扁铲侧胀仪试验及其应用

扁铲侧胀仪试验及其应用

扁铲侧胀试验（简称DMT ）是意大利学者Marchettis.于七十年代发明的一种原位测试技术，可作为一种特殊的旁压试验，是用静力（有时也用锤击动力）把一扁铲探头贯入到土中某一预订深度，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验，量测不同侧胀位移时的侧向压力，可用于土层划分与定名、不排水剪切强度、判定土的液化、静止土压力系数、压缩模量、固结系数等的原位测定。其优点是试验操作简捷，重复性好，可靠性高且较经济。目前已在国外被广泛用于浅基工程，桩基工程，边坡工程等。

扁铲侧胀试验最适宜在软弱、松散土中进行。一般适用于软土、一般粘性土、粉土、黄土和松散～中密的砂土。不适用于含碎石的土、风化岩等。因此，扁铲侧胀试验对土体而言具有较强的实用性。 1.测试仪器

扁铲侧胀仪是由1 只扁铲形插板(图1) 、1 个控制箱(图2) 、气电管路、压力源、贯入设备、探杆等组成。扁铲形探头长230～240 mm 、宽94～96 mm 、厚14～16 mm ；探头前刃角12～16°，探头侧面钢膜片的直径60 mm ，膜片厚约0.2mm ，通过穿在杆内的一根柔性气-电管路和地面上的控制箱相连接。探头采用静力触探设备或液压钻机压入土中。

图1.扁铲形插板 图2.侧胀仪控制箱面板图

2.资料整理

读数A ，B ， C 经过仪器的率定数值修正，可转为p 0 ， p 1 ， p 2 。

)B z B (05.0)A z A (05.1p m m 0∆---∆+-= B z B p m 1∆--= A z C p m 2∆+-=

其中p 0 为初始侧压力； p 1 为1. 1 mm 位移时膨胀侧压力； p 2 为终止压力(回复初始状态侧压力) 。

由p 0 ， p 1 ， p 2

可获得如下4 个DMT 指数： 土类指数 I D = ( p 1 - p 0 ) /( p 0 - u 0 )

水平应力指数 K D = ( p 0 - u 0 )/ 0V

σ'

侧胀模量E D = 34. 7 ( p1 - p0 )

孔隙压力指数U D = ( p2 - u0 ) /( p0 - u0 )

σ'为有效上复土压力。

式中u0 为静水压力；

V

3.成果应用

由试验得到的4个DMT参数，可用来判别土的特性，并且可以用这些参数来建立起经验公式，而这些经验公式在我们进行岩土工程设计时发挥着重要的作用。下面就介绍一下扁铲侧胀试验在岩土工程中的应用。

3.1 土类的划分

土类的划分在岩土工程中发挥着重要的作用，在扁铲侧胀试验中，可以利用I D参数来对土类进行划分，因为I D可以反映出土体的软硬状态及强度大小。不同土类的物理力学性质是不同的，在一般情况下，粘性土的强度小于粉土的强度，而粉土的强度又小于砂土的强度。早在1980年，Marchetti就提出依据扁胀指数I D来划分土类，如表1.

在1981年，Marchetti和Crapps将表1绘制成图3，用来划分土层。

图3 土类的划分

用土性参数I D来划分土类，必须考虑地区和沉积环境等影响，因此各地要用I D来划分土层，必须建立各自的经验公式。由于上海软土地层比较发育，给扁铲侧胀试验提供了前提条件，上海一些学者通过扁铲侧胀试验，提过了上海地区主要土层的I D范围。具体介绍如下。

朱火根，施亚霖利用收集上海地区157 个扁铲试验孔近17 600 份数据的实测资料，对不同土类的I D值范围进行统计，分析和归纳出粘土、粉土和粉砂的I D值范围，为利用I D 值划分土类提供了依据。这些统计结果表明，不同土性软土的I D值具有各自的取值范围及一定的兼容性，通过粘性土、粉性土、砂性土

三个大类统计获得的土性(材料) 指数I D 值正态分布曲线（图4）发现：粉性土和砂性土的正态分布曲线较为扁平，即粉性土和砂性土的I D较为离散，同时粉性土和相邻的粘性土和砂性土的兼容性非常大。说明了土性(材料) 指数I D指标参数可以作为划分土性的指标之一，但详细准确地划分土性尚应结合土试和静探等其他勘察手段综合确定。

图4土的大类统计表综合图文献还提出了造成离散性的原因是：（1）上海浅部地层均属第四系滨海相沉积，夹层、互层的水平、交错层理相对比较发育，土体为非均质体；(2)上海地区浅部粉土和粉砂，由于成因和时代不同，其密实度存在较大差异；(3)静止孔隙水压力的影响。文献提出了上海各土性I D值得分布规律，如表2

唐世栋也提出了I D划分上海地区土类的范围，正常固结粘土的I D值范围为[0.1，0.6]，保证率88%；粉砂的I D值范围为[2.6，3.6]，保证率84%。若以粘土和粉砂之间的区间[0.6，2.6]来界定粉土的I D值范围时，保证率为61%。但统计发现，若根据钻孔和静探资料划分的粉土层，其I D值在[0.0，4.0]都有。

由上可以发现，用I D划分上海土类时，由于上海地层属于滨海相沉积，所以造成了上海地区粉土层较薄、夹层、不均匀有关，从而导致I D在划分土类时的离散性。

3.2 液化判别

传统的液化判别方法有标准贯入试验和静力触探试验，它们都有一定的缺点。

比如标准贯入试验中的N 和区分土性的粘粒含量并不同步，击数受试验点下面土层的土性、取试样的误差等影响较大，试样的粘粒含量并不真正与标贯击数N 相匹配，因此准确率受一定影响，而静力触探试验的缺点首先在于无法定量区分土性，需要借助土工试验的颗分试验来确定试验段的土性和粘粒含量，易造成判别误差和失误。其次，锥尖阻力q c 与状态参数( sp) (控制砂样剪切时体积的增减变化) 的关系并不是唯一的，q c 与sp 的关系很大程度上取决于应力水平。

扁铲作为一种新的原位测试，由于K D 与土的相对密实度D r 、静止土压力系数K 0、应力历史、沉积年代、胶结等有关，而这些因素也影响砂土的液化势，所以K D 可以来评定砂土的液化势。同时也克服一些传统方法的缺点。

美国伯克利地震工程研究中心( ERRC) 的Seed 和Idriss (1971) 提出了液化判别的简化方法( simplifiedprocedure) ，是目前普遍接受的方法之一，并一直在 不断改进和完善。

Seed 和Idriss (1971) 提出按式下式来 计算等效循环应力比(Cyclic Stress Ratio ，简记为CSR) ：

CSR = av τ/0V

σ' 其中av τ为地震作用平均水平剪应力，kPa ；0V

σ'为有效上覆压力，kPa 。 由于水平应力指数K D 对过去的应力、应变历史的反应十分敏感，Marchetti

(2005) 提出了用水平应力指数( K D

) 来计算CRR 的方法，从而来判别土是否液化

32

0.1070.07410.21690.1206D D D CRR K K K =-+-

当饱和砂土的抗液化强度大于等效循环应力比时，即CRR > CSR 时，不液化，

反之则液化。判别曲线（按7.5度烈度计算）见图

5

图5 CRR( CSR) - K D 曲线

国内陈国明（2003年）选择对上海浅层粉性土场地进行扁铲侧胀试验，应用和发生地震剪应力(按7 度烈度计算) 的关系，结合国内的使用习惯， 提出了考虑粘粒含量的粉土液化判别公式如下：

[0.8.4()0.9(s w

Dcr DO s w s w d d K K O O d d d d α-=--

++-