陳忠清，吳天宇，高彥斌，呂 越，劉 帥

（1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000）

意大利學(xué)者Silvano Marchetti于20世紀(jì)70年代末發(fā)明了扁鏟側(cè)脹儀（The flat dilatometer），主要由扁鏟探頭、測(cè)控箱、氣電管路等組成[1]。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)（The flat dilatometer test，簡(jiǎn)稱DMT）即是一種利用貫入設(shè)備將扁鏟探頭壓入土中，然后通過氣壓源向探頭內(nèi)加壓，以獲取探頭膜片膨脹到指定位移時(shí)的壓力值（即p0、p1及p2值）。DMT具有操作便捷、可重復(fù)性強(qiáng)、且能獲得多個(gè)土性參數(shù)（如靜止側(cè)壓力系數(shù)K0、超固結(jié)比OCR、壓縮模量M、內(nèi)摩擦角φ及不排水抗剪強(qiáng)度Cu等）的特點(diǎn)。目前扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)已在70多個(gè)國(guó)家得到工程應(yīng)用，并被作為一種標(biāo)準(zhǔn)的原位測(cè)試技術(shù)列入美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)（ASTMD 6635—15）[2]、歐洲規(guī)范Eurocode（EN 1997—2:2007）[3]、ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO 22 476—11:2017（E））[4]和中國(guó)的《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）[5]。

盡管DMT在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，但是多年來(lái)DMT的研究主要集中在試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法改進(jìn)[6-9]、工程應(yīng)用研究[10-12]，而關(guān)于扁鏟探頭貫入過程的研究進(jìn)展緩慢，相關(guān)報(bào)道尚不多見。很明顯，DMT的測(cè)試過程是在貫入過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而貫入過程產(chǎn)生的土體位移、應(yīng)力等必將一定程度上影響測(cè)試結(jié)果，尤其是直接影響p0值。因此有必要對(duì)扁鏟探頭的貫入機(jī)理及貫入過程可能引起的土體擾動(dòng)范圍展開研究。Baligh等[13]比較了不同錐角的楔形貫入器引起的黏土變形，得到尖角楔形貫入（sharp wedge penetration）引起土體變形小于鈍角楔形貫入（blunt wedge penetration）。Huang[14]利用數(shù)值手段，進(jìn)行了任意三維貫入器的應(yīng)變路徑分析，得到圓錐探頭（cone）和扁鏟探頭（dilatometer）貫入引起的應(yīng)變場(chǎng)明顯不同，且前者大于后者。Beno?t等[15]利用改裝的扁鏟側(cè)脹儀（instrumented dilatometer）開展了軟黏土的原位扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)，得到扁鏟探頭貫入過程產(chǎn)生明顯的超孔壓，但小于孔壓靜力觸探試驗(yàn)圓錐探頭貫入產(chǎn)生的超孔壓。以上研究均表明，雖然扁鏟探頭的尖角（一般為20°）明顯小于圓錐探頭的錐角（一般為60°），但其貫入過程仍對(duì)土體造成一定的擾動(dòng)效應(yīng)。Finno[16]采用應(yīng)變路徑法（Strain Path Method）對(duì)扁鏟探頭貫入飽和黏性土進(jìn)行了理論分析，得到扁鏟探頭貫入引起的擾動(dòng)范圍（以探頭周圍土體的破壞區(qū)域failure zone來(lái)反映）為距離探頭膜片中心100～110mm，距離探頭的側(cè)面70mm，稍小于標(biāo)準(zhǔn)圓錐探頭貫入引起的擾動(dòng)范圍（距離圓錐探頭116mm[17]）。羅松[18]采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬，將扁鏟探頭的貫入過程簡(jiǎn)化為施加一個(gè)位移邊界條件（位移大小為探頭厚度的一半），得到飽和土體的貫入擾動(dòng)范圍為距離探頭350mm左右。

可以看到，現(xiàn)有的研究主要采用理論解析及數(shù)值模擬手段進(jìn)行了有價(jià)值的探索，但扁鏟探頭貫入土體過程中產(chǎn)生的位移、應(yīng)力分布特征及其影響因素（比如土體類型、應(yīng)力歷史和初始密實(shí)狀態(tài)等）仍不清楚，以及不同條件下貫入過程引起的土體擾動(dòng)范圍也尚未形成明確、統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，開展扁鏟探頭貫入不同初始密實(shí)狀態(tài)下均質(zhì)干砂的試驗(yàn)研究，主要探討探頭貫入過程中產(chǎn)生的位移特征，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)中探頭的貫入機(jī)理，以及探頭貫入過程的擾動(dòng)影響提供參考。

1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

采用廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（干砂）作為模型試驗(yàn)材料，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。顆粒粒徑為0.08～2mm；最大干密度為1.88 g/cm3，最小干密度為1.69 g/cm3，最小孔隙比為0.41，最大孔隙比為0.57，比重為2.66。

1.2 儀器設(shè)備

（1）扁鏟探頭

采用南光地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的扁鏟探頭，可分為連接部、側(cè)脹部及楔形部，如圖2所示。探頭全長(zhǎng)為240mm，寬為96mm，厚14mm，楔形部夾角為26°，側(cè)脹部膜片直徑60mm。探頭連接部頂端與鉆桿連接頭相連，直徑為38mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size curve of the standard sand

圖2 扁鏟側(cè)脹探頭Fig.2 Blade of flat dilatometer:（a）front of blade and（b）side of blade

（2）粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)

粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry,簡(jiǎn)稱PIV）系統(tǒng)由硬件和軟件組成，其中硬件主要包括德國(guó)HSVISION型高速相機(jī)、無(wú)頻閃照明燈及電腦（圖3），軟件采用北京立方科技Micro Vec3圖像控制系統(tǒng)。

（3）小型靜力觸探儀

采用單橋探頭，探頭錐底直徑為2.52 cm，錐頭截面積為5 cm2，錐角為60°，測(cè)試范圍0～30 MPa（圖4）。

（4）模型箱及制樣裝置

模型箱內(nèi)部長(zhǎng)寬高尺寸為500mm×500mm×500mm，其中一側(cè)為10mm厚的鋼化玻璃。制樣箱的尺寸為495mm×495mm×50mm，底部按照梅花形開設(shè)圓孔，直徑為5mm，中心距8mm（圖5）。

圖3 模型試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Picture of the model test

圖4 小型靜力觸探儀的探頭Fig.4 Probe of small-scale static cone penetrometer

圖5 模型箱及制樣裝置Fig.5 Test box and sample preparation device

2 試驗(yàn)方案及過程

2.1 試驗(yàn)方案

制備不同初始密實(shí)狀態(tài)的均質(zhì)干砂試樣，開展扁鏟探頭貫入砂土的模型試驗(yàn)，并結(jié)合PIV技術(shù)進(jìn)行圖像分析，探討扁鏟探頭貫入過程中砂土顆粒的位移特征，以及貫入引起的土體擾動(dòng)范圍。試驗(yàn)分組及相關(guān)參數(shù)如表1所示，3組試驗(yàn)均進(jìn)行了平行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)分組及相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test groups and related test parameters

2.2 試驗(yàn)過程

（1）砂土試樣制備

采用“分層低位落雨+平板壓實(shí)法”制備干砂試樣。分層制樣步驟包括：①裝樣。將按初始密度要求計(jì)算出的每層砂土質(zhì)量均勻裝入制樣箱中，刮平表面；②低位落雨。將模型箱四周同時(shí)慢速提起，并逐漸提升，使砂土沿著制樣箱底面的篩孔均勻下落；③平板壓實(shí)。當(dāng)土樣超出分層設(shè)計(jì)高度時(shí)，利用與模型箱等內(nèi)框的平板進(jìn)行均勻壓實(shí)處理，直至達(dá)到規(guī)定高度。

對(duì)3種不同初始密實(shí)度要求的砂土試樣分別進(jìn)行平行制樣，并利用小型靜力觸探儀在試樣中心位置開展靜力觸探試驗(yàn)（CPT），以檢測(cè)制樣效果，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，3種初始密實(shí)狀態(tài)下，2次平行試驗(yàn)的CPT測(cè)試結(jié)果基本一致，比貫入阻力均隨深度增加而逐漸增大，且密實(shí)度越大時(shí)比貫入阻力也越大?？梢?，本文采用的干砂試樣制備方法具有較好的重復(fù)性，可以保證平行試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

（2）探頭貫入及圖像采集

利用小型CPT貫入設(shè)備，通過靜壓方式將扁鏟探頭沿模型箱中部并緊貼玻璃視窗內(nèi)側(cè)垂直貫入試樣，貫入速率為20mm/s。圖像采集與探頭貫入過程同步，采集速率設(shè)置為40幅/s，圖像分辨率為1 088×1 008。

圖6 比貫入阻力隨深度的變化曲線Fig.6 Variation of specific penetration resistance with depth

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 貫入松砂的位移分布特征

利用Micro Vec3軟件對(duì)扁鏟探頭貫入前后的圖像進(jìn)行PIV計(jì)算，得到探頭貫入松砂時(shí)的土體位移向量分布，進(jìn)一步利用Tecplot軟件對(duì)PIV計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到水平向位移和豎向位移分布云圖（圖7）。從圖7（a）可以看出，探頭連接部?jī)蓚?cè)的土體位移量最大，方向?yàn)槎感毕蛏?。探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)的土體位移呈對(duì)稱分布，位移量相對(duì)較小，方向基本上為緩斜向上，其中膜片以下部分土體發(fā)生向緩斜向下方位移。探頭楔形部?jī)蓚?cè)及以下的土體位移量最小，方向?yàn)榫徯毕蛳?，且楔形部以下的位移向量較不明顯。

從圖7（b）可以看出，貫入松砂時(shí)的水平位移主要分布在探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)區(qū)域，近似對(duì)稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側(cè)壁為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部?jī)蓚?cè)土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過3mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為20mm。由圖7（c）可得，貫入松砂時(shí)的豎向位移主要分布在探頭連接部?jī)蓚?cè)，方向向上，位移量5～8mm。探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，其中膜片對(duì)應(yīng)區(qū)域的土體豎向位移量?jī)H為1～3mm。探頭楔形部?jī)蓚?cè)的豎向位移向下，最大位移量不到3mm，以2mm為界的分布寬度范圍不超過25mm，楔形部以下的土體豎向位移均小于2mm。

圖7 探頭貫入松砂的位移向量（a）和水平位移（b）、豎向位移（c）云圖分布Fig.7（a）displacement vector distribution and cloud graph of(b) horizontal displacement,(c) vertical displacement after blade insertion into loose sand

3.2 貫入中密砂的位移分布特征

扁鏟探頭貫入中密砂時(shí)的土體位移向量分布、水平向位移和豎向位移分布云圖如圖8所示。從圖8（a）可以看出，探頭貫入中密砂時(shí)的土體位移向量分布特征與貫入松砂時(shí)接近，但探頭楔形部以下的位移向量相對(duì)較明顯。

圖8 探頭貫入中密砂的位移向量（a）水平位移（b）和豎向位移（c）分布云圖Fig.8(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating medium dense sand

從圖8（b）可以看出，水平位移主要分布在探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)區(qū)域，近似對(duì)稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側(cè)壁亦為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部?jī)蓚?cè)土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過4mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為30mm。由圖8（c）可得，豎向位移也主要在探頭連接部?jī)蓚?cè)分布，方向向上，位移量5～10mm。探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土體豎向位移量?jī)H為1～3mm。探頭楔形部?jī)蓚?cè)的豎向位移向下，最大位移量不到3mm，楔形部以下20mm深度范圍的土體豎向位移僅為2～3mm，且寬度范圍不超過60mm。

3.3 貫入密砂的位移分布特征

扁鏟探頭貫入密砂時(shí)的土體位移向量分布、水平向位移和豎向位移分布云圖圖9所示。從圖9（a）可以看出，探頭貫入密砂時(shí)的土體位移向量分布特征與貫入松砂及中密砂時(shí)接近，但探頭楔形部以下的位移向量最為明顯。

圖9 探頭貫入密砂的位移向量（a）水平位移（b）和豎向位移（c）分布云圖Fig.9(a) Displacement vector distribution cloud graph of(b) horizontal displacement and(c) vertical displacement after penetrating dense sand

從圖9（b）可以看出，水平位移主要分布在探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)區(qū)域，近似對(duì)稱分布，以2mm為界的位移分布范圍距探頭側(cè)壁亦為150～160mm，以4mm為界則為70～80mm。探頭楔形部?jī)蓚?cè)土體的水平位移較小，不超過5mm，楔形部以下土體水平位移不超過3mm，以2mm為界的位移分布范圍垂直距探頭底端為25mm。由圖9（c）可得，豎向位移也主要在探頭連接部?jī)蓚?cè)分布，方向向上，位移量5～8mm。探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)分布的豎向位移以方向向上為主，最大位移量不到5mm，膜片附近的土體豎向位移量?jī)H為1～3mm。探頭楔形部?jī)蓚?cè)的豎向位移向下，最大位移量達(dá)4mm，楔形部以下25mm深度范圍的土體豎向位移為2～4mm，且寬度范圍近90mm。

3.4 分析與討論

顯然，扁鏟探頭貫入不同初始密實(shí)狀態(tài)砂土?xí)r的位移分布特征與探頭三部分（即連接部、側(cè)脹部、楔形部）的幾何外形不同直接相關(guān)，且探頭楔形部和側(cè)脹部引起的土體位移將直接影響DMT測(cè)試結(jié)果，因此也是本文分析的重點(diǎn)?？傮w上，隨著扁鏟探頭沿深度逐漸貫入干砂，探頭楔形部周圍土體先產(chǎn)生緩斜向下的位移，主要分布在兩側(cè)，且水平位移的分布范圍明顯大于豎向位移的分布范圍，而正下方產(chǎn)生的豎向位移量很小。然后，探頭側(cè)脹部?jī)蓚?cè)土體產(chǎn)生以水平向?yàn)橹鞯奈灰?，基本呈?duì)稱分布，并近似以長(zhǎng)軸平行于探頭側(cè)面的半橢圓形向外擴(kuò)散，同時(shí)探頭側(cè)面較窄范圍的土體產(chǎn)生較明顯的斜向下位移。探頭連接部貫入時(shí)，兩側(cè)明顯產(chǎn)生向砂土表面的斜向上位移，并以豎向位移為主?？梢?，貫入過程先表現(xiàn)為楔形部對(duì)土體的向下和向斜側(cè)面擠壓作用，然后表現(xiàn)為側(cè)脹部對(duì)土體明顯的水平向擠壓作用，且探頭側(cè)面與土體存在向下摩擦產(chǎn)生的剪切作用，這與CPT錐形探頭貫入砂土的離散元數(shù)值模擬結(jié)果[19?20]相似，但不同的是，由于DMT探頭的尖角（26°）明顯小于CPT探頭的錐角（60°），貫入過程引起的土體最大位移未在側(cè)脹部與楔形部的交界處，而主要分布在膜片附近。另外可得，扁鏟探頭連接部未表現(xiàn)出對(duì)膜片附近的土體產(chǎn)生擠壓作用。

當(dāng)砂土的初始密實(shí)度增大時(shí)，扁鏟探頭周圍的土體位移分布特征相似，楔形部周圍土體的位移分布范圍明顯擴(kuò)大，而探頭側(cè)脹部周圍土體的位移分布范圍基本保持不變。文獻(xiàn)[21]～[22]的模型試驗(yàn)結(jié)果指出CPT錐形探頭貫入不同密實(shí)狀態(tài)的砂土?xí)r，錐頭正下方及側(cè)向的位移場(chǎng)影響范圍隨密實(shí)度增大而擴(kuò)大，且向兩側(cè)顯著擴(kuò)大?？梢姡忡P探頭貫入干砂的位移場(chǎng)分布特征及范圍受土體初始密實(shí)狀態(tài)的影響相對(duì)較小。如果分別以2mm和4mm作為干砂受到扁鏟探頭貫入擾動(dòng)的影響邊界，則擾動(dòng)影響范圍分別為距離探頭膜片150～160mm和70～80mm。

4 結(jié)論

（1）扁鏟探頭貫入干砂過程產(chǎn)生的土體位移分布特征與探頭的幾何外形直接相關(guān)，其中探頭楔形部和膜片所在的側(cè)脹部貫入產(chǎn)生的擠壓作用是引起土體變形擾動(dòng)的主要原因。

（2）扁鏟探頭楔形部的貫入過程表現(xiàn)為向下和向斜側(cè)面擠壓土體，但豎向位移量很小，產(chǎn)生向兩側(cè)擴(kuò)展為主的扁狀位移場(chǎng)，而側(cè)脹部的貫入過程主要表現(xiàn)為向兩側(cè)面水平向擠壓土體，產(chǎn)生分布范圍明顯更大的半橢圓狀水平位移場(chǎng)，同時(shí)探頭側(cè)面表現(xiàn)為一定的剪切作用而產(chǎn)生較窄范圍的豎向位移場(chǎng)。

（3）扁鏟探頭貫入干砂產(chǎn)生的位移場(chǎng)受砂土初始密實(shí)狀態(tài)的影響較小，主要表現(xiàn)為探頭楔形部周圍的位移場(chǎng)分布范圍隨密實(shí)度增大而擴(kuò)大。