扁铲探头贯入干砂的位移特征试验研究

2021-05-25陈忠清吴天宇高彦斌

水文地质工程地质 2021年3期

陈忠清，吴天宇，高彦斌，吕越，刘帅

（1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000；2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江绍兴 312000）

意大利学者Silvano Marchetti于20世纪70年代末发明了扁铲侧胀仪（The flat dilatometer），主要由扁铲探头、测控箱、气电管路等组成[1]。扁铲侧胀试验（The flat dilatometer test，简称DMT）即是一种利用贯入设备将扁铲探头压入土中，然后通过气压源向探头内加压，以获取探头膜片膨胀到指定位移时的压力值（即p0、p1及p2值）。DMT具有操作便捷、可重复性强、且能获得多个土性参数（如静止侧压力系数K0、超固结比OCR、压缩模量M、内摩擦角φ及不排水抗剪强度Cu等）的特点。目前扁铲侧胀试验已在70多个国家得到工程应用，并被作为一种标准的原位测试技术列入美国材料与试验协会（ASTM）标准（ASTMD 6635—15）[2]、欧洲规范Eurocode（EN 1997—2:2007）[3]、ISO标准（ISO 22 476—11:2017（E））[4]和中国的《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）[5]。

尽管DMT在国内外应用广泛，但是多年来DMT的研究主要集中在试验设备及测试方法改进[6-9]、工程应用研究[10-12]，而关于扁铲探头贯入过程的研究进展缓慢，相关报道尚不多见。很明显，DMT的测试过程是在贯入过程的基础上进行，而贯入过程产生的土体位移、应力等必将一定程度上影响测试结果，尤其是直接影响p0值。因此有必要对扁铲探头的贯入机理及贯入过程可能引起的土体扰动范围展开研究。Baligh等[13]比较了不同锥角的楔形贯入器引起的黏土变形，得到尖角楔形贯入（sharp wedge penetration）引起土体变形小于钝角楔形贯入（blunt wedge penetration）。Huang[14]利用数值手段，进行了任意三维贯入器的应变路径分析，得到圆锥探头（cone）和扁铲探头（dilatometer）贯入引起的应变场明显不同，且前者大于后者。Benoît等[15]利用改装的扁铲侧胀仪（instrumented dilatometer）开展了软黏土的原位扁铲侧胀试验，得到扁铲探头贯入过程产生明显的超孔压，但小于孔压静力触探试验圆锥探头贯入产生的超孔压。以上研究均表明，虽然扁铲探头的尖角（一般为20°）明显小于圆锥探头的锥角（一般为60°），但其贯入过程仍对土体造成一定的扰动效应。Finno[16]采用应变路径法（Strain Path Method）对扁铲探头贯入饱和黏性土进行了理论分析，得到扁铲探头贯入引起的扰动范围（以探头周围土体的破坏区域failure zone来反映）为距离探头膜片中心100～110mm，距离探头的侧面70mm，稍小于标准圆锥探头贯入引起的扰动范围（距离圆锥探头116mm[17]）。罗松[18]采用ANSYS软件进行有限元模拟，将扁铲探头的贯入过程简化为施加一个位移边界条件（位移大小为探头厚度的一半），得到饱和土体的贯入扰动范围为距离探头350mm左右。

可以看到，现有的研究主要采用理论解析及数值模拟手段进行了有价值的探索，但扁铲探头贯入土体过程中产生的位移、应力分布特征及其影响因素（比如土体类型、应力历史和初始密实状态等）仍不清楚，以及不同条件下贯入过程引起的土体扰动范围也尚未形成明确、统一的认识。本文基于室内模型试验，开展扁铲探头贯入不同初始密实状态下均质干砂的试验研究，主要探讨探头贯入过程中产生的位移特征，为进一步认识扁铲侧胀试验中探头的贯入机理，以及探头贯入过程的扰动影响提供参考。

1 试验材料及仪器设备

1.1 试验材料

采用厦门ISO标准砂（干砂）作为模型试验材料，颗粒级配曲线如图1所示。颗粒粒径为0.08～2mm；最大干密度为1.88 g/cm3，最小干密度为1.69 g/cm3，最小孔隙比为0.41，最大孔隙比为0.57，比重为2.66。

1.2 仪器设备

（1）扁铲探头

采用南光地质仪器有限公司生产的扁铲探头，可分为连接部、侧胀部及楔形部，如图2所示。探头全长为240mm，宽为96mm，厚14mm，楔形部夹角为26°，侧胀部膜片直径60mm。探头连接部顶端与钻杆连接头相连，直径为38mm。

图1 标准砂颗粒级配曲线Fig.1 Particle size curve of the standard sand

图2 扁铲侧胀探头Fig.2 Blade of flat dilatometer:（a）front of blade and（b）side of blade

（2）粒子图像测速（PIV）系统

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,简称PIV）系统由硬件和软件组成，其中硬件主要包括德国HSVISION型高速相机、无频闪照明灯及电脑（图3），软件采用北京立方科技Micro Vec3图像控制系统。

（3）小型静力触探仪

采用单桥探头，探头锥底直径为2.52 cm，锥头截面积为5 cm2，锥角为60°，测试范围0～30 MPa（图4）。

（4）模型箱及制样装置

模型箱内部长宽高尺寸为500mm×500mm×500mm，其中一侧为10mm厚的钢化玻璃。制样箱的尺寸为495mm×495mm×50mm，底部按照梅花形开设圆孔，直径为5mm，中心距8mm（图5）。

图3 模型试验照片Fig.3 Picture of the model test

图4 小型静力触探仪的探头Fig.4 Probe of small-scale static cone penetrometer

图5 模型箱及制样装置Fig.5 Test box and sample preparation device

2 试验方案及过程

2.1 试验方案

制备不同初始密实状态的均质干砂试样，开展扁铲探头贯入砂土的模型试验，并结合PIV技术进行图像分析，探讨扁铲探头贯入过程中砂土颗粒的位移特征，以及贯入引起的土体扰动范围。试验分组及相关参数如表1所示，3组试验均进行了平行试验。

表1 试验分组及相关试验参数Table 1 Test groups and related test parameters

2.2 试验过程

（1）砂土试样制备

采用“分层低位落雨+平板压实法”制备干砂试样。分层制样步骤包括：①装样。将按初始密度要求计算出的每层砂土质量均匀装入制样箱中，刮平表面；②低位落雨。将模型箱四周同时慢速提起，并逐渐提升，使砂土沿着制样箱底面的筛孔均匀下落；③平板压实。当土样超出分层设计高度时，利用与模型箱等内框的平板进行均匀压实处理，直至达到规定高度。

对3种不同初始密实度要求的砂土试样分别进行平行制样，并利用小型静力触探仪在试样中心位置开展静力触探试验（CPT），以检测制样效果，结果如图6所示。从图6可以看出，3种初始密实状态下，2次平行试验的CPT测试结果基本一致，比贯入阻力均随深度增加而逐渐增大，且密实度越大时比贯入阻力也越大。可见，本文采用的干砂试样制备方法具有较好的重复性，可以保证平行试验结果的可靠性。

（2）探头贯入及图像采集

利用小型CPT贯入设备，通过静压方式将扁铲探头沿模型箱中部并紧贴玻璃视窗内侧垂直贯入试样，贯入速率为20mm/s。图像采集与探头贯入过程同步，采集速率设置为40幅/s，图像分辨率为1 088×1 008。

图6 比贯入阻力随深度的变化曲线Fig.6 Variation of specific penetration resistance with depth

3 试验结果与分析

3.1 贯入松砂的位移分布特征

利用Micro Vec3软件对扁铲探头贯入前后的图像进行PIV计算，得到探头贯入松砂时的土体位移向量分布，进一步利用Tecplot软件对PIV计算结果进行后处理，得到水平向位移和竖向位移分布云图（图7）。从图7（a）可以看出，探头连接部两侧的土体位移量最大，方向为陡斜向上。探头侧胀部两侧的土体位移呈对称分布，位移量相对较小，方向基本上为缓斜向上，其中膜片以下部分土体发生向缓斜向下方位移。探头楔形部两侧及以下的土体位移量最小，方向为缓斜向下，且楔形部以下的位移向量较不明显。

从图7（b）可以看出，贯入松砂时的水平位移主要分布在探头侧胀部两侧区域，近似对称分布，以2mm为界的位移分布范围距探头侧壁为150～160mm，以4mm为界则为70～80mm。探头楔形部两侧土体的水平位移较小，不超过5mm，楔形部以下土体水平位移不超过3mm，以2mm为界的位移分布范围垂直距探头底端为20mm。由图7（c）可得，贯入松砂时的竖向位移主要分布在探头连接部两侧，方向向上，位移量5～8mm。探头侧胀部两侧分布的竖向位移以方向向上为主，最大位移量不到5mm，其中膜片对应区域的土体竖向位移量仅为1～3mm。探头楔形部两侧的竖向位移向下，最大位移量不到3mm，以2mm为界的分布宽度范围不超过25mm，楔形部以下的土体竖向位移均小于2mm。

图7 探头贯入松砂的位移向量（a）和水平位移（b）、竖向位移（c）云图分布Fig.7（a）displacement vector distribution and cloud graph of(b) horizontal displacement,(c) vertical displacement after blade insertion into loose sand

3.2 贯入中密砂的位移分布特征

扁铲探头贯入中密砂时的土体位移向量分布、水平向位移和竖向位移分布云图如图8所示。从图8（a）可以看出，探头贯入中密砂时的土体位移向量分布特征与贯入松砂时接近，但探头楔形部以下的位移向量相对较明显。

图8 探头贯入中密砂的位移向量（a）水平位移（b）和竖向位移（c）分布云图Fig.8(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating medium dense sand

从图8（b）可以看出，水平位移主要分布在探头侧胀部两侧区域，近似对称分布，以2mm为界的位移分布范围距探头侧壁亦为150～160mm，以4mm为界则为70～80mm。探头楔形部两侧土体的水平位移较小，不超过5mm，楔形部以下土体水平位移不超过4mm，以2mm为界的位移分布范围垂直距探头底端为30mm。由图8（c）可得，竖向位移也主要在探头连接部两侧分布，方向向上，位移量5～10mm。探头侧胀部两侧分布的竖向位移以方向向上为主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土体竖向位移量仅为1～3mm。探头楔形部两侧的竖向位移向下，最大位移量不到3mm，楔形部以下20mm深度范围的土体竖向位移仅为2～3mm，且宽度范围不超过60mm。

3.3 贯入密砂的位移分布特征

扁铲探头贯入密砂时的土体位移向量分布、水平向位移和竖向位移分布云图图9所示。从图9（a）可以看出，探头贯入密砂时的土体位移向量分布特征与贯入松砂及中密砂时接近，但探头楔形部以下的位移向量最为明显。

图9 探头贯入密砂的位移向量（a）水平位移（b）和竖向位移（c）分布云图Fig.9(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating dense sand

从图9（b）可以看出，水平位移主要分布在探头侧胀部两侧区域，近似对称分布，以2mm为界的位移分布范围距探头侧壁亦为150～160mm，以4mm为界则为70～80mm。探头楔形部两侧土体的水平位移较小，不超过5mm，楔形部以下土体水平位移不超过3mm，以2mm为界的位移分布范围垂直距探头底端为25mm。由图9（c）可得，竖向位移也主要在探头连接部两侧分布，方向向上，位移量5～8mm。探头侧胀部两侧分布的竖向位移以方向向上为主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土体竖向位移量仅为1～3mm。探头楔形部两侧的竖向位移向下，最大位移量达4mm，楔形部以下25mm深度范围的土体竖向位移为2～4mm，且宽度范围近90mm。

3.4 分析与讨论

显然，扁铲探头贯入不同初始密实状态砂土时的位移分布特征与探头三部分（即连接部、侧胀部、楔形部）的几何外形不同直接相关，且探头楔形部和侧胀部引起的土体位移将直接影响DMT测试结果，因此也是本文分析的重点。总体上，随着扁铲探头沿深度逐渐贯入干砂，探头楔形部周围土体先产生缓斜向下的位移，主要分布在两侧，且水平位移的分布范围明显大于竖向位移的分布范围，而正下方产生的竖向位移量很小。然后，探头侧胀部两侧土体产生以水平向为主的位移，基本呈对称分布，并近似以长轴平行于探头侧面的半椭圆形向外扩散，同时探头侧面较窄范围的土体产生较明显的斜向下位移。探头连接部贯入时，两侧明显产生向砂土表面的斜向上位移，并以竖向位移为主。可见，贯入过程先表现为楔形部对土体的向下和向斜侧面挤压作用，然后表现为侧胀部对土体明显的水平向挤压作用，且探头侧面与土体存在向下摩擦产生的剪切作用，这与CPT锥形探头贯入砂土的离散元数值模拟结果[19−20]相似，但不同的是，由于DMT探头的尖角（26°）明显小于CPT探头的锥角（60°），贯入过程引起的土体最大位移未在侧胀部与楔形部的交界处，而主要分布在膜片附近。另外可得，扁铲探头连接部未表现出对膜片附近的土体产生挤压作用。

当砂土的初始密实度增大时，扁铲探头周围的土体位移分布特征相似，楔形部周围土体的位移分布范围明显扩大，而探头侧胀部周围土体的位移分布范围基本保持不变。文献[21]～[22]的模型试验结果指出CPT锥形探头贯入不同密实状态的砂土时，锥头正下方及侧向的位移场影响范围随密实度增大而扩大，且向两侧显著扩大。可见，扁铲探头贯入干砂的位移场分布特征及范围受土体初始密实状态的影响相对较小。如果分别以2mm和4mm作为干砂受到扁铲探头贯入扰动的影响边界，则扰动影响范围分别为距离探头膜片150～160mm和70～80mm。