（岩土工程专业论文）扁铲侧用试验dmt的机理分析及其应用.pdf

扁铲侧胀试验( d m t ) 的机理分析及其应用 y3 g 8 59 6 提要 本文通过对扁铲侧胀试验( d m t ) 的工作机理分析，讨论了该测试技术的 适应性及其特点；并根据杭州不同地质单元的现场扁铲侧胀仪( d m t w 1 型) 所完成的试验测试结果，分析和探讨了d m t 测试参数与土的工程性质的关系。 | 论文搬据对扁铲侧胀试验( d m t ) 的工作机理及理论分析研究及前人研究 l 、 的成果，深砖分析了扁铲测头的受力模型以及与常用的圆形探头的受力模型所 存在的差异，从理论上分析了扁铲试验具有对土扰动小、灵敏度高、二参数性 等特点以及存在的不足。 r 其次，介绍了扁铲侧胀仪( d m t ) 的试验方法：( 通过对杭州不同的地质分 一一 、 区及不同的地层单元进行的现场扁铲侧胀试验( d m t ) 测试，应用所实测的 d m t 数据i d 、k d 、e d 换算土的物理力学性质指标；并将其结果与室内土工试 验、c p t 原位测试等结果进行了对比分析研究。 0r 结果表明：扁铲侧胀仪( d m t ) 的试验是一种有效的原位测试技术隆杭 l 州地区d m t 试验表明：其结果与土的物理力学性质指标有较好的相关性，并 具有较高的精度；同时也反映了国外学者推荐的个别经验公式及划分界限上存 在一定的差异性，因此提出了修正和补充意见。、 关键词：原位测试：扁铲试验( d m t z 勘察，岩土工程。7 t h ep r i n c i p l e a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no f t h e f l a td i l a t o m e t e rt e s t a b s t r a c t d e v e l o p e di ni t a l yb y p r o o f s m a r c h e t t i ，t h ef l a r ed i l a t o m e t e rt e s t ( d m t ) h a s b e e ne x t e n s i v e l yu s e da n dc a l i b r a t e di nt h ep a r to fs o i ld e p o s i t s a r o u n dt h ew o r l d s i n c ei t sa p p l i c a t i o n ，t h ed m th a sb e e nu s e da sas i m p l e a n df a s tm e t h o df o re v a l u a t i n gs o i ls t r a t i g r a p h ya n ds o i lp r o p e r t i e s b a s e do nt h e p r i n c i p l ea n a l y s i s o ft h ef l a t ed i l a t o m e t e rt e s t ，t h i s p a p e r d i s o u s s e si t sc h a r a c t e r i s t i c sa n df e a t r u e s t h ed m t i sa t w o p a r a m e t e rt e s t ，w h i l e m o s tc o m m o np e n e t r a t i o nt e s t g i v eo n l y o n e p a r a m e t e r a d d i t i o n ，t h e d m th a s h i g hs e n s i t i v i t y a n do v e r c o m e st h e p r o b l e mo fi n s e n s i t i v i t y o fc i r c u l a rp r o b e s t h ed m th a st h ei n n o v a t i v e f e a t u r e s c o m p a r e dw i t ho t h e rp e n e t r a t i o nt e s t s t h eb e t t e r s u i t a b l eo ft h e d m t ，c o m p a r e dw i t hc o m m o n l y u s e dc o n i e a lt i p s ，t od e t e r m i n ed e f o r m a t i o n p r o p e r t i e si s a l s oe x p e c t a b l e a d d i t i o n ，t h er e s u l t s o fd m ti sc o r r e l a t e dw i t hf a m i l i a rg e o t e c h n i c a l p a r a m e t e r ，d i r e c t l yc o m p a r a b l ew i t ht h er e s u l to fo t h e rl a b o r a t o r yo ri n s i t u r e s u l t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed e t e r m i n e dp a r a m e t e r 如，k v ，e do ft h e d m ti nh a n g z h o uc i t y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l a ea n d t h ed e f i c i e n c ya b o u tt h ed m t s t u d yr e s u l t sp r e s e n tt h a tt h ef l a t ed i l a t o m e t e rt e s t ( d m t ) i s as i m p l e ： f a s ta n dh i g hp r e c i s i o ni n s i t ut e s t i n gt e c h n i q u e k e yw o r d s ：i n s i t u t e s t i n g ，f l a t e d i l a t o m e t e r t e s t ，i n v e s t i g a t i o n ，g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g 堑兰查兰翌丝查 苎二主竺堕 一 一一型旦l ! ：! 旦 1 1 概述 第一章绪论 原位测试技术在岩土工程勘察、地基处理效果评价及构筑物的基础设 计中得到了越来越广泛的应用，并已成为岩土工程勘察中必不可少的手段 之一。这是因为原位测试技术是对现场地基土直接进行测试，避免了对地 基土的扰动，并且，大大减少了取土样的工作量。因此，原位测试技术不 仅测试数据可靠，而且成本低廉。例如，动力触探、静力触探、波速试验、 现场十字板剪切试验、旁压试验等等：这些原位测试技术适用于不同的地 质条件，可测定或换算设计所需的地基土的各项物理力学性质指标及岩土 设计参数。 随着现代科学技术的不断发展，各国的学者正致力于各种原位测试技 术的开发与应用。因此，新的原位测试技术也不断涌现。扁铲侧胀试验 ( d m t ) ( 英文称f l a t d i l a t o m e t e r t e s t ) 就是一种新的原位测试技术；亦称 为扁平板旁压试验或称扁胀试验。这一方法是由意大利a g u i l a 大学教授 m a r c h e t t i 提出的。由于该试验操作简捷、重复性好、可靠性高且较经济， 已被4 0 余个国家广泛应用，并且，被收为美国a s t m 的推荐方法( a s t m g e o t t e s tj o u r n a l ，j u n e ，1 9 8 6 ) 和欧洲标准( e u r o c o d e7 ，1 9 9 4 ) 。 国内于九十年代初期引进该技术，但是，由于进口仪器价格较高，研 究成果少、对比试验数据缺乏等原因，使该测试技术尚未推广应用。一九 九七年浙江温岭南光地质仪器厂与国内数家单位合作，成功研制开发了国 产扁铲侧胀仪，并且通过了有关部门组织的鉴定，为该技术的应用创造了 条件。目前，正在修订中的我国国家标准岩土工程勘察规范拟将这一 测试技术编入。因此，建立该试验方法的标准以及试验成果分析是极为迫 切和具有重要实际意义。本次研究采用了该厂生产的d m 卜w l 型扁铲侧 塑兰叁兰堡笙墨 苎二主竺笙一丝型二! ! 旦 胀仪，以杭州地区第四纪地层为主要研究对象，结合室内土工试验及其他 原位测试成果对扁铲侧胀试验机理、方法及在实际工程中的应用进行分析 和探讨。 1 2国内外的研究现状 意大利a g u l i a 大学土力学教授s m a r c h e t t i 于1 9 7 4 年提出扁铲侧胀试 验亦称d m t 试验；并以弹性力学为基础，建立了d m t 试验的土体应力与 位移的关系及d m t 试验测定参数的计算方法。1 9 8 0 年m a r c h e t t i 教授于通 过对世界各地的有关土样进行了测试和标定，建立了与d m t 试验数据的相 关关系，得到了土的静止侧压力、超固结比和内摩擦角与d m t 试验参数的 关系式，将d m t 试验应用工程实际。1 9 8 0 年在北美和欧洲国际会议上介绍 了这一新的原位测试技术。 之后，欧洲和美国的学者相继开展了扁铲侧胀试验( d m t ) 的研究， 根据试验的受力机理，从理论分析和探讨了扁铲侧胀试验机理：更重要的 是在粘性土和砂土中作了大量的现场测试和对比试验，分析了扁铲侧胀试 验的结果，并对该试验的特点和应用条件进行的探讨。 挪威学者a a s ( 1 9 8 0 ，1 9 8 1 ) 和s u z a m n el a c a s s 、t o mi u n n e ( 1 9 8 5 ) 分别 在6 个场地利用沉降量反算而得到的侧限模量与扁铲侧限模量对比，结果 s = e 厶可a o - v z 图1 - 1 沉降计算模型 塑兰垄量堡主丝查 苎二主竺堡一二竺l ! 二! 旦 是相吻合的；并根据沉积砂土的压密前后的扁铲侧胀试验结果，研究了振 动压密对砂土的强度和变形特性的影响及地基沉降计算( 见图i - 1 ) 。在应 用d m t 试验控制砂土的密实度和预估松砂沉降中，取得了好的效果。他们 通过大量的对比试验，建立了d m t 数据与土的性质相关关系，提出了各自 的经验公式或修正公式建议，丰富了d m t 试验的应用范围，大力推广该技 术的应用，使扁铲侧胀试验方法得到了较大的发展，应用领域也不断扩大。 h u g h e s 和r o b e r t s o n ( 1 9 8 5 ) 从理论上和实验上分析了在砂土中圆形探 头( 静力触探c p t 和标准贯入试验s p t ) 与扁形探头测试结果的差异，表 明了扁形探头具有较高的灵敏性，且对土的扰动小。 该测试方法所得的参数不仅可以换算土的物理力学性质指标，还可以 用以砂土的液化评价、土的滑移面的确定等。s m a r c h e t t i ( 1 9 9 7 ) 应用d m t 试验成果评价土的液化，并提出了液化评价方法。t o t a n ie ta 1 ( 1 9 9 7 ) 利用 d m t 试验硒快速确定土体古滑坡的滑动面和活动滑坡的滑动面的位置。 研究发现当k o = 2 时，判为滑动面位置( 见图1 2 ) 。 正是由于扁铲侧胀试验具有操作简单、实用、重复性好及费用省等优 点，因此，在解决岩土工程的实际问题方面，而受到岩土工程界的关注。 图1 - 2 粘土中滑动面的确定 塑兰查兰塑主垒查 整二主竺堡型翌l ! 二! 旦 但是，由于土的非均匀性和空间变化导致了扁铲侧胀试验结果的离散 性( s u z a m n el a c a s s 、t o mi u n n e ，1 9 8 5 ) ：因此，须通过其它原位试验结果 和室内土工试验结果进一步比较，扁铲侧胀试验所预估的参数的可靠性将 会得到提高。 国内研究与应用起步较晚，9 0 年初我国开始引进这一技术，并在有关 岩土工程的手册均介绍了这一测试技术，但未见理论研究成果报道，而主 要是实际应用及成果介绍：目前仅有部分单位使用。由于缺乏系统的理论 研究及对比试验，因此，使d m t 试验的推广应用受到限制。有关d m t 试 验的适用性及对地区性地基土的物理力学指标与d m t 试验成果数据的相关 关系有待进行深入研究；而部分地区的应用主要采用国外推荐的半经验公 式；目前，我国正在修订中的现行强制性的规范及有关规程准备编入该测 试技术。 1 3 研究的目的与意义 在岩土工程勘察、设计、地基处理等诸多方面，土的性质指标是极为 重要的基础数据，其中土工室内试验是获取土的性质参数的最常用、最主 要的方法之一。然而，由于室内士工试验存在着许多不确定因素及人为因 素，不仅影响了土的工程性质指标的准确性，而且，费工、费时。因此， 原位测试技术在岩土工程中越来越受到极大的重视。此外，由于土的物理 力学性质与土的沉积环境、应力历史和结构类型等都有密切的关系。不同 的地区、不同的沉积环境土的性质具有较大的差异。因此，任何一种成功 的原位测试技术都必须与当地的岩土性质建立相对应的关系。 本课题的研究力图通过对扁铲侧胀试验的工作机理及受力模型进行分 析，探讨该试验方法的可靠性及试验数据的质量控制方法，分析试验方法 及操作程序对试验结果的影响；同时，对杭州地区不同土质的扁铲侧胀试 验数据及结果与静力触探( c p t ) 、标准贯入试验( s p t ) 及室内土工试验 堂兰查兰翌主堕圭 苎二主竺笙 一型旦主! 旦 结果进行对比分析，建立其土的物理力学性质指标的相关关系：讨论该试 验方法的适用性；并对国外的经验公式和半经验公式进行验证及补充；为 在我国推广这一新技术的应用提供理论依据及必要的参考数据，也为我国 规范、规程的收入该测试技术提供参考数据。 1 4本文主要工作 为了研究和分析扁铲侧账试验( d m t ) 机理及在工程中的应用本文主 要完成了以下工作： 1 搜集、查阅相关资料 根据本文的研究目的，查阅了近年来大量有关国内外最新资料，了解 目前有关扁铲侧账试验( d m t ) 的研究和应用方面的最新动态。 2 理论分析 根据扁铲侧账试验( d m t ) 的工作机理，从理论上分析和总结了该试 验的受力模型、影响因素、特点及适用条件和范围。 3 室内土工试验 为了建立和论证扁铲侧账试验( d m t ) 参数与室内土工试验的物理力 学指标的关系，对所研究的土层取样分析，完成了土样的常规室内土工试 验。 4 扁铲侧账现场试验 根据杭州地区不同的地质单元，分别选择了四个不同的实际工程场地 进行d m t 现场试验；按照有关试验规程进行试验和数据整理、计算。 5 其它原位测试 为了研究d m t 试验数据与其它原位试验参数的相关性，本次试验还 在同一场地完成了十字板剪切试验和c p t 原位测试。 6 成果的对比分析与评价 在扁铲侧账试验( d m t ) 数据的整理、计算和分析的基础上，将其参 塑兰垄兰壁主丝查 苎二主竺笙塑l ! 二! 旦 数与有关的室内土工试验、十字板试验、c p t 试验等参数进行对比分析 并对扁铲侧账试验( d m t ) 技术和方法进行了综合评述。 堑兰查兰壁主笙查 苎三主生竺型些苎竺! 型! ! 一_ 兰塑三三旦一 第二章扁铲侧胀试验( d m t ) 的机理及方法 2 1 扁铲侧胀试验的基本原理 扁铲侧胀试验( d m t ) 是采用静力( 或锤击动力) 把一扁铲形探头贯入到士中 某一预定深度，然后通过加压系统加压使扁铲探头侧面的膜片侧向扩张，士体 发生侧向位移变形；量测系统可测定土的不同侧胀位移时的侧向压力，即： 原位侧压力；变位压力；终止压力。这些相应于不同位移时的压力值反映 了土体的原始结构类型和工程性质特点。因此，可利用这一性质建立相关的经 验公式，计算所需土的有关土体的物理力学参数及对土的工程性质进行评价( 受 力模型见图2 1 ) 。 当扁铲探头侧面的膜片侧向扩张时，土体发生微小侧向位移变形( 最大值 图2 1 扁铲侧胀试验的受力模型 x p = p i p o 为1 1 0 r a m ) ，因此，可认为土体的变形是在弹性变形范围内。根据弹性力学 塑- 江查芏堡主丝查 苎三主苎芏竺! 些苎竺里坚! ! 丝坐二! 二! 旦 理论，则可建立土体侧向变形的位移与压力的关系。 首先，可假设扁胀试验时中心圆膜向外扩张为在无限弹性介质中圆形面积上 施加均布荷载p ，如弹性介质的弹性模量为e ，泊松比为u ，膜中心向外侧位 移为s ，由弹性力学理论求解得： 。：尘竽与掣 万丘 式中r 膜的半径( = 3 0 m m ) ； e 一一士的弹性模量，m p a ； l i 一一土体的泊松比。 如把e ( 1 1 t2 ) 定义为扁胀模量易，s = 1 1 0 m m ，则式( 2 1 ) 变为： e 。= 3 4 7 a p = 3 4 7 ( p l p o ) ( 2 2 ) 式中p ，一一s = 1 1 0 m m 时的压力值，( ”a ) ； p 厂为初始状态下的压力值，( k p a ) 。 作用在扁胀仪上的原位应力p o ，水平有效应力p o 与竖向有效应力乩之比， 可定义为水平应力指数硒： k 。= o 。一“。) 盯：。= p 。盯：。 ( 2 3 ) 式中u d 一一为孔隙水压力值，( k p a ) ； 。一一竖向有效应力，( k p a ) 。 而膜中心外移1 1 0 m m 所须的压力( 只一只) ，反映了不同土的类型，故 将，d 定义为扁胀( 或土类) 指数亦称材料指数： 堂兰垄兰塑主垒查 苎三主生竺型些苎兰坚盐翌上_ 兰竺旦二! 三旦 ，。= 0 ，一p 。) ，0 。一“。)( 2 4 ) 当加压卸压后，所测定的压力为总的孔压，可把压力n 当作初始的孔压力 加上由于膜扩张所产生的超孔压之和，故可将定义为扁胀孔压指数或称材料 指数： ( 2 5 ) 岛、肠、如和是扁铲试验所获得的最重要的扁铲侧胀试验的基本参数， 这些参数包含了有关土体性质的大量信息，反映了土体的应力历史、结构及力 学性质、原位土体的应力应变关系、水理性质等。 2 2 扁铲侧胀试验设备 为了获取扁铲侧胀试验的有关参数， s m a r c h e t t i根据扁铲侧胀试验的机 理，研制了专用的扁铲侧胀试验仪器。浙江温岭南光地质仪器厂参照国外的标 准与国内数家单位合作，研制了国产扁铲侧胀仪。该仪器设备主要由侧胀器( 亦 称扁铲测头) 、压力控制系统、位移控制系统、压力源及贯入设备、探杆等组成 ( 图2 2 ) 。 1 侧胀器 侧胀器是由外形象扁铲的高强度不锈钢薄板制成，内部空心：其尺寸为：厚 1 4 r a m 、宽9 5 m m 、长2 2 0 m m 、铲前缘刃角为1 2 1 6 。其中一个侧面上装有直 径为6 0 m m 的圆形不锈钢膜片，膜片厚约o 2 m m ，具有弹性可侧胀( 见图 塑兰查兰翌主丝圭 苎三主生竺塑坐苎竺尘坚旦j 塑坐二! 二! 旦 卜侧胀器；2 - 钻杆；3 - 贯入主机；4 - 压缩气 体管；5 一位移信号器；6 - 压力源；7 - 压力控 制单元；8 - 位移信号接受单元 图2 - 2 扁铲侧胀试验设备图2 - 3 扁铲头( 侧胀器) 2 3 ) ；膜片内侧装有一套感应元件，通过气一电管路与压力控制系统和位移控制 系统相连；其颈部则通过探杆与静力触探的探杆或钻杆连接，对探杆的要求与 c t p 试验相同。 2 测控系统 测控系统主要包括压力控制系统和位移控制系统；它主要由气压控制管路、 控制电路及各种指示开关组成( 如图2 2 ) 。扁胀测头通过气电管路与测控系统 相连。气电管路由壁厚、小直径、耐高压的尼龙管，内贯穿铜质导线组成；用 以输送气压和传递电信号。气电管路的一端连接测控箱，而另一端连接扁胀测 头。 测控系统的主要作用是控制试验时的压力和指示膜片在三个特定位置时的 压力值并传递膜片达到特定位移量时的信号。 e枞刮 塑江查兰堡主垒圭 苎三主生竺竺! 些堕壁尘丝! ! 丝塑! 。! 旦 3 压力源 d m t 试验采用高压钢瓶的高压气体作为压力源，它通过测控箱和气一 电管路将高压气体加到扁铲测头，使膜片膨胀。其耗气量随土质密度增加而增 大。 4 贯入设备 贯入设备是提供静力或动力将扁铲测头压入或击入预定土层的机具。对一般 的土层而言，可利用静力触探( c p t ) 设备作为贯入设备：而在较坚硬的粘性土 或较密实的砂土层中，则可利用标准贯入试验( s p t ) 机具代替。d m t 试验是 通过贯入设备将扁铲铲头的中心膜片到达所确定的位置时，对扁铲铲头的中心 膜片加压使土体变形，土体达到了预定的变形量时，d m t 试验设备的测控箱， 会发出一电信号( 指示灯发光或蜂鸣器发声，但因国外和国内的设备不同而有 所差异) ，测读相应的气压；要求三个压力读数a ，b ，c 在贯入后l m i n 内完成。 2 3 试验方法和步骤 1 d m t 试验点的布置 d m t 试验点的平面布置应根据测试任务书的要求选择具有代表性的位置； 竖向测试点间距一般为o 1 5 o 3 0 m ，通常用o 2 m 。 2 仪器标定 试验前应用率定装置对d m t 试验仪器进行标定。测出侧胀器在常压下自由 膨胀时的膜片中心外移0 0 5 r a m 和1 1 0 r a m 所需的压力a ”b o 值。标定前应在常 压下反复加荷、卸荷，以消除膜片本身及装配时遗留的残余应力。 3 试验步骤 堑江垄兰堡主堕查 苎三! 生笙塑堡苎竺塑兰1 2一一! ! 塑二生! 旦 ( 1 ) 试验时先通过贯入动力设备将探杆与扁铲测头连接，以2 0 m m s 的速率 贯入，此时，蜂鸣器开始发声，当到达某一设定的测试深度时，关闭排气阀， 慢慢打开微调阀，将压力缓慢增加，膜片开始向外扩张；当蜂鸣器停止发声的 瞬间( 此时，膜片中心向外位移0 0 5 m m ) ，记下气压值“a ”。 ( 2 ) 记录“a ”值后，不停顿继续缓慢加压，待蜂鸣器再发声瞬问( 此时， 膜片中心向外位移1 1 0 m m ) ，测读气压值“b ”。 ( 3 ) 测得“b ”值后，须立即关闭主阀门并减压到蜂鸣器声停为止，然后缓 慢卸掉剩余压力：当蜂鸣器再响的一瞬间，测读“c ”值：如要做消散试验时， 应从卸除压力开始，记录压力c 随时间t 的变化、记录时间可按1 、2 、4 、8 、 1 5 、3 0 r a i n 读取，直到压力c 的消散超过5 0 为止。该测试为扁胀消散试 验。 “c ”值不需要每点都测读，可每米测读一次。 ( 4 ) 测得a 、b 、c 三个值后，关掉主阀门，打开排气阀，将测头压入下一个 试验点，重复( 1 ) ( 3 ) 步骤。试验结束后，应立刻提升探杆，从土中取出测头， 并对测头膜片再次率定a 、a b 值，消除温度对扁铲测头的影响。 ( 5 ) 测定地下水的水位值。 在试验过程中，当静压扁胀探头入土的推力超过5 t ( 或用s p t 的锤击方式) ， 当每3 0 c m 锤击数超过1 5 击时，为避免扁胀探头损坏，建议先预钻孔，在孔底 下压探头至少1 5 c m 。 2 4 测试数据的整理 1 n 、 、b 压力值的整理 通过d m t 试验，得到试验的率定参数和三个不同的钢膜位移的压力值即： a 、b 、a 、b 、c 。 压力a 为当膜片中心刚开始向外扩张，向垂直扁铲周围的土体水平位移 o 0 5 m m 时，作用在膜片内侧的气压。 压力b 为膜片中心外移达1 1 0 m m 时作用在膜片内侧的气压。 压力c 为在膜片外移1 1 0 m m 后，缓慢降压，使膜片内缩到刚启动前的原来 位置时作用在膜片内的气压。 由于膜片的刚度，需通过在常压下标定试验前后膜片中心外移o 0 5 m m 和 1 1 0 r a m 所须的压力a 、a b ，因此应取两参数的平均值。 根据s m a r c h e t t i 试验方法，将三个压力值进行修正，得到n 、尸，和岛，则： 根据压力b 修正为p 1 ( 膜中心外移1 1 0 m m ) 的计算式为： 只= b z 。一a b 式中z 压力表的零读数( 大气压下) 。 压力a 修正为局( 膜中心无外移时，即外移为0 0 0 m m ) 异= 1 0 5 ( a 一乙+ 彳) 一0 。0 5 ( b z 。一a b ) 的计算式为： 把压力c 修正为另( 膜中心外移后又收缩到初始外移0 0 5 m m 的位置) 的计 算式为： 只= c 一乙+ a 4 式中p 0 、p l 、p 2 分别为初始( 零位移时) 侧向压力；1 1 0 m m 位 移时侧向压力和终止压力( k p a ) ； a 、b 、c 一一分别为膜片中心外移o 0 5 r a m 、1 1 0 r a m 及回复到初始 状态时的试验压力读数( k p a ) ； a a 、a b 一一分别为常压下试验前后标定相应于膜片中心外移 0 0 5 r a m 、1 1 0 r a m 时的平均试验压力读数( k p a ) ； 塑江查兰塑圭垒叁 苎三主壹竺竺! 些苎堂里塑塑上二坚生j ：三旦 z m 为在大气的条件下，系统压力为零时，电测仪表的 读数。但是在本次试验仪器中，可通过本身的调零装 置进行调整，故不考虑z 。值的影响，即z m = 0 。 根据a ，b ，c 压力及a 、a b 计算p o ，p l 和p 2 、尸并绘制p o 、p i 、岛、 a p 与深度的变化曲线。 2 届，五、盂和数据的整理 由p o 、p 1 、尸和p 2 可以通过计算得到以下扁铲试验参数； ( 1 ) 扁胀指数( 材料指数) ： ( 2 ) 水平应力指数： 。等音 。：圳 耻竽( 2 讪) 盯v o 、， ( 3 ) 侧胀模量( 扁胀模量) ：e n = 3 4 7 ( p i p d ) ；( 2 1 1 ) ( 4 ) 扁胀孔压指数： = 鲁 ( ：吨) 式中 一。一上覆有效土压力( 七p 口) ；“d 一静水压力( k p a ) 。 根据所得到的扁胀试验参数i n ，k o 、e d ，可绘制与深度的变化曲线，用 于土类别的划分，并建立与土性有关指标的相关关系和经验公式，可计算土的 重度、不排水抗剪强度、压缩模量、侧向基床反力系数、土的承载力、地基的 沉降计算、土的压实控制、地基土的液化评价及基础工程设计等。 1 4 堑兰查茎堕兰丝查 苎三主生竺坐苎璧鲤旦堕竺盎三垡旦! 二! ! 旦 第三章扁铲侧胀试验( d m t ) i 的特点 扁铲侧胀试验属一种贯入式的旁压试验，但是，正是由于其特殊形状的探 头，使该试验与其他贯入试验或旁压测试试验相比具有其独特的优点。 3 1d m t 试验对水平应力具有高的灵敏性 对圆锥形探头的贯入试验而言，当圆锥形探头在贯入过程中，其拱效应是 不可避免的，并且是使圆柱肩部以上的土体侧向应力不灵敏( 不稳定) 的主要 原因之一( h u g h e sa n dr o b e r t s o n1 9 8 5 ；h u a n g ，1 9 9 4 ) ( 见图3 - 1 ) 。对扁 铲形的探头来说，在贯入过程中，产生的楔形使土体变形要比圆锥体小得多， 图3 - 1 拄形套管对原位应力叽的非敏感性 从而大大避免了土体的拱效应：此外，由于扁铲加压是一种微型加载试验，是 由其中的膜片膨胀所得到的模量( 与贯入阻力相比较) 与土体刚度具有更加密 切的相关性，因此，对水平应力具有较高的灵敏度；同时，d m t 试验也是唯 一能用常规方法提供模量的试验，地基土的模量反映着侧向应力的影响。高的 侧向应力可显著地减少沉降量( m a s s a r s h1 9 9 4 ) 。正因为如此，d m t 试验尤其 适合于沉降分析以及那些需要精确知道土体压缩指标的场合，与其它贯入试验 所得到的模量相比较，d m t 试验所得到模量则要准确得多( s c h m e r t m a n1 9 8 6 ， s a l l f o r s1 9 8 8 ，h a y e s1 9 9 0 ) 。 3 2d m t 试验具有双参数性 d m t 试验除了能直接测定土的模量外，由于d m t 试验具有对水平应力 反应灵敏的特点，因此，该测试方法还可以较准确地测定测定土的第二参数： 土特性参数，即土的应力历史( o c r ) 。而许多常用的贯入试验，如：静力 触探、标准贯入试验等仅能给出一个参数，即q c 、n 。j e n d e b y ( 1 9 9 2 ) 研究了 静力触探与d m t 试验在不同的水平应力条件下的q c 与m d m t ( 侧限模量) ， 图3 2q c 和m “t 对水平应力和o c r 的增加的灵敏性对比 堑兰查兰塑主堕查 苎三主苎竺塑些苎竺里婴竺堕塞! 坐旦! ! 旦 结果表明：在松散的砂土中，q c 与m d m t 的值作为基准值，其比值为1 0 倍， 当松散的砂土被加固密实后，水平应力和o c r 都有所增加；所测得的q c 与m d m t 值比较，其中m d m t 值增加的较大，即m d m t 对水平应力( 或o c r ) 的灵敏度比q c 高( 见图3 2 ) 。由于d m t 参数m 和岛对土体的应力微小 变动都是极为灵敏的，因此，利用d m t 试验的双参数性，特别适合检查士体 加周的效果( s c h m e r t m a n n1 9 8 6 ，s a i l f o r s1 9 9 1 ，p a s q u a l i n ia n d r o s i 1 9 9 3 ) 。 3 3d m t 试验的适用性分析 d m t 试验是一种类似于贯入和旁压试验，其设备简单、操作方便。但是， 任何一种测试技术都有其适应范围，d m t 试验也不例外。虽然d m t 试验具有 较广的应用范围，但由于测试设备本身结构上原因，同样也存在着缺点和不足。 由于其扁铲探头受侧向压力膜片面积较小及小变形的限制，使其限制了d m t 试验的应用范围。主要用于可塑状以下的粘性土和密实以下的砂性土，不适用 于碎石土或含卵石的土层。这是由于扁铲探头的中心薄膜面积小，当土的颗粒 成分中含大量块石时，极容易受力不均匀或难于贯入，并可造成测试数据的离 散性大或膜片受损。因此，扁铲侧胀试验主要适用于一般粘性土、粉土、砂土 和黄土等，而不适用于碎石土、风化岩石等。 但是在土体试验方法中，由于其独特的扁铲型探头，根据理论分析，d m t 试验可大大地减小了对土的扰动，使测试结果能够较好地反映地基土的原位工 程性质，可以较精确预估多项土的物理力学性质参数；利用d m t 试验的特点， 还可以解决岩土工程中的许多问题，因此，d m t 试验对土体而言具有较强的 实用性。 堂兰查兰翌主堕圭苎三主生笙竺些苎竺g 塑! ! 竺竺查! ! 竺! ! 旦 d m t 试验在不同土类中的适用性 适用性分级a 最适用b 适用c 有时适用o 不能使用表3 - 1 不同土体条件下的灵敏性 软弱，松散中等坚硬、嚣买 土的类型q c 1 5 m p a n 4 0 未压实填土自然状态轻压实壤土自然状态密实压实壤土自然状态 拈土bb 耪土bbcc 砂土cc 砾石大贝壳和站石ccoo0o 一石o oooo 风化砉土 cooo 粘土+ 耪土+ 砂土 粘土+ 耱土+ 砂土+ 皿壳bo o 艋| 酱i + 磅t + 警石ccc +c +o0 砂土+ 碌石bb + c +oo 有机质粘土+ 砂土bc c 凡化分有机质的残积土c c 岩石风化的残积土coc + 0 腱蛄的砂土cc + o 岩庸堆椒抽c + o 木碴土oo ooo 带收拈土b bcc 量土 b 花炭 沉芘，丘矿砂 b 2 ，q c 为c p t 双桥的锥尖阻力 3 、n 为s p t 的击数 1 9 堂兰查兰塑主堡查 苎里主望坚! 苎竺查兰堡! 堡旦型旦l 兰三旦一 第四章d m t 试验在工程中的应用 根据扁铲侧胀试验的机理分析及国外的研究成果表明，d m t 试验参数如、 如、岛、u n 可较好地反映不同类型地基土的工程性质，并且d m t 参数与土的 物理力学性质具有较好相关关系。因此，根据这些参数e n 、如、，d 和可建 立与土体性质相关关系，确定一系列土的工程性质指标，并可对路基、浅基及 深基础工程的岩土工程勘察、设计及地基处理等岩土工程问题作出分析与评 价。 4 1 确定土的物理力学参数 s m a r c h e t t i 根据大量的d m t 试验，分析了土的物理力学性质与d m t 试 验参数的关系，建立了相关的经验公式。在此基础上，各国的学者根据试验数 据，也建立了相应的经验公式或提出修正公式。 d m t 参数与土的性质的相关关系( m a r c h e t t i ，1 9 8 0 ) 袁4 - i 符 土的i 程性质指标关系式说明 号 k o 静止倒向压力系数 k o 、m = ( k o i5 ) 0 4 7 06i d i2 d 础超团结比 o c r d m t = ( 0 5 舶) 1 5 6 i d i 2 c u不固蛄抗剪强度 c u m r r = 0 2 2 ( 0 5 1 。5i d 1 8 巴 水平固结系数 c - = 7 c m tt 是特征时间 k k 水平渗透系数 c - t w m h ( m k k om d u r ) y 天然量度图解 肛m s 当i 06届= o1 4 + 2 3 6 蚝而 o6 0 8 ) l a c a s s e 和l u n n e ( 1 9 8 8 ) 根据挪威试验资料，提出： _ = o 3 5 ( k d 4 ) ( 4 一1 ) ( 4 2 ) 式中m 为一系数，对高塑性粘土m = 0 4 4 ：对低塑性粘土m = o 6 4 。 3 应力历史( o c r ) 的确定 d m t 试验其主要的特点之一是具有双参数性，所测土的水平应力指数反 映了土的应力历史，即土的固结性质。对于超固结比( o c r ) 大于l 的超固结 土，其它的原位测试方法一般较难确定土的超固结比。而d m t 试验所测信息 包含了土的应力历史：当土为超固结土时，具有较高的水平应力，反之，土为 欠固结土则水平应力较低。因此可以通过d m t 试验测得水平应力指数量d ， 确定土的超固结比( 0 c 尺) 。 m a r c h e t t i ( 1 9 8 0 ) 对无胶结粘性土，建议可用下列公式计算固结比( o c r ) ： o c r = ( 0 5 k d ) 1 ”，d i 2( 4 5 ) o c r = ( m k d ) ”1 2 1 2 5 。 4 不捧水抗剪强度c u 的确定 1 9 8 0 年m a r c h e t t i 提出了粘性土不排水抗剪强度的计算公式 c u = o 2 2 ( x d 2 ) 。2 5 o ( 4 1 1 ) 1 9 8 8 年l a c a s s e 和l u n n e 用现场十字板试验、室内直剪试验和三轴强度试 验对m a r c h e t t i 的计算公式进行了验证和补充，结果如下： 十字板试验 c u ( o 1 7 珈2 1 ) ( k d 2 ) 1 + 2 5 盛o ( 4 1 2 ) 室内直剪试验c u = 0 1 4 ( k d 2 ) 12 5 兀 三轴强度试验c u = 0 2 ( k d 2 ) 12 5 。 1 9 8 8 年r o g u e 等提出计算c “的公式： c u ( p i - q 。) c ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 堑兰查兰堡主堕查 苎! 主里坚! 苎竺垒三堡堕生三塑0 1 ：! 。旦_ 式中 吼。一一原位水平应力；由t r , 。= k 。+ “。得，k 。可用扁铲试验确定； 札一一经验系数，取5 - 9 ，硬粘土f = 5 ，中粘性土n c = 7 ，非灵敏可塑 粘性土n o = 9 。 5 变形参数( j e 沁) 的计算 土的变形参数是地基沉降计算的重要参数，是基础设计中不可缺少的参数 之一。目前，在构筑物的基础设计中，存在有第四纪覆盖层地区，是以沉降控 制进行设计的。因此，变形参数的准确与否对基础设计影响极大。但是，在实 际工程中要获得准确的变形参数是极为困难的。这是由于室内土工试验或圆锥 贯入等试验改变了的原始性状，因此所得到的变形参数往往不能较准确地反 映土的压缩性质。扁铲侧胀试验( d m t ) 是通过加荷使土体侧向变形，根据土 的侧向应力应变关系，可以直接测定土体的变形模量：m a r c h e t t i 称之为侧胀 模量如，即： e o = 3 4 7 ( p 一p d ) = 3 4 7 a p ( 4 1 4 ) 该公式中扁铲模量与定位移下的侧向压力增量呈线形关系，它反映了土体 原始状态下的侧向应力既应力历史。 但是土力学中计算地基土的沉降需要的压缩模量并非是扁铲模量，而是竖 向变形模量；可d m t 试验得到的如代表的是当位移量为1 1 m m 时的侧向模 量，再者，由于地基土在沉积形成过程中具有分层性，呈各向异性。为此， m a r c h e t t i ( 1 9 8 0 ) 提出了下列经验修正公式计算竖向压缩模量： e r 。i 0( 4 - - 1 5 ) 式中：r 。为与水平应力指数岛有关的函数， 当i o 一0 6 r 。= o 1 4 + 2 3 61 0 9k d 塑兰查兰塑主丝圭 墨竺主里兰! 堕竺生三矍竺壁旦兰型! 三旦一 0 6 i o 1 0 r 卅= 尺m o + ( 2 5 - r m o ) j o gk o r 。o = o 1 4 + o 1 5 ( i o 一0 6 ) r 。= o 5 + 2 】0 9 k o = 0 3 2 + 2 1 8 】0 9k o 当r m 曲线，建立了侧向受荷桩设计的经验 公式。其设计结果与实际测试结果有较好的一致性( 挪威岩土工程学会、美国 乔治亚州岩土工程组，1 9 9 8 ) 。 此外，h a m z a 和r i e h a r d s ( 1 9 9 5 ) 在隧道工程和地下连续墙的变形设计中 应用d m t 试验的有关参数设计同样取得了令人满意的结果。 堂兰查竺堡圭堕主 苎兰主旦坚! 塑竺鱼垫型些堡堕生盟曼堡l 兰三旦 第五章d