扁铲侧胀试验在天津某工程勘察中的运用
2011-06-08茹杉杉
茹杉杉
(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)
扁铲侧胀仪(DMT)是20世纪70年代由意大利学者Marchetti发明的一种原位测试仪器[1]。它是用静力把一铲形探头贯入土中,到达试验深度后,利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行测试。它是一种特殊的旁压试验,是岩土工程勘测中一种先进的原位测试方法。该仪器操作简单、重复性好、人为影响因素小、经济适用,故发展很快。目前,扁铲侧胀试验在国内部分地区已经使用,但由于在成果应用中大多数采用的是国外经验公式,再加上仪器性能的差别,所得的岩土参数往往与实际存在很大的差别。
扁铲试验能反映土体在原位应力条件下的某些物理、力学特性,适用于一般黏性土、粉土、中密以下砂土、黄土等[2],不适用于含碎石的土、风化岩等。可应用于天然地基、桩基工程及边坡工程等复杂的岩土工程中,判定土层名称与状态,确定饱和黏性土的不排水杨氏模量、静止土压力系数、水平基床系数等一系列常规和重要的土工参数。
1 工作原理
扁铲内部控制电路连通时检流计会有读数,同时蜂鸣器也会发出声音,当扁铲探头贯入土中时,膜片紧贴着感应盘,此时为零位置,电路连通,蜂鸣器发出声响。随着气压的输入,膜片开始膨胀,并逐渐脱离感应盘,但依然和感应器相连,此时电路仍旧连通。当膜片脱离感应器的瞬时(到达A位置,相对感应盘位移0.05 mm),这时电路断开,蜂鸣器停止声响。直至膜片膨胀至不锈钢柱体和感应盘接触(到达B位置,相对感应盘位移1.1 mm),蜂鸣器再次响起。此时,可开始减压,当蜂鸣器停止声响的时候表明膜片刚回复至B位置,且正在向A位置位移。当蜂鸣器再次响起,膜片方和感应器接触,到达C位置(与A位置同一点)。扁铲侧胀试验就是测读A、B、C位置时候的土体反力大小,进而将其换算成不同的指标来反映原位土体的性质参数。
2 膜片的校正
在空气中,膜片会轻微地自然向外突出,通常会位于A、B位置之间。由于膜片本身材料的属性,它由自然状态向内、向外的位移都需克服其本身所具有的一定刚度,而这部分需要克服的力在读取不同位置“土压力”时已被包含在A、B读数之中,若需获得反映真实土压力的值,则需对A、B值加以修正。在自然空气中,使膜片向内位移至A位置处,外部所需施加的力定义为ΔA;使膜片向外位移至B位置处,内部所需施加的力定义为ΔB。
ΔA的获取:对扁铲内部抽真空至蜂鸣器响,保持一段时间,然后加压至蜂鸣器停止声响,此时膜片位移A位置处,从仪表盘中即可读出ΔA的值。
ΔB值的获取:当记录完ΔA值的时候,继续加压至蜂鸣器再次响起,此时膜片位于B位置处,此时从仪表盘中读取的读数即为ΔB。
ΔA和ΔB对试验结果的影响最为直接和显著,因此尤为重要,须反复测读以确保读数的准确性。同时,ΔA值和ΔB值的大小能反映膜片是否适用于进一步的试验,规定ΔA值的有效范围为5~25 kPa,ΔB值的有效范围为10~110 kPa,任何超过这个范围的读数都将被视为膜片损坏,须立即更换新膜片方可继续试验。另外,在每次试验前后,试验操作人员都必须测读这两个值。若试验前后读数相差很大,一般认为膜片在试验过程中已经损坏,也即试验数据应作无效处理;若读数接近,通常采用两者的算术平均值。试验过程中应对试验数据A、B进行校核,若B-A<ΔA+ΔB时,应停止贯入,做好检查记录[3]。
3 数据的整理
3.1 P0、P1和P2的换算
试验中所测A、B、C值,仅为对应位置时扁铲内部的气压,须将其换算成实际位置的土压力值。定义P0为扁铲感应盘面处(以下称之为“零位置”)的土压力、P1为B位置处的土压力、P2为膜片回复至A位置时的土压力,则有如下关系
P0=1.05(A-Zm+ΔA)-0.05(B-Zm-ΔB)
(1)
P1=B-Zm-ΔB
(2)
P2=C-Zm+ΔA
(3)
式中,Zm为气压零位读数。
图1和图2为两个P0/P1与深度的关系。
图1 099孔P0P1与深度的关系
图2 105孔P0P1与深度的关系
3.2 中间参数
在换算得P0、P1和P2的基础上,Marchetti等人又定义了四个中间参数,并通过这些中间参数再建立与各土工参数之间的关系。
材料指数ID
ID=(P1-P0)/(P0-uw)
(4)
水平应力指数KD
KD=(P0-uw)/σ′v0
(5)
侧胀模量ED
ED=34.7×(P1-P0)
(6)
孔压指数UD
UD=(P2-uw)/(P0-uw)
(7)
uw——土的静水压力/kPa。
4 主要岩土参数
4.1 土类指数ID
材料指数ID是反映土性的一个重要扁铲侧胀试验参数,可根据其划分地基土层和定名[3](如表1所示)。
表1 几种土层的ID值范围
相比静力触探试验而言,扁铲侧胀试验大大避免了土体的拱效应,与圆柱形的静力触探探头相比,对土体的挤压和扰动均较小,测试所获得的参数较为稳定,更能体现其原位测试的本质。图3和图4为天津某工程099孔与105孔扁铲侧胀试验孔与静力触探试验对比测试孔的综合对比曲线,从中可看出两种试验曲线都能很好地反映岩土体的强度特性、变化位置, 测试结果具有高度的一致性。
图3 099孔扁铲与静力触探划分土层的比较
图4 105孔扁铲与静力触探划分土层的比较
4.2 静止侧压力系数K0
扁铲探头压入土中,对周围的土体产生挤压,因此,不能够直接测定原位初始测向应力,但是可以建立水平应力指数KD与静止侧压力系数K0的关系式。
Marchetti最初于1980年通过软土地区的扁铲试验与其他试验的研究对比,建立了水平应力指数KD与K0之间的关系[4]
K0=(KD/1.5)0.47-0.6 (ID<1.2)
(8)
由Laccssea和Lunne(1988)根据挪威试验资料,提出的计算公式[5]
当KD>4时,m=0.44;KD<4时,取m=0.24。
《铁路工程地质原位测试规程》中认为该式计算结果略为偏大,提出用以下计算较为合适[3]
(9)
在国内,唐世栋等人对上海地区的工程资料进行了研究,运用Mindlin解建立了经验公式[6]
K0=0.2KD
(10)
在天津某工程中进行了扁铲侧胀试验。在其中099孔,105孔附近钻孔取样,做了室内土工K0试验。将扁铲试验数据分别按Marchetti所建立的公式、Lunne所建立的铁路规范中的公式以及用Mindlin解建立的公式进行了计算,所得结果与对应深度土样的土工试验值进行了对比(如图5、图6所示)。
图5 099孔K0计算比较
扁铲试验时每隔20 cm可测取一次结果,算得的K0值在图中为近似连续曲线,可以清楚地反映出土性随深度的变化。在图5、图6中,室内土工试验值比计算值偏小,这与土工实验土样采集、运送、试验取值标准掌握有关。另外,按Lunne公式、Mindlin公式和Marchetti公式计算的值依次增大,且Lunne公式和Mindlin公式在下部地层中变化趋势基本一致(5 m以下)。在105孔,用Lunne公式计算所得的值与室内试验值比较接近,某些深度近似吻合。在0~5 m深度范围内,三种曲线跳跃较大,计算结果差别较大,这是由于在5 m以上主要是全新世晚期沉积的褐黄色、灰黄色粉质黏土,即软土表层的硬壳层,其性质与正常固结土不同,其水平向应力未得以释放,从而导致水平向有效应力与上覆土有效压力的比值要比正常固结土大,有时甚至出现K0大于1的情况。
5 结论
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,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。
每一种公式都有一定的适用范围,实际中应根据不同的条件选取合适的公式计算。
扁铲侧胀试验也存在着许多不足,大多数成果是建立在和其他相关试验统计经验的基础上,导致其成果的应用不具有普遍性,各地区需要根据各自的经验加以调整,以满足工程实际需求。
[1]朱火根,等.扁铲侧胀试验的土性指数ID在上海软土地层中的分布规律研究[J].岩土工程界,2005,8(1)
[2]徐 超,等.扁铲侧胀试验在软土地基评价中的应用研究[J].岩土力学,2005,26(10)
[3]TB10018—2003 铁路工程地质原位测试规程[S]
[4]朱帆济,等.扁铲侧胀试验确定软土静止侧压力系数[J].市政技术,2008,26(2)
[5]张惠忠.扁铲侧胀试验应用经验公式推荐[J].地下工程与隧道,2003(1)
[6]唐世栋,等.扁铲侧胀试验求解初始水平应力和静止侧压力系数[J].岩土工程学报,2006,28(12)