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        天津地區(qū)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)應(yīng)用研究

        2015-02-11 10:05:59司鵬飛鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司天津300251StudyandApplicationofFlatDilatometerTestinTianjinSIPengfei
        鐵道勘察 2015年6期
        關(guān)鍵詞:側(cè)壓力膜片靜力

        司鵬飛(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)Study and Application of Flat Dilatometer Test in TianjinSI Pengfei

        天津地區(qū)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)應(yīng)用研究

        司鵬飛(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津300251)Study and Application of Flat Dilatometer Test in TianjinSI Pengfei

        摘要在對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)工作原理、標(biāo)定方法、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理作簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上,結(jié)合天津地區(qū)某工程實(shí)例,對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的部分成果進(jìn)行分析,將扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)的試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比。

        關(guān)鍵詞扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)靜力觸探試驗(yàn)土類(lèi)指數(shù)靜止側(cè)壓力系數(shù)

        扁鏟側(cè)脹儀[1]由意大利學(xué)者M(jìn)archetti在20世紀(jì)70年代末期發(fā)明,是一種適用于軟土、一般黏性土、粉土,松散—中密砂土的原位測(cè)試方法[2]。該儀器操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、人為影響因素小、經(jīng)濟(jì)適用,故發(fā)展很快[3],在北美及歐洲已經(jīng)列入一些相關(guān)規(guī)范中。

        在國(guó)內(nèi),隨著扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(DMT)的推廣,該試驗(yàn)已經(jīng)被列入《巖土工程勘察規(guī)范》和《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》,其在巖土工程中的應(yīng)用主要有劃分土層,判別土類(lèi),確定土的重度,確定靜止側(cè)壓力系數(shù),測(cè)定水平基床系數(shù),計(jì)算黏性土不排水抗剪強(qiáng)度,確定土的變形參數(shù),確定砂土有效內(nèi)摩擦角,地基液化判別等[4]。

        根據(jù)相關(guān)研究[5-7],扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)指標(biāo)受土性影響較大。由于各地土體沉積時(shí)的環(huán)境氣候和物質(zhì)組成等的不同,各個(gè)地區(qū)的土層性質(zhì)存在較大差異。因此,在使用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)指標(biāo)時(shí),還需要結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

        1試驗(yàn)設(shè)備方法及資料整理

        1.1 試驗(yàn)設(shè)備

        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)設(shè)備組成:扁鏟探頭,控制箱,氣-電管線,壓力源,貫入設(shè)備和探桿等。扁鏟探頭是一個(gè)長(zhǎng)約23 cm,寬約9.5 cm,厚1.5 cm,底部為楔形的測(cè)頭,扁鏟探頭的一面裝有一片可膨脹(直徑為6.0 cm)圓形鋼質(zhì)膜片,通過(guò)穿在探桿中的管路與地面操作箱連接,可以利用液壓鉆機(jī)或靜力觸探設(shè)備將扁鏟探頭壓入土中。

        1.2 工作原理

        扁鏟探頭內(nèi)部通過(guò)電路連通時(shí),檢流計(jì)會(huì)顯示讀數(shù),這時(shí)蜂鳴器也會(huì)響起。扁鏟探頭膜片與感應(yīng)盤(pán)之間有根細(xì)小的圓柱體,圓柱體的作用是指示膜片與感應(yīng)盤(pán)之間的位移,分別是0.05 mm(A位置)與1.10 mm(B位置),加壓過(guò)程之中,當(dāng)膜片與感應(yīng)盤(pán)之間的位移達(dá)到這兩個(gè)位置時(shí),探頭內(nèi)部電路會(huì)接通,蜂鳴器響起,記錄A值和B值。減壓過(guò)程中,膜片回到0.05 mm,蜂鳴器再次響起,記錄C值。將A、B、C值整理?yè)Q算成相應(yīng)指標(biāo),即可反映土體的相關(guān)性質(zhì)[3]。

        1.3 試驗(yàn)率定

        實(shí)驗(yàn)前和試驗(yàn)后,應(yīng)先對(duì)扁鏟探頭進(jìn)行率定。氣壓克服膜片剛度并使膜片中心在空氣中膨脹0.05 mm所需的氣壓稱(chēng)為ΔA。氣壓克服膜片剛度并使膜片中心在空氣中膨脹1.10 mm所需的氣壓稱(chēng)為ΔB。膜片合格的率定值一般為ΔA=5~25 kPa,ΔB=10~110 kPa,如果率定值超過(guò)合格率定值,則需要更換膜片再進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的ΔA和ΔB,兩者讀數(shù)必須接近,取兩者的算術(shù)平均值作為率定值;否則,認(rèn)為試驗(yàn)過(guò)程中存在較大誤差,試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。

        1.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        試驗(yàn)時(shí),使用貫入裝置將扁鏟探頭壓入土中預(yù)定的深度,通過(guò)增加氣壓使膜片膨脹,分別記錄膜片向外膨脹至0.05 mm、1.10 mm 和回復(fù)到位移0.05 mm 時(shí)的壓力A、B、C值。需要注意的是,試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)A、B進(jìn)行校核,若B-A<ΔA+ΔB時(shí),應(yīng)停止貫入,做好檢查記錄[8]。

        1.5 資料整理

        試驗(yàn)測(cè)得的A、B、C值,經(jīng)過(guò)修正和換算,得到實(shí)際壓力值,分別為:初始?jí)毫0(扁鏟膜片中心位移至0.05 mm時(shí)的壓力),p1(扁鏟膜片中心移至1.10 mm時(shí)的壓力),終止壓力p2(扁鏟膜片中心回到0.05 mm時(shí)的壓力),有如下關(guān)系

        (1)

        式中,Zm為通氣時(shí)壓力表零位讀數(shù)(采用傳感器量測(cè)的數(shù)顯儀表,不考慮Zm值的影響,因儀表本身有調(diào)零裝置[9])。

        由Marchetti教授的理論[1]可知,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中,膜片向外擴(kuò)張的過(guò)程,將膜片四周土體假設(shè)為無(wú)限彈性介質(zhì),均勻荷載施加在膜片上。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的土類(lèi)指數(shù)、水平應(yīng)力指數(shù)、側(cè)脹模量、孔壓模量可分別由p0、p1、p2計(jì)算。

        土類(lèi)指數(shù)

        (2)

        水平應(yīng)力指數(shù)

        (3)

        側(cè)脹模量

        (4)

        孔壓模量

        (5)

        2地層概況

        依托工程項(xiàng)目為天津市某地鐵工程。試驗(yàn)場(chǎng)地地層中,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)涉及的地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層(人工堆積)、第Ⅰ陸相層(第四系全新統(tǒng)上組河床—河漫灘相沉積)、第Ⅰ海相層(第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統(tǒng)下組河床—河漫灘相沉積)。

        受扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)測(cè)試深度限制,列出的僅為扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)涉及的地層,埋深20 m左右。另外,由于人工堆積層的成分較雜,離散較大,故不作統(tǒng)計(jì)分析。表1是試驗(yàn)場(chǎng)地地層主要物理力學(xué)指標(biāo)。

        3靜止側(cè)壓力系數(shù)K0

        靜止側(cè)壓力系數(shù)K0(在不允許有側(cè)向變形的情況下,土樣受到軸向壓力增量將會(huì)引起側(cè)向壓力相應(yīng)增量的比值[10])在基坑工程中有重要作用,是計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力分布和可靠度分析的關(guān)鍵參數(shù)。

        《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》中,對(duì)于KD為1.5~4.0的一般飽和黏性土,靜止側(cè)壓力系數(shù)K0可按下式計(jì)算[8]

        (6)

        本工程共完成21個(gè)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)孔,用式(6)計(jì)算K0,并利用該工程中鉆孔取樣所做的室內(nèi)土工K0試驗(yàn)作為對(duì)比,結(jié)果如表2。

        從表2中可以看出,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)所得K0普遍高于室內(nèi)試驗(yàn)值,對(duì)比不同地層,在細(xì)節(jié)上又有不同。

        4土類(lèi)指數(shù)ID

        土類(lèi)指數(shù)ID是一個(gè)反映土體軟硬狀態(tài)及強(qiáng)度大小的參數(shù),不同土類(lèi)的物理力學(xué)性質(zhì)一般是不同的。一般情況下,粉土的強(qiáng)度大于黏性土的強(qiáng)度,而砂土的強(qiáng)度又大粉土強(qiáng)度,《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》中就列出了常見(jiàn)土類(lèi)的ID,見(jiàn)表3。

        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可以有效避免土體的拱效應(yīng),對(duì)土體的擠壓和擾動(dòng)較小,獲得的參數(shù)較為穩(wěn)定,更能反映真實(shí)的土體性質(zhì)。

        4.1 深度曲線研究

        為了直觀研究扁鏟側(cè)脹試驗(yàn),對(duì)在工程中搜集的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。收集了天津某地鐵工程中的21個(gè)扁鏟側(cè)脹孔、1 591個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),圖1~圖3為其中10XJ-ML15孔、10XJ-MW05和10XJ-WC12孔扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)與靜力觸探試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)孔的綜合對(duì)比曲線,經(jīng)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中的ID曲線與靜力觸探qc曲線具有較好的對(duì)應(yīng)性,在反映土體強(qiáng)度特性和變化位置都具有高度的一致性。

        4.2 ID與qc關(guān)系分析

        由圖1~圖3可知,土類(lèi)指數(shù)ID和端阻qc之間有某種對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且這種關(guān)系很有可能是線性或比例關(guān)系。對(duì)土類(lèi)指數(shù)ID和端阻qc進(jìn)行對(duì)比分析:為了更直觀的揭示兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系,現(xiàn)將所有ID和qc試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)散點(diǎn)圖的形式表現(xiàn)出來(lái),圖4包含了天津某地鐵工程中21個(gè)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)兼靜力觸探孔1 591組土層的ID和qc數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算出一條趨勢(shì)線,并得出其關(guān)系式。

        由圖4可見(jiàn),所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都在均勻分布在趨勢(shì)線兩側(cè),表明這條趨勢(shì)線很大程度上能夠反映出土層土類(lèi)指數(shù)ID和端阻qc之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而在實(shí)際工作中,這種簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系也很容易被加以利用。

        可以得出扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)土類(lèi)指數(shù)ID和靜力觸探試驗(yàn)端阻qc有如下的關(guān)系式

        ID=0.550 3qc+0.137 7

        將離散性考慮在內(nèi),可將上式表達(dá)如下

        ID=(0.5~0.6)qc+0.137 7

        5結(jié)束語(yǔ)

        對(duì)比扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)取得的靜止側(cè)壓力系數(shù),可看出土的靈敏度對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)值有較大影響,靈敏度越高的土,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)取得數(shù)值差別越大。

        討論了扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)之間在反映土體性質(zhì)方面的關(guān)系,這兩種試驗(yàn)可以相互驗(yàn)證,提高試驗(yàn)的可信度。另外,在扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)不易到達(dá)的土層中,可以用靜力觸探參數(shù)推導(dǎo)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)參數(shù)。

        當(dāng)然,受制于扁鏟試驗(yàn)深度的影響,目前試驗(yàn)結(jié)果主要集中在20 m以上的黏土、粉質(zhì)黏土、松散—稍密粉土、砂土地層,正是由于難以穿過(guò)中密以上粉土、砂土層,導(dǎo)致扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)較深土層試驗(yàn)資料嚴(yán)重匱乏,使得中密—密實(shí)粉土、砂土中扁鏟試驗(yàn)數(shù)據(jù)與靜力觸探數(shù)據(jù)的對(duì)比分析不足,無(wú)法取得更加客觀準(zhǔn)確的分析結(jié)果。隨著貫入設(shè)備和扁鏟探頭的進(jìn)步,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)所能達(dá)到的土層深度越大,試驗(yàn)的土類(lèi)也越多,試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加豐富,也就能夠找到更準(zhǔn)確的ID和qc關(guān)系。

        參考文獻(xiàn)

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        [10]常士驃,張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

        中圖分類(lèi)號(hào):TU413

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1672-7479(2015)06-0053-04

        作者簡(jiǎn)介:司鵬飛(1986—),男,2013年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),碩士,助理工程師。

        收稿日期:2015-11-18

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