扁铲侧胀试验在晋中至太原城际铁路勘察中的应用
2017-09-16刘如太武旺芝
刘如太 武旺芝
(中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，山西 太原 030031)
扁铲侧胀试验在晋中至太原城际铁路勘察中的应用
刘如太 武旺芝
(中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，山西 太原 030031)
介绍了扁铲侧胀试验的原理、试验过程、数据分析及试验成果在划分土类、求解侧向基床反力系数和压缩模量中的应用，并与室内土工试验和静力触探试验得到的参数指标进行了对比，为工程的岩土工程分析及地基基础设计提供了土性参数,可为同一地区类似工程提供参考。
扁铲侧胀试验，侧向基床反力系数，压缩模量，土工试验
1 概述
扁铲侧胀试验(简称DMT)是岩土工程勘察中的一种先进水平向的原位测试方法，具有操作简单、快速经济和扰动小等优点，目前已广泛应用到铁路、公路和工民建等工程的岩土工程分析评价中，为地基基础方案的设计提供了可靠的参数。
本文介绍了在晋中至太原城际铁路勘察中的扁铲侧胀试验和成果应用。地基土为冲洪积成因的粉土、粉质粘土和砂土，通过试验获得了各测试点的扁铲侧胀试验数据，通过对试验数据的整理和分析，用于评价土的类型、确定粘性土的塑性状态、计算土的静止侧压力系数和侧向基床反力系数等，为工程的岩土工程分析及地基基础设计提供了较为可靠的土性参数,可以为同一地区的类似地基的原位试验提供参考。
2 扁铲侧胀试验原理
本次扁铲侧胀试验采用的是DMT-W3型扁铲侧胀仪。扁铲侧胀试验[1]是利用静力将接在探杆上的扁铲侧头压至地基土中的试验深度，利用施加气压，使位于扁铲侧头的圆形钢膜向地基土中膨胀，以测得膜片中心到达0.05 mm和1.10 mm时膜片上三个位置(A，B，C)的气压值，利用土体的弹性理论得到膜片在不同位置时的土压力p0,p1和p2，由p0,p1和p2可得到扁铲试验基本参数[2]：侧胀模量ED、材料指数ID、孔隙水压力指数UD和水平应力指数KD。
3 试验过程
3.1 膜片的校正
扁铲膜片在每个孔的试验前后必须进行校正。膜片的校正是为了克服膜片本身的刚度对实验结果的影响[3]，通过校正可以得到膜片的标定值ΔA和ΔB，膜片合格的标定值一般为ΔA=-5 kPa～-25 kPa，ΔB=10 kPa～110 kPa，ΔA和ΔB可用于对A,B,C读数进行修正。膜片在自然状态下处于特定A,B位置间(0.05 mm～1.10 mm)，ΔA是采用率定气压计通过对扁铲探头抽成真空，使膜片从自然位置回缩到距离基座0.05 mm时所需的负压力；ΔB是通过对扁铲探头施加正气压，使膜片从自由位置回到距离基座1.1 mm时所需要的正压力。新膜片的ΔA,ΔB大多不在其许可范围内，需要对膜片进行老化处理[4]，当经老化处理的膜片降至许可范围内，再按膜片校正方式，正确测定ΔA,ΔB数值，直至稳定，扁铲测头方可投入使用。
3.2 试验准备
将气—电管路贯穿在探杆中，一端跟扁铲测头连接，另一端跟测控箱的测头插座连接；估算一下钢瓶气体是否满足该测试需要，检查测控箱、压力源设备是否完好，彼此用气电管路连接；地线接到测控箱的地线插座上，另一端夹到探杆上；检查电路，用手轻按膜片中心，蜂鸣器会响，则电路正常；再用气源气压综合率定膜片，将率定值记录在记录纸上，以便试验时校对。
3.3 DMT测试过程
扁铲探头以2 cm/s的速度压入土中，试验点的间距取50 cm。贯入过程中排气阀始终是打开的，当探头达到预定深度后[3]：关闭排气阀，缓慢打开微调阀，将压力缓慢增加，当蜂鸣器和电流计停止动作瞬间记下A读数气压值；然后不停顿地继续缓慢加压，直到蜂鸣器响，电流计动作时，记下B读数气压值；立即打开排气阀，快速减压到蜂呜器声音停止，以防止膜片继续膨胀损坏膜片；贯入到下一点指定深度，重复下一次实验。试验结束后，应立即提升探杆，取出扁铲测头，并对扁铲探头进行标定，获得试验后的ΔA和ΔB。ΔA和ΔB应在允许范围之内，且实验前后ΔA和ΔB相差不应超过25 kPa，取试验前后的平均值作为修正值。
4 数据整理
4.1 实验数据修正
在数据整理前，首先应保证B-A≥ΔA+ΔB。由A,B,C值经膜片修正系数的修正后可分别得出试验位置处的土压力[5]P0,P1和P2。
P0=1.05(A+ΔA)-0.05(B-ΔB);
P1=B-ΔB;
P2=C+ΔA。
式中：P0——土体水平位移0.05 mm(即A点)时，土体所受的侧压力；
P1——土体水平位移1.10 mm(即B点)时，土体所受的侧压力；
P2——恢复初始状态(即B点)时，土体所受的侧压力。
根据上述参数，可以分别绘制P0，P1，ΔP(即P1-P0)与深度H的变化的完整连续曲线，ΔP—H曲线与静力触探曲线非常一致。
4.2 扁铲试验基本参数
根据P0,P1和P2值可由下式计算出4个试验基本参数。
材料指数：
水平应力指数：
孔隙水压力指数：
扁铲侧胀模量：
ED=34.7(P1-P0)。
其中，u0为试验深度处的静水压力，kPa；δvo为试验深度处的有效上覆土压力，kPa。
5 成果应用
5.1 划分土类
根据试验基本参数，按地区经验用ID可划分土类，意大利人Marchetti提出了依据材料指数ID划分土类的标准为：ID≤0.6时为粘性土；0.6
5.2 求解土层侧向基床反力系数
扁铲侧胀试验代表了土体在小应变情况下似弹性阶段的侧向基床反力系数Kh0，在实际工程中的侧向基床反力系数Kh往往处于弹—塑性阶段或塑性阶段的应力状态。实用时侧向基床反力系数除了与土体本身的性质有关外，还受基础尺寸、基础形状及刚柔性和加荷速率等因素的影响。
目前已有多种利用扁铲侧胀试验求解侧向基床反力系数的关系式，综合考虑到经上各种影响因素的是如下的关系式[6]：Kh=λ1λ2λ3Kh0，其中，Kh0为侧向基床反力系数试验值，Kh0=3Δp/2s(0);s(0)为DMT中膜片中心点的位移量，为1.10 mm；Δp为相应的土压力增量；λ1为宽度修正系数，与基础实际直径或宽度和土性有关；λ2为形状及刚柔度修正系数；λ3为加荷速率修正系数，与试验土层的性质有关。
虽然通过扁铲侧胀试验计算侧向基床反力系数Kh的影响因素较多，但扁铲侧胀试验值Kh0与实际的Kh存在总体上呈正比例关系，可以用一个总的修正系数λ对试验值进行修正，Kh=λKh0。修正系数λ综合对比各类数据，建议在晋中地区粉土层λ取0.05～0.07，粉质粘土层λ取0.02～0.04，细砂层λ取0.06～0.09，这与其他地区的建议值有较大的差异，这是由于各地土体沉积时的环境、气候和物质的差异造成的土性不尽相同引起的。
5.3 求土的压缩模量
由扁铲侧胀试验可以求得土体的侧胀模量ED，考虑到竖向压缩模量Es与侧胀模量的关系，Marchetti提出应用扁铲侧胀模量计算压缩模量的经验公式，即Es=RmED，Rm是ID和KD的函数，一般情况下Rm≥0.85。本次测试由该公式得出的压缩模量比土工试验结果值偏大，详见表1。但该成果更真实地反映了土体的原始受力状态，可以作为本地区地基基础设计的依据。
表1 扁铲侧胀试验压缩模量与土工试验成果比较
6 结语
1)由扁铲侧胀试验结果统计得出：晋中地区粉质粘土和砂土的ID与Marchetti标准相比，比较吻合，而粉土的ID值相差较大，这是由于各地区的土性不完全相同，在晋中地区可以应用扁铲侧胀试验的ID值进行土类划分。
2)侧向基床反力系数除了与土体本身的性质有关外，还受基础尺寸、基础形状及刚柔性和加荷速率等因素的影响。建议晋中地区粉土层λ取0.05～0.07，粉质粘土层λ取0.02～0.04，细砂层λ取0.06～0.09，这与其他地区的建议值有较大的差异，这是由于各地土体沉积时的环境、气候和物质的差异造成的土性不尽相同引起的。
3)由扁铲侧胀试验结果及经验公式得出的压缩模量比土工试验结果值偏大，但扁铲侧胀试验更真实地反映了土体的原始受力状态，由此得出的压缩模量可以作为本地区地基基础设计的依据。
[1] 缪永华,沈华骏.扁铲侧胀试验求解侧向基床反力系数的应用[J].山西建筑,2009,35(24):125-126.
[2] 赵中华.扁铲侧胀试验技术的应用研究[J].土工基础,2014,28(1):104-105.
[3] 实习指导书0124092.doc-max[OB/L].互联网文档资源(http://m.book118.com/html/2015/0613/18947501.shtm),2016.
[4] 土体原位测试指导书.互联网文档资源(http://www.docin.com/p-474536532.html),2012.
[5] 余洽栋,王想勤.扁铲侧胀试验和其他原位测试试验的对比研究[J].科协论坛(下半月),2007(2):97-98.
[6] 唐世栋,林华国.用扁铲侧胀试验求解侧向基床反力系数[J].岩土工程学报,2003,25(6):692-693.
OnapplicationofflatdilatometertestinJinzhong-Taiyuaninter-cityrailwaysurvey
LiuRutaiWuWangzhi
(ShanxiBranchofChinaBuildingMaterialsIndustryGeologicExplorationCenter,Taiyuan030031,China)
The paper introduces the principle, test process, data analysis and test results for the flat dilatometer test in the classification for the soil types, the solution to lateral machine’s reaction coefficient and compression modulus, and compares it with the parameter indexes of the indoor civil tests and static sounding test, so as to provide some soil parameter for the geotechnical engineering analysis and foundation design, and provide some reference for similar projects of the same area.
flat dilatometer test, lateral machine’s reaction coefficient, compression modulus, civil test
1009-6825(2017)23-0063-02
2017-06-02
刘如太(1969- )，男，高级工程师
TU413
：A
