扁铲侧胀试验及其贯入扰动研究综述

徐慧萍 江山市政府投资项目评审中心

1 前言

扁铲侧胀试验（DilatometerTest，简称DMT）原名马氏松胀仪试验（The Flate Dilatometer Test，简称DMT）最早在北美和欧洲使用，它已在我国越来越多的单位使用扁铲侧胀试验进行岩土应用。平胀试验是用静力或锤击力将扁铲探头插入土壤中。到达试验深度后，平铲侧面的圆钢膜片被气压向外膨胀，取得了一些土压力与变形关系的旁压试验。为平面膨胀试验提供了一些有益的结论和参数，可用于地基处理、桩基工程、基坑工程、等复杂的接触岩土工程问题。适用于处理各种砂土、粘性土、和湿性黄土。其操作简便，可重复性水平高、经济、干扰小、土壤参数多、剖面近似连续等优点。1997年浙江温岭南光地质厂与国内器开始发声，并成功研制出dmt-w1型扁铲侧胀仪。目前，该技术已列入国家标准《岩土工程勘察规范》。

2 试验仪器和原理

2.1 试验仪器

扁铲侧胀仪的基本组成包括：扁铲侧胀仪探头、钻杆、气电管线、测控箱、输气管线、气压源，如图1所示。

图1 扁铲试验仪器组成及布置图

扁铲探头：外形尺寸高160mm，宽94mm，厚14mm，底部20度楔形，高40mm。在铲头的中间是一个直径为60mm、厚度约为0.2mm的圆形隔板。隔板中心距顶部110mm，两侧47mm。

钻杆：一般采用静力触探钻杆。

气-电管路：主要用于保护平铲探头与测控箱之间的气压连接和电路。通常用尼龙不锈钢丝包裹，两端安装特殊的金属接头。

测控箱：主要包括压力测量仪表、压力源接口、接地、进气门、排气门、检流计、蜂鸣器等。当测控箱内部电路接通时，电路形成回路，使测控箱上的蜂鸣器响起，这是控制膜片的唯一信号，根据信号读数，确定了不同位移隔膜的地基反力。

输气线：连接气压源和测控箱，使得气压仪表能够正确读出不同时刻的土体对于膜片的反力值。

气压源：通常使用的是氮气瓶。

2.2 工作原理

平铲内部有一个控制电路。当电路接通时，电流计读数，蜂鸣器鸣响，从而给出膜片不同位移的信号。绝缘塑料底座与感应板及下方的钢体连接，起到控制电路开关的作用。感应盘仍固定在绝缘底座中。平铲探头进入土壤时，膜片靠近感应盘，处于零位。电路接通，蜂鸣器鸣响。在气压的作用下，内膜在内外土压力达到平衡后才发生移动，随着气压的不断输入，膜片开始膨胀，逐渐脱离传感盘，但仍与传感器相连。当膜片脱离传感器时，到达位置A，当膜片脱离感应器的瞬时（到达0.05mm），这时电路断开，则电路断开，蜂鸣器停止。直到膜片膨胀接触不锈钢柱和感应板（到达位置B，膜片距离基座1.10mm时的气压值），使其缓慢降压直至蜂鸣器停后再次响起。此时，压力可以降低。当蜂鸣器停止时，膜片将返回位置B，当蜂鸣器再次鸣响时，膜片侧与传感器接触到位置C（与A位置相同的点）。扁铲侧胀试验就是测读A、B、C位置时候的土体反力大小，将其换算成不同的指标来反映原位土的性质。

3 扁铲侧胀试验的优点及缺点

扁铲侧胀试验和其他原位测试试验的对比研究，扁铲侧胀试验具有以下优点。①重复性好、经济、速度快，每1min～2min可完成一个测点；②每20cm可进行一次试验，得到土壤性质随深度的变化曲线；③试验有两个参数，可以准确预测土体的第二个参数，同时还可以简单反映土体应力历史对土体强度的影响；④试验对水平应力具有较高的敏感性，可用于沉降分析和地基处理效果检验；⑤平探头能减轻对孔壁土体的扰动，基本维持了土体的地应力状态；⑥试验所需的能源和材料很少，容易获得且不会对环境造成污染；⑦试验结果简单明了，便于工程应用；⑧设备可携带，进出现场方便，可使用多种穿透设备；⑨在实际工程中，横隔梁的小变形与土体的弹性变形相吻合；⑩扁铲侧胀试验适用于一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黄土等，不适用于含碎石的土。

然而，扁铲侧胀试验也有以下缺点。①由于扁铲探头的复杂性，目前还没有一个理想的数学模型，可以从理论上推导出各土壤参数的计算公式。每个参数主要依赖于局部工程数据的概率统计，因此每个公式的应用都有很大的区域局限性，采用不同的计算方法会有不同的结果。②探头膜片面积小，试验限制在小变形的弹性范围内。③扁平探针对敏感黏土和胶结砂也有干扰作用。④含块状石块和中粗砂的土体，平铲隔膜易损坏。⑤试验前，气电管道应穿过钻杆。如果要加深测试深度，会带来不便。

4 扁铲侧胀试验研究现状

4.1 提供设计所需的土岩工程技术参数

扁铲侧胀试验能一次获得多个设计参数，可与室内土工试验参数得到的地基承载力特征值，总结侧胀模量和静力触探试验或以及十字板剪切试验之间的相关性，从而提供多种土壤参数。1975年～1980年，马尔切蒂在意大利40多个有代表性的地区进行了一系列具有代表性的研究进展与成果，通过扁铲侧胀试验，得到了静侧压力系数K0、不排水抗剪强度Cu、超固结比OCR、侧压模量m（国内称es）等土性参数的经验公式。

4.2 岩土工程中的应用

①土壤分类和土壤容重的测定。1983年，Davidson和boghrat提出用刚性扁铲侧胀仪指数ID和1min超孔隙水压力消散百分率（可通过压力C消散试验获得）对土进行分类。

②砂土液化问题。Reyna研究了扁铲侧胀试验、标准贯入试验与砂土相对密实度的关系，提出了用KD判别砂土液化的方法。Reyna方法介于其他两种方法之间。Marchetti建议用雷诺方法来判断砂土的液化。

③测试地基处理效果。大量工程实践表明，扁铲侧胀试验对地基处理的检测效果比静态试验更为明显。

④确定超固结粘性土中滑动面的位置。1997年，Totani提出了通过对KD剖面的分析来确定滑动面位置的方法：在超固结粘性土中，KD一般大于2。因此，如果KD在超固结粘性土中小于2，则这是土壤的滑动面。

⑤水平荷载下桩的设计。1989年，Robertson等人提出了黏土和砂土中水平荷载与水平位移曲线P-y曲线设计方法；1991年，Marchetti将该方法改进为Pu=tanh（ESI，Y/Pu）。Pu为压板试验极限承载力；ESI是初始切线模量。

5 扁铲侧胀试验侵彻过程的有限元数值分析

5.1 贯入机理研究现状

与其他原位试验相比，扁铲侧胀试验在贯入机理上具有最大的优势。目前常用的侵彻机理理论有承载力理论分析、空洞扩展理论分析和应变路径法。

承载力理论（BearingCapacityTheories）是将土体视为刚塑性材料，该理论认为贯入阻力是由于锥头贯入而引起的探针下方土体的整体剪切破坏，它是由土体在滑动面上的抗剪强度提供的，在分析时要假设一系列的滑动面进行试算，算出每个试算滑动面的稳定系数。

空穴扩张法（CavitiesExpansionMethods）是从均匀压力作用下具有圆柱形或球形空腔的无限均质各向同性弹性体的弹性理论出发导出的。

应变路径法（straintpath methods）是由baligh领导的研究小组经过十多年的研究于1985年正式提出的。Baligh假设，由于深穿透过程中严格的运动限制，探针周围土壤的变形和应变几乎不受土壤剪切特性的影响。因此，巴利说，这种问题是由应变控制的，后来的理论和实验也证实了这一假设。其误差在预期的合理范围内，然后，利用估算的应变关系，利用符合实际情况的本构模型，在满足平衡条件下，计算出近似的应力和孔隙压力。

5.2 给定侧向贯入位移的分析

在实际工程中侧壁摩擦力很难确定，为了避开设定侧壁摩擦力，给定侧向位移贯入模拟中拟设两个假定。在假定条件下不用再输入侧面摩阻力约束，而改之以应变控制的方法。通过对某些点位移条件的改变，可以获得土体在此情况下的应力应变变化以及变形情况，从而进行贯入过程的模拟和分析。

以土中一定深度的区域为分析对象，通过建模计算，得到平铲贯入前后土壤的应力应变的过程具有相当复杂的关系。ANSYS计算出土中各点达极限平衡时的应力及滑动方向，求得基底极限承载力。

通过贯入过程结果分析，贯入后，平铲铲尖附近土体应力很大，部分地区已超过土体承载力极限。在离扰动面不远的表面上，扰动前后剪应力与剪切位移曲线上未出现明显突变段，水平侧向应力明显增大，并引起一定位移。平铲头对稍远土层的扰动主要是水平向上应力增大，较深的土层中传递并相应减少。

6 结束语

扁铲侧胀试验可同时获得多个岩土参数等优点，采用扁探头时，对土体的扰动较小，能较好地保持原状土。但在实际应用中，有必要根据本区不同地层的工程特点选择合适的计算参数，并在此基础上选择适合本地区的公式，以促进扁铲侧胀试验技术的应用。