天津地区扁铲侧胀试验应用研究

司鹏飞(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)Study and Application of Flat Dilatometer Test in TianjinSI Pengfei

天津地区扁铲侧胀试验应用研究

司鹏飞(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)Study and Application of Flat Dilatometer Test in TianjinSI Pengfei

摘要在对扁铲侧胀试验工作原理、标定方法、现场试验及数据处理作简要介绍的基础上，结合天津地区某工程实例，对扁铲侧胀试验的部分成果进行分析，将扁铲侧胀试验与室内试验、静力触探试验的试验成果进行对比。

关键词扁铲侧胀试验静力触探试验土类指数静止侧压力系数

扁铲侧胀仪[1]由意大利学者Marchetti在20世纪70年代末期发明，是一种适用于软土、一般黏性土、粉土，松散—中密砂土的原位测试方法[2]。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[3]，在北美及欧洲已经列入一些相关规范中。

在国内，随着扁铲侧胀试验(DMT)的推广，该试验已经被列入《岩土工程勘察规范》和《铁路工程地质原位测试规程》，其在岩土工程中的应用主要有划分土层，判别土类，确定土的重度，确定静止侧压力系数，测定水平基床系数，计算黏性土不排水抗剪强度，确定土的变形参数，确定砂土有效内摩擦角，地基液化判别等[4]。

根据相关研究[5-7]，扁铲侧胀试验指标受土性影响较大。由于各地土体沉积时的环境气候和物质组成等的不同，各个地区的土层性质存在较大差异。因此，在使用扁铲侧胀试验指标时，还需要结合地区经验。

1试验设备方法及资料整理

1.1　试验设备

扁铲侧胀试验设备组成：扁铲探头，控制箱，气-电管线，压力源，贯入设备和探杆等。扁铲探头是一个长约23 cm，宽约9.5 cm，厚1.5 cm，底部为楔形的测头，扁铲探头的一面装有一片可膨胀(直径为6.0 cm)圆形钢质膜片，通过穿在探杆中的管路与地面操作箱连接，可以利用液压钻机或静力触探设备将扁铲探头压入土中。

1.2　工作原理

扁铲探头内部通过电路连通时，检流计会显示读数，这时蜂鸣器也会响起。扁铲探头膜片与感应盘之间有根细小的圆柱体，圆柱体的作用是指示膜片与感应盘之间的位移，分别是0.05 mm(A位置)与1.10 mm(B位置)，加压过程之中，当膜片与感应盘之间的位移达到这两个位置时，探头内部电路会接通，蜂鸣器响起，记录A值和B值。减压过程中，膜片回到0.05 mm，蜂鸣器再次响起，记录C值。将A、B、C值整理换算成相应指标，即可反映土体的相关性质[3]。

1.3　试验率定

实验前和试验后，应先对扁铲探头进行率定。气压克服膜片刚度并使膜片中心在空气中膨胀0.05 mm所需的气压称为ΔA。气压克服膜片刚度并使膜片中心在空气中膨胀1.10 mm所需的气压称为ΔB。膜片合格的率定值一般为ΔA=5～25 kPa，ΔB=10～110 kPa，如果率定值超过合格率定值，则需要更换膜片再进行试验。对比试验前和试验后的ΔA和ΔB，两者读数必须接近，取两者的算术平均值作为率定值；否则，认为试验过程中存在较大误差，试验数据无效。

1.4　现场试验

试验时，使用贯入装置将扁铲探头压入土中预定的深度，通过增加气压使膜片膨胀，分别记录膜片向外膨胀至0.05 mm、1.10 mm 和回复到位移0.05 mm 时的压力A、B、C值。需要注意的是，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[8]。

1.5　资料整理

试验测得的A、B、C值，经过修正和换算，得到实际压力值，分别为：初始压力p0(扁铲膜片中心位移至0.05 mm时的压力)，p1(扁铲膜片中心移至1.10 mm时的压力)，终止压力p2(扁铲膜片中心回到0.05 mm时的压力)，有如下关系

(1)

式中，Zm为通气时压力表零位读数(采用传感器量测的数显仪表，不考虑Zm值的影响，因仪表本身有调零装置[9])。

由Marchetti教授的理论[1]可知，扁铲侧胀试验中，膜片向外扩张的过程，将膜片四周土体假设为无限弹性介质，均匀荷载施加在膜片上。扁铲侧胀试验的土类指数、水平应力指数、侧胀模量、孔压模量可分别由p0、p1、p2计算。

土类指数

(2)

水平应力指数

(3)

侧胀模量

(4)

孔压模量

(5)

2地层概况

依托工程项目为天津市某地铁工程。试验场地地层中，扁铲侧胀试验涉及的地层主要为第四系全新统人工填土层(人工堆积)、第Ⅰ陆相层(第四系全新统上组河床—河漫滩相沉积)、第Ⅰ海相层(第四系全新统中组浅海相沉积)、第Ⅱ陆相层(第四系全新统下组河床—河漫滩相沉积)。

受扁铲侧胀试验测试深度限制，列出的仅为扁铲侧胀试验涉及的地层，埋深20 m左右。另外，由于人工堆积层的成分较杂，离散较大，故不作统计分析。表1是试验场地地层主要物理力学指标。

3静止侧压力系数K0

静止侧压力系数K0(在不允许有侧向变形的情况下，土样受到轴向压力增量将会引起侧向压力相应增量的比值[10])在基坑工程中有重要作用，是计算基坑支护结构上土压力分布和可靠度分析的关键参数。

《铁路工程地质原位测试规程》中，对于KD为1.5～4.0的一般饱和黏性土，静止侧压力系数K0可按下式计算[8]

(6)

本工程共完成21个扁铲侧胀试验孔，用式(6)计算K0，并利用该工程中钻孔取样所做的室内土工K0试验作为对比，结果如表2。

从表2中可以看出，扁铲侧胀试验所得K0普遍高于室内试验值，对比不同地层，在细节上又有不同。

4土类指数ID

土类指数ID是一个反映土体软硬状态及强度大小的参数，不同土类的物理力学性质一般是不同的。一般情况下，粉土的强度大于黏性土的强度，而砂土的强度又大粉土强度，《铁路工程地质原位测试规程》中就列出了常见土类的ID，见表3。

扁铲侧胀试验可以有效避免土体的拱效应，对土体的挤压和扰动较小，获得的参数较为稳定，更能反映真实的土体性质。

4.1　深度曲线研究

为了直观研究扁铲侧胀试验，对在工程中搜集的扁铲侧胀试验和静力触探试验数据进行了统计和分析。收集了天津某地铁工程中的21个扁铲侧胀孔、1 591个点的试验数据，图1～图3为其中10XJ-ML15孔、10XJ-MW05和10XJ-WC12孔扁铲侧胀试验与静力触探试验对比试验孔的综合对比曲线，经对比分析，发现扁铲侧胀试验中的ID曲线与静力触探qc曲线具有较好的对应性，在反映土体强度特性和变化位置都具有高度的一致性。

4.2　ID与qc关系分析

由图1～图3可知，土类指数ID和端阻qc之间有某种对应关系，并且这种关系很有可能是线性或比例关系。对土类指数ID和端阻qc进行对比分析：为了更直观的揭示两者对应关系，现将所有ID和qc试验点数据通过散点图的形式表现出来，图4包含了天津某地铁工程中21个扁铲侧胀试验兼静力触探孔1 591组土层的ID和qc数据，根据这些数据点计算出一条趋势线，并得出其关系式。

由图4可见，所有数据点都在均匀分布在趋势线两侧，表明这条趋势线很大程度上能够反映出土层土类指数ID和端阻qc之间的对应关系，而在实际工作中，这种简单的对应关系也很容易被加以利用。

可以得出扁铲侧胀试验土类指数ID和静力触探试验端阻qc有如下的关系式

ID=0.550 3qc+0.137 7

将离散性考虑在内，可将上式表达如下

ID=(0.5~0.6)qc+0.137 7

5结束语

对比扁铲侧胀试验和室内试验取得的静止侧压力系数，可看出土的灵敏度对静止侧压力系数值有较大影响，灵敏度越高的土，扁铲侧胀试验取得数据与室内试验取得数值差别越大。

讨论了扁铲侧胀试验和静力触探试验之间在反映土体性质方面的关系，这两种试验可以相互验证，提高试验的可信度。另外，在扁铲侧胀试验不易到达的土层中，可以用静力触探参数推导扁铲侧胀试验参数。

当然，受制于扁铲试验深度的影响，目前试验结果主要集中在20 m以上的黏土、粉质黏土、松散—稍密粉土、砂土地层，正是由于难以穿过中密以上粉土、砂土层，导致扁铲侧胀试验较深土层试验资料严重匮乏，使得中密—密实粉土、砂土中扁铲试验数据与静力触探数据的对比分析不足，无法取得更加客观准确的分析结果。随着贯入设备和扁铲探头的进步，扁铲侧胀试验所能达到的土层深度越大，试验的土类也越多，试验数据更加丰富，也就能够找到更准确的ID和qc关系。

参考文献

[1]Marchetti S. In-situ tests by flat dilatometer. Journal of the Geotechnical Engineering Divisio. ASCE， 1980，106

[2]GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S]

[3]茹杉杉.扁铲侧胀试验在天津某工程勘察中的运用[J].铁道勘察，2011(5)

[4]樊向阳，莫群欢，张继红，等.扁铲侧胀试验计算地基承载力[J].工程地质学报，2005，13(1)

[5]Marchetti S. The flat dilatometer test (DMT) in soil investigations[A]. In: IN-SITU 2001， International Conference on In-situ Measurement of Soil Properties[C]. Bali Indonesia: [s.n.], 2001

[6]陈国民.扁铲侧胀试验及其应用[J].岩土工程学报，1999,21(2)

[7]陈国民.扁铲侧胀试验及其在岩土工程中应用[J].岩土工程师，2001,13(2)

[8]TB10018—2003铁路工程地质原位测试规程[S]

[9]李雄威，蒋刚，朱定华，等.扁铲侧胀原位测试的应用与探讨[J].岩石力学与工程学报，2004，23(12)

[10]常士骠，张苏民.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2007

中图分类号：TU413

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)06-0053-04

作者简介：司鹏飞(1986—)，男，2013年毕业于同济大学地质工程专业，硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-11-18