扁鏟側(cè)脹試驗及其貫入擾動研究綜述

徐慧萍 江山市政府投資項目評審中心

1 前言

扁鏟側(cè)脹試驗（DilatometerTest，簡稱DMT）原名馬氏松脹儀試驗（The Flate Dilatometer Test，簡稱DMT）最早在北美和歐洲使用，它已在我國越來越多的單位使用扁鏟側(cè)脹試驗進(jìn)行巖土應(yīng)用。平脹試驗是用靜力或錘擊力將扁鏟探頭插入土壤中。到達(dá)試驗深度后，平鏟側(cè)面的圓鋼膜片被氣壓向外膨脹，取得了一些土壓力與變形關(guān)系的旁壓試驗。為平面膨脹試驗提供了一些有益的結(jié)論和參數(shù)，可用于地基處理、樁基工程、基坑工程、等復(fù)雜的接觸巖土工程問題。適用于處理各種砂土、粘性土、和濕性黃土。其操作簡便，可重復(fù)性水平高、經(jīng)濟(jì)、干擾小、土壤參數(shù)多、剖面近似連續(xù)等優(yōu)點。1997年浙江溫嶺南光地質(zhì)廠與國內(nèi)器開始發(fā)聲，并成功研制出dmt-w1型扁鏟側(cè)脹儀。目前，該技術(shù)已列入國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》。

2 試驗儀器和原理

2.1 試驗儀器

扁鏟側(cè)脹儀的基本組成包括：扁鏟側(cè)脹儀探頭、鉆桿、氣電管線、測控箱、輸氣管線、氣壓源，如圖1所示。

圖1 扁鏟試驗儀器組成及布置圖

扁鏟探頭：外形尺寸高160mm，寬94mm，厚14mm，底部20度楔形，高40mm。在鏟頭的中間是一個直徑為60mm、厚度約為0.2mm的圓形隔板。隔板中心距頂部110mm，兩側(cè)47mm。

鉆桿：一般采用靜力觸探鉆桿。

氣-電管路：主要用于保護(hù)平鏟探頭與測控箱之間的氣壓連接和電路。通常用尼龍不銹鋼絲包裹，兩端安裝特殊的金屬接頭。

測控箱：主要包括壓力測量儀表、壓力源接口、接地、進(jìn)氣門、排氣門、檢流計、蜂鳴器等。當(dāng)測控箱內(nèi)部電路接通時，電路形成回路，使測控箱上的蜂鳴器響起，這是控制膜片的唯一信號，根據(jù)信號讀數(shù)，確定了不同位移隔膜的地基反力。

輸氣線：連接氣壓源和測控箱，使得氣壓儀表能夠正確讀出不同時刻的土體對于膜片的反力值。

氣壓源：通常使用的是氮氣瓶。

2.2 工作原理

平鏟內(nèi)部有一個控制電路。當(dāng)電路接通時，電流計讀數(shù)，蜂鳴器鳴響，從而給出膜片不同位移的信號。絕緣塑料底座與感應(yīng)板及下方的鋼體連接，起到控制電路開關(guān)的作用。感應(yīng)盤仍固定在絕緣底座中。平鏟探頭進(jìn)入土壤時，膜片靠近感應(yīng)盤，處于零位。電路接通，蜂鳴器鳴響。在氣壓的作用下，內(nèi)膜在內(nèi)外土壓力達(dá)到平衡后才發(fā)生移動，隨著氣壓的不斷輸入，膜片開始膨脹，逐漸脫離傳感盤，但仍與傳感器相連。當(dāng)膜片脫離傳感器時，到達(dá)位置A，當(dāng)膜片脫離感應(yīng)器的瞬時（到達(dá)0.05mm），這時電路斷開，則電路斷開，蜂鳴器停止。直到膜片膨脹接觸不銹鋼柱和感應(yīng)板（到達(dá)位置B，膜片距離基座1.10mm時的氣壓值），使其緩慢降壓直至蜂鳴器停后再次響起。此時，壓力可以降低。當(dāng)蜂鳴器停止時，膜片將返回位置B，當(dāng)蜂鳴器再次鳴響時，膜片側(cè)與傳感器接觸到位置C（與A位置相同的點）。扁鏟側(cè)脹試驗就是測讀A、B、C位置時候的土體反力大小，將其換算成不同的指標(biāo)來反映原位土的性質(zhì)。

3 扁鏟側(cè)脹試驗的優(yōu)點及缺點

扁鏟側(cè)脹試驗和其他原位測試試驗的對比研究，扁鏟側(cè)脹試驗具有以下優(yōu)點。①重復(fù)性好、經(jīng)濟(jì)、速度快，每1min～2min可完成一個測點；②每20cm可進(jìn)行一次試驗，得到土壤性質(zhì)隨深度的變化曲線；③試驗有兩個參數(shù)，可以準(zhǔn)確預(yù)測土體的第二個參數(shù)，同時還可以簡單反映土體應(yīng)力歷史對土體強(qiáng)度的影響；④試驗對水平應(yīng)力具有較高的敏感性，可用于沉降分析和地基處理效果檢驗；⑤平探頭能減輕對孔壁土體的擾動，基本維持了土體的地應(yīng)力狀態(tài)；⑥試驗所需的能源和材料很少，容易獲得且不會對環(huán)境造成污染；⑦試驗結(jié)果簡單明了，便于工程應(yīng)用；⑧設(shè)備可攜帶，進(jìn)出現(xiàn)場方便，可使用多種穿透設(shè)備；⑨在實際工程中，橫隔梁的小變形與土體的彈性變形相吻合；⑩扁鏟側(cè)脹試驗適用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黃土等，不適用于含碎石的土。

然而，扁鏟側(cè)脹試驗也有以下缺點。①由于扁鏟探頭的復(fù)雜性，目前還沒有一個理想的數(shù)學(xué)模型，可以從理論上推導(dǎo)出各土壤參數(shù)的計算公式。每個參數(shù)主要依賴于局部工程數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計，因此每個公式的應(yīng)用都有很大的區(qū)域局限性，采用不同的計算方法會有不同的結(jié)果。②探頭膜片面積小，試驗限制在小變形的彈性范圍內(nèi)。③扁平探針對敏感黏土和膠結(jié)砂也有干擾作用。④含塊狀石塊和中粗砂的土體，平鏟隔膜易損壞。⑤試驗前，氣電管道應(yīng)穿過鉆桿。如果要加深測試深度，會帶來不便。

4 扁鏟側(cè)脹試驗研究現(xiàn)狀

4.1 提供設(shè)計所需的土巖工程技術(shù)參數(shù)

扁鏟側(cè)脹試驗?zāi)芤淮潍@得多個設(shè)計參數(shù)，可與室內(nèi)土工試驗參數(shù)得到的地基承載力特征值，總結(jié)側(cè)脹模量和靜力觸探試驗或以及十字板剪切試驗之間的相關(guān)性，從而提供多種土壤參數(shù)。1975年～1980年，馬爾切蒂在意大利40多個有代表性的地區(qū)進(jìn)行了一系列具有代表性的研究進(jìn)展與成果，通過扁鏟側(cè)脹試驗，得到了靜側(cè)壓力系數(shù)K0、不排水抗剪強(qiáng)度Cu、超固結(jié)比OCR、側(cè)壓模量m（國內(nèi)稱es）等土性參數(shù)的經(jīng)驗公式。

4.2 巖土工程中的應(yīng)用

①土壤分類和土壤容重的測定。1983年，Davidson和boghrat提出用剛性扁鏟側(cè)脹儀指數(shù)ID和1min超孔隙水壓力消散百分率（可通過壓力C消散試驗獲得）對土進(jìn)行分類。

②砂土液化問題。Reyna研究了扁鏟側(cè)脹試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與砂土相對密實度的關(guān)系，提出了用KD判別砂土液化的方法。Reyna方法介于其他兩種方法之間。Marchetti建議用雷諾方法來判斷砂土的液化。

③測試地基處理效果。大量工程實踐表明，扁鏟側(cè)脹試驗對地基處理的檢測效果比靜態(tài)試驗更為明顯。

④確定超固結(jié)粘性土中滑動面的位置。1997年，Totani提出了通過對KD剖面的分析來確定滑動面位置的方法：在超固結(jié)粘性土中，KD一般大于2。因此，如果KD在超固結(jié)粘性土中小于2，則這是土壤的滑動面。

⑤水平荷載下樁的設(shè)計。1989年，Robertson等人提出了黏土和砂土中水平荷載與水平位移曲線P-y曲線設(shè)計方法；1991年，Marchetti將該方法改進(jìn)為Pu=tanh（ESI，Y/Pu）。Pu為壓板試驗極限承載力；ESI是初始切線模量。

5 扁鏟側(cè)脹試驗侵徹過程的有限元數(shù)值分析

5.1 貫入機(jī)理研究現(xiàn)狀

與其他原位試驗相比，扁鏟側(cè)脹試驗在貫入機(jī)理上具有最大的優(yōu)勢。目前常用的侵徹機(jī)理理論有承載力理論分析、空洞擴(kuò)展理論分析和應(yīng)變路徑法。

承載力理論（BearingCapacityTheories）是將土體視為剛塑性材料，該理論認(rèn)為貫入阻力是由于錐頭貫入而引起的探針下方土體的整體剪切破壞，它是由土體在滑動面上的抗剪強(qiáng)度提供的，在分析時要假設(shè)一系列的滑動面進(jìn)行試算，算出每個試算滑動面的穩(wěn)定系數(shù)。

空穴擴(kuò)張法（CavitiesExpansionMethods）是從均勻壓力作用下具有圓柱形或球形空腔的無限均質(zhì)各向同性彈性體的彈性理論出發(fā)導(dǎo)出的。

應(yīng)變路徑法（straintpath methods）是由baligh領(lǐng)導(dǎo)的研究小組經(jīng)過十多年的研究于1985年正式提出的。Baligh假設(shè)，由于深穿透過程中嚴(yán)格的運(yùn)動限制，探針周圍土壤的變形和應(yīng)變幾乎不受土壤剪切特性的影響。因此，巴利說，這種問題是由應(yīng)變控制的，后來的理論和實驗也證實了這一假設(shè)。其誤差在預(yù)期的合理范圍內(nèi)，然后，利用估算的應(yīng)變關(guān)系，利用符合實際情況的本構(gòu)模型，在滿足平衡條件下，計算出近似的應(yīng)力和孔隙壓力。

5.2 給定側(cè)向貫入位移的分析

在實際工程中側(cè)壁摩擦力很難確定，為了避開設(shè)定側(cè)壁摩擦力，給定側(cè)向位移貫入模擬中擬設(shè)兩個假定。在假定條件下不用再輸入側(cè)面摩阻力約束，而改之以應(yīng)變控制的方法。通過對某些點位移條件的改變，可以獲得土體在此情況下的應(yīng)力應(yīng)變變化以及變形情況，從而進(jìn)行貫入過程的模擬和分析。

以土中一定深度的區(qū)域為分析對象，通過建模計算，得到平鏟貫入前后土壤的應(yīng)力應(yīng)變的過程具有相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系。ANSYS計算出土中各點達(dá)極限平衡時的應(yīng)力及滑動方向，求得基底極限承載力。

通過貫入過程結(jié)果分析，貫入后，平鏟鏟尖附近土體應(yīng)力很大，部分地區(qū)已超過土體承載力極限。在離擾動面不遠(yuǎn)的表面上，擾動前后剪應(yīng)力與剪切位移曲線上未出現(xiàn)明顯突變段，水平側(cè)向應(yīng)力明顯增大，并引起一定位移。平鏟頭對稍遠(yuǎn)土層的擾動主要是水平向上應(yīng)力增大，較深的土層中傳遞并相應(yīng)減少。

6 結(jié)束語

扁鏟側(cè)脹試驗可同時獲得多個巖土參數(shù)等優(yōu)點，采用扁探頭時，對土體的擾動較小，能較好地保持原狀土。但在實際應(yīng)用中，有必要根據(jù)本區(qū)不同地層的工程特點選擇合適的計算參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上選擇適合本地區(qū)的公式，以促進(jìn)扁鏟側(cè)脹試驗技術(shù)的應(yīng)用。