模型試驗(yàn)，并結(jié)合PIV技術(shù)進(jìn)行圖像分析，探討扁鏟探頭貫入過程中砂土顆粒的位移特征，以及貫入引起的土體擾動范圍。試驗(yàn)分組及相關(guān)參數(shù)如表1所示，3組試驗(yàn)均進(jìn)行了平行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)分組及相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test groups and related test parameters

2.2 試驗(yàn)過程

（1）砂土試樣制備

采用“分層低位落雨+平板壓實(shí)法”制備干砂試樣。分層制樣步驟包括：①裝樣。將按初始密度要求計算出的每層砂土質(zhì)量均勻裝入制樣箱中，刮平表面；②低位落雨。將模型箱四周同時慢速提起，并逐漸提升，使砂土沿著制樣箱底面的篩孔均勻下落；③平板壓實(shí)。當(dāng)土樣超出分層設(shè)計高度時，利用與模型箱等內(nèi)框的平板進(jìn)行均勻壓實(shí)處理，直至達(dá)到規(guī)定高度。

對3種不同初始密實(shí)度要求的砂土試樣分別進(jìn)行平行制樣，并利用小型靜力觸探儀在試樣中心位置開展靜力觸探試驗(yàn)（CPT），以檢測制樣效果，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，3種初始密實(shí)狀態(tài)下，2次平行試驗(yàn)的CPT測試結(jié)果基本一致，比貫入阻力均隨深度增加而逐漸增大，且密實(shí)度越大時比貫入阻力也越大?？梢姡疚牟捎玫母缮霸嚇又苽浞椒ň哂休^好的重復(fù)性，可以保證平行試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

（2）探頭貫入及圖像采集

利用小型CPT貫入設(shè)備，通過靜壓方式將扁鏟探頭沿模型箱中部并緊貼玻璃視窗內(nèi)側(cè)垂直貫入試樣，貫入速率為20mm/s。圖像采集與探頭貫入過程同步，采集速率設(shè)置為40幅/s，圖像分辨率為1 088×1 008。

圖6 比貫入阻力隨深度的變化曲線Fig.6 Variation of specific penetration resistance with depth

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 貫入松砂的位移分布特征

利用Micro Vec3軟件對扁鏟探頭貫入前后的圖像進(jìn)行PIV計算，得到探頭貫入松砂時的土體位移向量分布，進(jìn)一步利用Tecplot軟件對PIV計算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到水平向位移和豎向位移分布云圖（圖7）。從圖7（a）可以看出，探頭連接部兩側(cè)的土體位移量最大，方向?yàn)槎感毕蛏?。探頭側(cè)脹部兩側(cè)的土體位移呈對稱分布，位移量相對較小，方向基本上為緩斜向上，其中膜片以下部分土體發(fā)生向緩斜向下方位移。探頭楔形部兩側(cè)及以下的土體位移量最小，方向?yàn)榫徯毕蛳拢倚ㄐ尾恳韵碌奈灰葡蛄枯^不明顯。

從圖7（b）可以看出，貫入松砂時的水平位移主要分布在探頭側(cè)脹部兩側(cè)區(qū)域，近似對稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側(cè)壁為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部兩側(cè)土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過3mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為20mm。由圖7（c）可得，貫入松砂時的豎向位移主要分布在探頭連接部兩側(cè)，方向向上，位移量5～8mm。探頭側(cè)脹部兩側(cè)分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，其中膜片對應(yīng)區(qū)域的土體豎向位移量僅為1～3mm。探頭楔形部兩側(cè)的豎向位移向下，最大位移量不到3mm，以2mm為界的分布寬度范圍不超過25mm，楔形部以下的土體豎向位移均小于2mm。

圖7 探頭貫入松砂的位移向量（a）和水平位移（b）、豎向位移（c）云圖分布Fig.7（a）displacement vector distribution and cloud graph of(b) horizontal displacement,(c) vertical displacement after blade insertion into loose sand

3.2 貫入中密砂的位移分布特征

扁鏟探頭貫入中密砂時的土體位移向量分布、水平向位移和豎向位移分布云圖如圖8所示。從圖8（a）可以看出，探頭貫入中密砂時的土體位移向量分布特征與貫入松砂時接近，但探頭楔形部以下的位移向量相對較明顯。

圖8 探頭貫入中密砂的位移向量（a）水平位移（b）和豎向位移（c）分布云圖Fig.8(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating medium dense sand

從圖8（b）可以看出，水平位移主要分布在探頭側(cè)脹部兩側(cè)區(qū)域，近似對稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側(cè)壁亦為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部兩側(cè)土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過4mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為30mm。由圖8（c）可得，豎向位移也主要在探頭連接部兩側(cè)分布，方向向上，位移量5～10mm。探頭側(cè)脹部兩側(cè)分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土體豎向位移量僅為1～3mm。探頭楔形部兩側(cè)的豎向位移向下，最大位移量不到3mm，楔形部以下20mm深度范圍的土體豎向位移僅為2～3mm，且寬度范圍不超過60mm。

3.3 貫入密砂的位移分布特征

扁鏟探頭貫入密砂時的土體位移向量分布、水平向位移和豎向位移分布云圖圖9所示。從圖9（a）可以看出，探頭貫入密砂時的土體位移向量分布特征與貫入松砂及中密砂時接近，但探頭楔形部以下的位移向量最為明顯。

圖9 探頭貫入密砂的位移向量（a）水平位移（b）和豎向位移（c）分布云圖Fig.9(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating dense sand

從圖9（b）可以看出，水平位移主要分布在探頭側(cè)脹部兩側(cè)區(qū)域，近似對稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側(cè)壁亦為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部兩側(cè)土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過3mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為25mm。由圖9（c）可得，豎向位移也主要在探頭連接部兩側(cè)分布，方向向上，位移量5～8mm。探頭側(cè)脹部兩側(cè)分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土體豎向位移量僅為1～3mm。探頭楔形部兩側(cè)的豎向位移向下，最大位移量達(dá)4mm，楔形部以下25mm深度范圍的土體豎向位移為2～4mm，且寬度范圍近90mm。

3.4 分析與討論

顯然，扁鏟探頭貫入不同初始密實(shí)狀態(tài)砂土?xí)r的位移分布特征與探頭三部分（即連接部、側(cè)脹部、楔形部）的幾何外形不同直接相關(guān)，且探頭楔形部和側(cè)脹部引起的土體位移將直接影響DMT測試結(jié)果，因此也是本文分析的重點(diǎn)?？傮w上，隨著扁鏟探頭沿深度逐漸貫入干砂，探頭楔形部周圍土體先產(chǎn)生緩斜向下的位移，主要分布在兩側(cè)，且水平位移的分布范圍明顯大于豎向位移的分布范圍，而正下方產(chǎn)生的豎向位移量很小。然后，探頭側(cè)脹部兩側(cè)土體產(chǎn)生以水平向?yàn)橹鞯奈灰?，基本呈對稱分布，并近似以長軸平行于探頭側(cè)面的半橢圓形向外擴(kuò)散，同時探頭側(cè)面較窄范圍的土體產(chǎn)生較明顯的斜向下位移。探頭連接部貫入時，兩側(cè)明顯產(chǎn)生向砂土表面的斜向上位移，并以豎向位移為主?？梢姡炄脒^程先表現(xiàn)為楔形部對土體的向下和向斜側(cè)面擠壓作用，然后表現(xiàn)為側(cè)脹部對土體明顯的水平向擠壓作用，且探頭側(cè)面與土體存在向下摩擦產(chǎn)生的剪切作用，這與CPT錐形探頭貫入砂土的離散元數(shù)值模擬結(jié)果[19?20]相似，但不同的是，由于DMT探頭的尖角（26°）明顯小于CPT探頭的錐角（60°），貫入過程引起的土體最大位移未在側(cè)脹部與楔形部的交界處，而主要分布在膜片附近。另外可得，扁鏟探頭連接部未表現(xiàn)出對膜片附近的土體產(chǎn)生擠壓作用。

當(dāng)砂土的初始密實(shí)度增大時，扁鏟探頭周圍的土體位移分布特征相似，楔形部周圍土體的位移分布范圍明顯擴(kuò)大，而探頭側(cè)脹部周圍土體的位移分布范圍基本保持不變。文獻(xiàn)[21]～[22]的模型試驗(yàn)結(jié)果指出CPT錐形探頭貫入不同密實(shí)狀態(tài)的砂土?xí)r，錐頭正下方及側(cè)向的位移場影響范圍隨密實(shí)度增大而擴(kuò)大，且向兩側(cè)顯著擴(kuò)大?？梢?，扁鏟探頭貫入干砂的位移場分布特征及范圍受土體初始密實(shí)狀態(tài)的影響相對較小。如果分別以2mm和4mm作為干砂受到扁鏟探頭貫入擾動的影響邊界，則擾動影響范圍分別為距離探頭膜片150～160mm和70～80mm。

4 結(jié)論

（1）扁鏟探頭貫入干砂過程產(chǎn)生的土體位移分布特征與探頭的幾何外形直接相關(guān)，其中探頭楔形部和膜片所在的側(cè)脹部貫入產(chǎn)生的擠壓作用是引起土體變形擾動的主要原因。

（2）扁鏟探頭楔形部的貫入過程表現(xiàn)為向下和向斜側(cè)面擠壓土體，但豎向位移量很小，產(chǎn)生向兩側(cè)擴(kuò)展為主的扁狀位移場，而側(cè)脹部的貫入過程主要表現(xiàn)為向兩側(cè)面水平向擠壓土體，產(chǎn)生分布范圍明顯更大的半橢圓狀水平位移場，同時探頭側(cè)面表現(xiàn)為一定的剪切作用而產(chǎn)生較窄范圍的豎向位移場。

（3）扁鏟探頭貫入干砂產(chǎn)生的位移場受砂土初始密實(shí)狀態(tài)的影響較小，主要表現(xiàn)為探頭楔形部周圍的位移場分布范圍隨密實(shí)度增大而擴(kuò)大。