雷 磊，賈 寧，賴海林，徐曉青

（中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120）

扁 鏟 側 脹 試 驗 （Flat Dilatometer Test，DMT）、T型觸探試驗和靜力觸探試驗是三種快速準確、重復性好、經濟適用的原位測試方法。DMT試驗方法及其應用在國外發(fā)展很快，已經得到了多國的認可，我國陳國民于1998年利用國產DMT在上海軟土地基首先開始應用，其后許多學者與巖土工程師將其應用于各地的民用建筑、地鐵交通等的場地基礎勘察中。

T型觸探是近20年來在國外發(fā)展起來的一種軟黏土不排水抗剪強度現場試驗方法。該方法具有理論基礎完備，不需要上覆壓力修正，測試方法簡便等優(yōu)點，在軟黏土勘測中得到越來越多的關注。傳統(tǒng)T型觸探試驗探頭截面為圓形，測試結果受表面粗糙度的影響較大，劉朝安等將圓形截面改為橢圓形，減小了粗糙表面對測試結果的影響。本文采用的探頭為橢圓形截面探頭。

靜力觸探試驗是以靜壓力將圓錐形探頭以一定速率勻速壓入土中，量測其貫入阻力（包括錐尖阻力和側壁摩阻力或摩阻比），并按其所受阻力的大小劃分土層和間接確定土的工程性質。它具有連續(xù)、快速、精確等優(yōu)點。

1 工程概況

擬建的變電站站址位于唐山沿海地區(qū)。場地地勢平坦，常年地下水位埋深平均約1.5 m，淺層地基土為第四系全新統(tǒng)（Q4）濱海相沉積的淤泥質黏性土，厚度約6.0 m；下部以粉細砂層為主。在勘察過程中進行了DMT、靜力觸探及T型觸探等原位測試工作。①粉質黏土夾粉土和②淤泥質黏土主要物理、力學指標見表1和表2。

表1 地基土層主要物理參數

表2 地基土層的空間分布及其主要力學參數

2 試驗設備、方法及數據處理

2.1 扁鏟側脹

該試驗設備包括測量系統(tǒng)、貫入系統(tǒng)和壓力源。測量系統(tǒng)包括側脹扁頭、氣電管路和制控裝置，貫入系統(tǒng)包括主機、探桿（或鉆桿）和附屬工具，壓力源可采用普通氮氣瓶（見圖1）。

圖1 側脹扁頭結構原理圖

試驗時將接在探桿上的扁鏟探頭壓入至土中預定深度，然后穩(wěn)定而緩慢的施加氣壓，使位于扁鏟探頭的圓形鋼膜向土內膨脹，量測鋼膜膨脹三個特殊位置（A、B、C）的壓力。壓力A值是使膜片中心離開基座，水平地壓入周圍土中0.05+0.02 mm時膜片內的氣壓值；壓力B值是膜片中心向外移動達1.10±0.03 mm膜片內的氣壓值；壓力C值是繼A、B壓力后，緩慢排氣，使膜片回縮接觸基座時作用在膜片內的氣壓值。

整理數據前，應檢查（1）式是否成立，若不成立需重新測試。

式中：ΔA、ΔB為A、B位置在大氣中率定的壓力值，即克服膜片自然剛度所需壓力 （kPa）。

P0為膜片在基座時的土壓力（kPa）；P1為1.1 mm位移時的膨脹側壓力（kPa）；P2為終止壓力，即恢復初始狀態(tài)側壓力（kPa）。

P0、P1、P2壓力根據 （2）～ （4）式修正，即：

式中：Zm為通大氣時壓力表零位讀數，采用傳感元件量測的數顯儀表，不考慮Zm值影響，因儀表本身有調零裝置，Zm為0，

根據Marchetti提出的理論，上述土壓力值和各試驗點孔隙水壓力U0及上覆有效土壓力值σvo'，按公式（5）～（8）可以獲得側脹模量ED、側脹土性指數ID、側脹水平應力指數KD和側脹孔壓指數UD。

利用以上基本參數可估算側向壓縮模量、不排水抗剪強度等土性參數。

2.2 T型觸探

橢圓形截面T型觸探探頭及探桿見圖2。為了得到探頭的貫入阻力與軟黏土不排水抗剪強度之間的關系，一般假定：（1）軟黏土強度符合Tresca屈服條件，僅有不排水抗剪強度cu一個指標；（2）探頭為無限長桿，勻速壓入土中，可簡化為平面應變問題。

圖2 橢圓形截面T型觸探探頭及探桿

荷載作用下軟黏土局部產生塑性變形，若破壞過程中土體無排水發(fā)生，體積保持不變，則可以認為軟黏土服從理想剛塑性體的Tresca屈服條件，采用滑移線場理論可以得到較可靠的近似解。

根據極限分析法的上下限定理可得到探頭阻力系數精確解，根據精確解，可得不排水抗剪強度cu的求取公式：

式中：P為單位長度探頭貫入阻力（kN/m）；a為探頭半寬 （m）；b為探頭半高 （m）；N為阻力系數，無量綱。當探頭高寬比為0.5時，探頭阻力系數N為13.62。本次試驗所用探頭寬為45.1 mm，高為22.6 mm，長為200 mm。

3 地基土分層對比

根據DMT的中間參數ID和ED，地基土分層可先根據側脹土性指數ID、側脹模量ED隨深度變化曲線的形狀分層，再按ID的大小確定地基土名稱。試驗場地①層地層的ID總體在0.58～1.63，以粉質黏土、粉土為主；②層地層的ID總體在0.10～0.35，以淤泥質黏土為主。和土工試驗的定名基本一致。對比現場鉆探及靜力觸探試驗參數，本次勘察場地地基土層的劃分結果見圖3。

對比圖3，DMT根據ID、ED分層結果與現場鉆探、靜探分層結果基本一致，說明DMT對地層的劃分具有一定的可靠性，并且能對土體給出合理的描述，基本能反映地基土的特性。

4 壓縮模量對比

壓縮模量MDMT被認為是從DMT試驗中所獲得的最可信而且最有用的參數，其值的定義為受限制的垂直方向的排水在σvo'處的割線模量，根據Marchetti（1980）提出的計算公式，見式 （10）。

式中：RM為水平應力指數KD有關的函數；其中：

當ID≤0.6時，RM=0.14+2.36logKD。

本次在擬建站區(qū)范圍內共取不擾動土樣22件，取樣深度在②層淤泥質黏性中均勻分布。DMT公式計算得出壓縮模量MDMT與土工試驗結果見表3。

表3 扁鏟試驗數據與土工試驗成果

由兩種方法得出的壓縮模量值可以看出，DMT計算的模量與土工試驗成果存在較明顯差異：（1）在場地②層淤泥質黏土地層中，DMT壓縮模量MDMT隨埋深變化較大，一般為0.3～2.6 MPa，最大值約為最小值的8倍；而土工試驗結果范圍變化較小，一般為2.0～3.5 MPa，最大值約為最小值的1.8倍。（2）兩種試驗方法結果之間的差異。從室內試驗壓縮模量ES1－2在不同深度取的原狀樣試驗結果的變化規(guī)律可以看出，ES1－2隨深度的變化規(guī)律同DMT計算所得的壓縮模量MDMT沿深度變化的曲線基本一致，個別點兩者結果接近或者一樣，總的來說，室內試驗結果的平均值大于DMT平均值，約為DMT結果的1.78倍。

圖3 根據ID和ED進行地基土分層

兩種試驗方法的差異，主要是因為DMT是原位試驗，對土層擾動小，測得結果是沿深度的連續(xù)壓縮模量值MDMT，其值的變化反應了土層沿深度軟硬程度、材料特性和應力歷史的信息。土工試驗結果ES1－2僅代表個別深度點的壓縮模量，不能連續(xù)反應壓縮模量沿深度變化的特點，并且在取、制樣時，由于卸載引起的有效應力的變化及取土、運輸、儲存和加工土樣時引起的附加機械擾動，都會對試驗結果造成偏差。

5 不排水抗剪強度測試結果對比

土樣的不排水抗剪強度土工試驗，由于受試驗條件限制，未能對試樣進行飽和處理，且試驗應力范圍偏大，導致試驗結果內摩擦角偏大。根據試樣所處深度位置，按計算該深度處土樣不排水抗剪強度cu，見式（11）。

式中 ：σ0為試樣位置平均應力，σ0=γ0z，γ0取平均值17.8 kN/m3，z為計算點深度。根據式（11），計算得不同深度處土體不排水抗剪強度見表4。不固結不排水強度cu標準值為22.1 kPa。

表4 根據不固結不排水強度指標計算值

根據 Marchetti（1980）提出的式 （12）和式 （9）分別計算DMT和T型觸探試驗不排水抗剪強度cu，繪制不排水強度隨深度的變化曲線（圖5）。從古典剛塑性理論看，靜力觸探探頭在軟黏土中貫入，便是一種在不排水條件下的塑性流動，求取不排水抗剪強度一般采用式（13）。該式中經驗系數Nk一般取10～20。圖5中的Nk取18。不同測試手段不排水抗剪強度標準值列于表5。

式中：σv'0和ID分別為有效上覆壓力和土的側脹土性指數，其中ID＜1.2。

式中：σv'0為有效上覆壓力 （kPa）；qc為雙橋靜力觸探錐尖阻力（kPa）；NK是與地區(qū)有關的經驗系數。

表5 扁鏟試驗數據與其他試驗成果

圖5 不同測試手段cu結果對比

從圖5可知，DMT不排水抗剪強度結果基本能反映地基土強度隨深度增長的特點，其隨深度的變化規(guī)律在淤泥質土層與T型觸探試驗結果基本一致。DMT所得cu在埋深1.0～2.0 m深度及5.5～7.5 m深度比T型觸探略偏小，在3.0～5.5 m深度曲線基本重合。從表5可知，T型觸探計算的不排水抗剪強度介于DMT和室內試驗之間，T型觸探不排水抗剪強度標準值約為DMT不排水抗剪強度標準值的1.2倍，土工試驗結果標準值約為DMT不排水抗剪強度標準值的1.5倍，三種試驗結果相差不大。

T型觸探和DMT之間的差異，其主要原因在于試驗過程中應變速率的影響。DMT試驗過程中，可人為的控制氣壓的加載，應變速率較?。籘型觸探使用靜力觸探儀器將T型觸探探頭壓入土中，其貫入速率為1.2 m/min，加載速率較大，應變速率效應明顯，不排水抗剪強度較實際值略偏大。

室內試驗求解不排水抗剪強度的結果影響因素較多，由于本次土樣儲存時間過長，運輸過程中顛簸擾動較大，導致土樣含水量較實際值偏低，強度有所提高。本次試驗求得的不排水抗剪強度沿深度變化較大，一般為18.6～31.5 kPa，從圖5可知，沿深度的取樣點不排水抗剪強度變化曲線和現場試驗曲線變化基本一致。

從圖5可以看出，雙橋靜力觸探計算的不排水抗剪強度cu，在地區(qū)經驗系數NK取18，計算得到的結果同DMT、T型觸探結果接近。

因為試驗原理不同，條件不同，不同試驗結果的直接比較相對困難。在具體指標應用時，需關注試驗結果的獲得方法，以及與設計所采用的計算模型的匹配性。

6 結語

本文利用不同原位測試手段在唐山沿海地區(qū)軟黏土勘察中進行了應用對比，結果如下：

（1）同靜力觸探試驗結果與現場鉆探對比分析，DMT側脹土性ID可以很好的反映土類特性及了解土層垂直向的土性變化，利用已建立的經驗關系式，可較準確的估算地基土的主要土性參數。

（2）將DMT壓縮模量MDMT計算的結果與室內試驗壓縮模量ES1－2結果進行比較，二者存在一定的差異。但ES1－2隨深度的變化規(guī)律同扁脹試驗計算所得的壓縮模量MDMT沿深度變化的曲線基本一致，個別點兩者結果接近或者一樣，室內試驗結果大于DMT結果，但DMT的結果更符合土層的實際情況。

（3）依據DMT和T型觸探結果估算的軟土不排水抗剪強度，在淤泥質土層變化規(guī)律基本一致，均較好的反映了軟土的強度隨深度增大的趨勢，說明這兩種方法的判別結果是較可靠的。通過對比DMT與T型觸探不排水抗剪強度結果，求得雙橋靜力觸探計算的不排水抗剪強度cu的地區(qū)經驗系數NK=18。