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        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)新模式教學(xué)的探索實(shí)踐

        2021-09-09 06:28:04李錦輝王海洋
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年8期
        關(guān)鍵詞:鳴響蜂鳴器膜片

        程 鵬, 李錦輝, 王海洋

        (哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳),實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心,土木與環(huán)境工程學(xué)院,廣東深圳518055)

        0 引 言

        扁鏟側(cè)脹儀由意大利Marchetti教授在上世紀(jì)70年代發(fā)明,可用于原位測(cè)試軟土、黏土、粉土、黃土和松散-中密砂土等土質(zhì)的性能參數(shù)[1-2]。扁鏟側(cè)脹儀具有高效、操作簡(jiǎn)單、小巧易攜帶、可連續(xù)測(cè)試、測(cè)試結(jié)果具有良好的重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),在20世紀(jì)80年代就被寫(xiě)入美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。該試驗(yàn)方法在20世紀(jì)90年代引入國(guó)內(nèi)后被廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域,現(xiàn)已寫(xiě)入《巖土工程勘察規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》行業(yè)規(guī)范中[3-5]。

        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)可用于以下用途:計(jì)算壓縮模量、測(cè)量不排水剪切強(qiáng)度Cu、測(cè)量側(cè)向受荷樁的P-y曲線、土質(zhì)分類、測(cè)量黏土的滲透系數(shù)、測(cè)量靜止土壓力系數(shù)、壓實(shí)度控制、砂土液化勢(shì)判別、測(cè)量砂土內(nèi)摩擦角

        等,尤其適用于側(cè)向荷載較大的建筑工程[6]。

        1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的原理

        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)(Flat Dilatometer Test,DMT)首先利用貫入設(shè)備(可與靜力觸探設(shè)備共用)、鉆機(jī)或其他野外現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將扁鏟貫入土層中,達(dá)到預(yù)定深度后,通過(guò)小型氣瓶對(duì)扁鏟進(jìn)行加壓,利用氣壓使扁鏟上的鋼膜片側(cè)向膨脹,分別測(cè)得膜片中心側(cè)向膨脹0.05 mm和1.10 mm時(shí)的氣壓值A(chǔ)值和B值,再測(cè)量膜片回縮到0.05 mm時(shí)的氣壓值,C值。根據(jù)氣壓與變形之間的關(guān)系,來(lái)獲得地基土的力學(xué)參數(shù)[7-8]。

        鋼膜片達(dá)到0.05 mm和1.10 mm的時(shí)候可以通過(guò)蜂鳴器是否鳴響來(lái)做出精確判斷。扁鏟的內(nèi)部構(gòu)造見(jiàn)圖1,實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

        圖1 扁鏟結(jié)構(gòu)示意圖

        圖2 扁鏟實(shí)物圖

        工作原理如同一個(gè)電開(kāi)關(guān),圖中絕緣墊將導(dǎo)體基座與扁鏟鋼體和鋼膜片隔離,導(dǎo)體基座與正極相連,鋼膜片與負(fù)極相連。在自然狀態(tài)下,線路被絕緣墊斷開(kāi),蜂鳴器不會(huì)鳴響。

        (1)當(dāng)扁鏟插入土中,鋼膜片受到土壓力之后,會(huì)向內(nèi)收縮,當(dāng)鋼膜片與導(dǎo)體基座接觸時(shí),整個(gè)線路連通,蜂鳴器持續(xù)發(fā)出鳴響。

        (2)施加氣壓使鋼膜片膨脹,當(dāng)膨脹量達(dá)到0.05 mm時(shí),鋼膜片與導(dǎo)體基座脫開(kāi),線路斷開(kāi),蜂鳴器停止鳴響,此時(shí)氣壓讀數(shù)為A值。

        (3)繼續(xù)施加氣壓使鋼膜片膨脹,由于彈簧的作用,鋼柱和玻璃柱被向外推出。膨脹量達(dá)到1.10 mm時(shí),鋼柱與導(dǎo)體基座接觸,線路連通,蜂鳴器發(fā)生鳴響,此時(shí)氣壓讀數(shù)為B值。

        (4)然后緩慢卸壓,鋼膜片重新向內(nèi)收縮,鋼柱開(kāi)始脫離導(dǎo)體基座,線路斷開(kāi),蜂鳴器停止鳴響。

        (5)鋼膜片繼續(xù)收縮,當(dāng)鋼膜片重新收至0.05 mm處時(shí),鋼膜片與導(dǎo)體基座重新接觸,蜂鳴器又發(fā)生鳴響,此時(shí)氣壓讀數(shù)為C值。

        2 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀

        2.1 需要足夠大的室外試驗(yàn)場(chǎng)地

        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)是一種原位測(cè)試試驗(yàn),需要在野外工地上進(jìn)行。貫入扁鏟需要搭配貫入儀、鉆機(jī)或其他野外現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。常用的手搖式靜力觸探貫入儀占地面積約為1 m×1 m,液壓貫入儀尺寸約為2 m×1.5 m。再加上學(xué)生的操作空間,每組至少需要10 m2的場(chǎng)地,一個(gè)班級(jí)可能需要找到將近60~100 m2的室外試驗(yàn)場(chǎng)地。對(duì)于寸土寸金的深圳或其他一線城市來(lái)說(shuō),顯然很難滿足上課需求。此外由于涉及到鉆探,試驗(yàn)場(chǎng)地難以重復(fù)利用,這就使得原本緊張的用地變得更加局促。對(duì)于沒(méi)有提前規(guī)劃場(chǎng)地的學(xué)校更是無(wú)法開(kāi)展。

        2.2 測(cè)試儀器搬運(yùn)不方便

        常用的液壓靜力觸探貫入儀質(zhì)量在200 kg以上,需要使用專門(mén)的搬運(yùn)工具來(lái)運(yùn)輸。這一工作費(fèi)事費(fèi)力,嚴(yán)重影響課堂的效率。

        2.3 對(duì)場(chǎng)地條件、土質(zhì)要求較高

        扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)一般在疏軟松散土中適宜性好,在堅(jiān)硬密實(shí)土中適宜性差,不適用于含碎石的土。若土質(zhì)不滿足要求,可能會(huì)損傷扁鏟的鋼膜片。此外,試驗(yàn)之前需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平且表面無(wú)雜草、石塊等雜物,這無(wú)疑大大增加了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

        2.4 室外場(chǎng)地的隨機(jī)性大,不利于結(jié)果分析

        室外試驗(yàn)場(chǎng)地往往具有較大的隨機(jī)性,場(chǎng)地土質(zhì)的不確定性、土體本身的不均勻性等均會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)論的誤差[9]。很有可能會(huì)出現(xiàn)每個(gè)組的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同的情況,并且也無(wú)從得知正確的結(jié)論,也就無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行評(píng)分。

        2.5 室外實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展受天氣影響

        深圳是一個(gè)多雨的城市,每年的4~9月份為雨季。一方面雷雨天氣無(wú)法在室外進(jìn)行實(shí)驗(yàn),另一方面降雨過(guò)后會(huì)導(dǎo)致室外場(chǎng)地泥濘,也不利于開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

        3 新模式教學(xué)改革研究

        實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分,實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是一方面能夠使學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí),另一方面能夠使學(xué)生快速掌握解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[10-14]。筆者針對(duì)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)教學(xué)存在的難點(diǎn),提出了新模式教學(xué)方法,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

        3.1 構(gòu)建貫入系統(tǒng),使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室即可分組操作

        貫入系統(tǒng)由貫入裝置、貫入平臺(tái)、模型桶、平板推車4部分構(gòu)成,見(jiàn)圖3。

        圖3 貫入系統(tǒng)實(shí)物圖

        (1)貫入裝置。貫入裝置選用手搖式靜力觸探機(jī),結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。這種貫入設(shè)備較為輕便,通過(guò)手搖柄驅(qū)動(dòng)鏈條,進(jìn)而帶動(dòng)鉆桿進(jìn)行鉆探。該設(shè)備也可搭配十字板剪切儀、孔壓靜力觸探儀等不同的原位測(cè)試設(shè)備使用,有良好的擴(kuò)展功能。

        圖4 貫入裝置結(jié)構(gòu)圖

        (2)貫入平臺(tái)。貫入平臺(tái)的工作臺(tái)面尺寸為長(zhǎng)1.4 m×寬1.0 m,臺(tái)面高度為1.2 m,在平臺(tái)上面切割了兩個(gè)220 mm×220 mm的方形孔洞,作為鉆桿和探頭的貫入通道。貫入平臺(tái)四周加設(shè)高1 m的安全圍欄。在圍欄的對(duì)側(cè)有兩個(gè)推拉門(mén),并可用插銷將推拉門(mén)鎖上。

        (3)模型桶。模型桶為φ0.6 m×1 m不銹鋼桶。桶中填入了若干層不同類型的土體,見(jiàn)表1。可將扁鏟每隔20 cm深測(cè)量一次數(shù)據(jù),對(duì)土體進(jìn)行粗略分層。也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,選擇其他種類土體或改變分層厚度。

        表1 桶中土的類別及深度

        (4)平板推車。平板推車為邊長(zhǎng)0.6 m的可移動(dòng)平板車。平板推車由一塊5 mm厚不銹鋼底板、4根鍍絡(luò)棒和4個(gè)軸承組成。平板推車的作用是為了方便添加或更換模型桶中的土。

        首先將兩臺(tái)手搖式靜力觸探機(jī)立在貫入平臺(tái)上面并用螺栓與之固定,在模型桶中填入若干層不同種類的土。由于在測(cè)量A值之前,需要有足夠的土壓力擠壓膜片使之與導(dǎo)體基座接觸,因此模型桶中的土可采用加水、施加荷載進(jìn)行緊實(shí)等方法來(lái)增大土體側(cè)壓力。

        然后將模型桶放入平板推車上,推進(jìn)貫入平臺(tái)下方,學(xué)生可以站在貫入平臺(tái)上將扁鏟向模型桶中貫入,將下方的模型桶內(nèi)的土代替原狀土,以此來(lái)模擬整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程,扁鏟貫入土中的過(guò)程見(jiàn)圖5。由于老師對(duì)模型桶中的土體參數(shù)已經(jīng)掌握,故可較準(zhǔn)確判斷學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確。

        圖5 扁鏟貫入過(guò)程

        3.2 加強(qiáng)預(yù)習(xí),優(yōu)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告

        有效地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用[15]。而通常的預(yù)習(xí)報(bào)告無(wú)外乎實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟這幾部分內(nèi)容,一般情況下這些內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中都可以找得到,只需全盤(pán)抄一遍即能完成任務(wù)[16]。

        為了讓學(xué)生們能在課前真正初步理解整個(gè)實(shí)驗(yàn),在預(yù)習(xí)報(bào)告部分摒棄了原有的模式,采用填空題、選擇題、簡(jiǎn)答題等多種形式,題目的設(shè)置則針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的重點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)和安全注意事項(xiàng)的關(guān)鍵點(diǎn)。若想完成預(yù)習(xí)報(bào)告,則需要提前通讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)并理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)。這樣做既不需要大段抄寫(xiě)也能讓學(xué)生真正去思考并理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

        3.3 豐富考核內(nèi)容,多方位綜合考評(píng)

        實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核不應(yīng)局限于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě),實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)后的設(shè)備整理歸位、對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解等都應(yīng)設(shè)為考核內(nèi)容。筆者對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后3個(gè)階段進(jìn)行了6個(gè)方面共17

        項(xiàng)的綜合考評(píng),充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的積極性,取得了良好的效果。綜合考評(píng)情況見(jiàn)表2。

        表2 綜合考評(píng)表

        4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行,每組配備一套扁鏟側(cè)脹儀和貫入系統(tǒng),人數(shù)在4人左右為宜,保證每名同學(xué)都能夠參與其中,相互協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和人員分工情況如下:

        4.1 實(shí)驗(yàn)前檢查

        實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行3項(xiàng)檢查,可由4人協(xié)同分工完成。其中1名同學(xué)檢查與氣瓶連接的壓力表讀數(shù)是否為0;1名同學(xué)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān),檢查蜂鳴器工作是否正常、回路是否正常;1名同學(xué)檢查測(cè)控箱的總開(kāi)關(guān)、調(diào)壓閥和排氣閥是否處于關(guān)閉狀態(tài);1名同學(xué)記錄檢查結(jié)果。

        4.2 實(shí)驗(yàn)前率定鋼膜片

        鋼膜片在自然條件下處于微膨脹狀態(tài),膨脹量在0.05~1.10 mm之間,即A、B位置之間。鋼膜片存在一定的剛度,由自然狀態(tài)下收縮、膨脹到A、B兩個(gè)位置時(shí)需克服自身的剛度,這部分力被計(jì)算到結(jié)果當(dāng)中。若想獲得真實(shí)值,需要在每次實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行修正,即率定鋼膜片。率定過(guò)程為用針筒向扁鏟抽氣和打氣,當(dāng)鋼膜片收縮至A位置、膨脹至B位置時(shí),記錄所施加的氣壓值。

        率定時(shí)1名同學(xué)將針筒、扁鏟、測(cè)控箱連接好。另1名同學(xué)用針筒對(duì)扁鏟探頭抽氣,膜片在大氣壓力作用下從自然位置移向?qū)w基座,待蜂鳴器響起(此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹小于0.05 mm)停止抽氣,緩慢加壓至蜂鳴器聲音停止[此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為(0.05±0.02)mm,即A位置],讀取測(cè)控箱儀表盤(pán)的讀數(shù),記為ΔA。

        第3名同學(xué)用針筒對(duì)扁鏟探頭打氣,直到蜂鳴器再次響起[此時(shí)膜片中心向外膨脹量為(1.10±0.03)mm,即B位置],讀取測(cè)控箱儀表盤(pán)的讀數(shù),記為ΔB。

        第4名同學(xué)判斷ΔA和ΔB是否在合理范圍內(nèi),ΔA應(yīng)在5~25 kPa之間,理想值為15 kPa。ΔB應(yīng)在10~110 kPa之間,理想值為40 kPa。

        4.3 貫入扁鏟探頭

        1名同學(xué)站在貫入平臺(tái)上,用扳手輕微松動(dòng)頂部的鉆桿夾具。1名同學(xué)將U形墊壓塊卡在鉆桿的卡槽內(nèi),將山形板放置在U形墊壓塊上面,并用手持住山形板。這時(shí)第1名同學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)手搖柄,使鏈條的長(zhǎng)軸銷釘輕輕頂在山形板上面。山形板、U形墊壓塊實(shí)物圖及安裝圖見(jiàn)圖6。

        圖6 山形板、U形墊壓塊實(shí)物圖及安裝圖

        接著以一定的速率搖動(dòng)手搖柄,將扁鏟以(20±5)mm/s的速度貫入土中,當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí),土壓力將鋼膜片壓向?qū)w基座,鋼膜片膨脹量小于0.05 mm,蜂鳴器開(kāi)始鳴響。達(dá)到預(yù)定深度后停止貫入,取下山形板和U形墊壓塊。

        4.4 測(cè)量A、B、C值

        1名同學(xué)打開(kāi)氣瓶開(kāi)關(guān)、測(cè)控箱總開(kāi)關(guān),并緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥,將壓力緩慢增加。待蜂鳴器停止鳴響的瞬間(此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為0.05 mm),記錄氣壓值A(chǔ)值。

        另1名同學(xué)繼續(xù)緩慢加壓,待蜂鳴器再次鳴響的瞬間(此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為1.10 mm),記錄氣壓值B值。

        測(cè)得B值后,第3名同學(xué)即關(guān)閉總開(kāi)關(guān),防止繼續(xù)加壓導(dǎo)致鋼膜片膨脹破壞。然后反向旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥,將氣壓緩慢卸掉,當(dāng)蜂鳴器再次鳴響瞬間(此時(shí)鋼膜片中心向外膨脹量為0.05 mm),記錄氣壓值C值。

        4.5 卸壓、提桿

        第1名同學(xué)打開(kāi)排氣閥,快速卸掉剩余壓力。第2名同學(xué)關(guān)閉氣瓶開(kāi)關(guān),卸掉氣瓶與測(cè)控箱中氣管的剩余壓力。第3名同學(xué)安裝山形板和U形墊壓塊,并用手持住山形板。最后1名同學(xué)站在貫入平臺(tái)上提升探桿,從土中取出扁鏟探頭。

        4.6 實(shí)驗(yàn)后重新率定鋼膜片

        試驗(yàn)結(jié)束后需重新率定鋼膜片,重新測(cè)量ΔA和ΔB,并與試驗(yàn)前的測(cè)值相比,差值不得超過(guò)25 kPa。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        從巖土原位測(cè)試的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題出發(fā),以扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)為例,提出了新模式的教學(xué)方法并進(jìn)行了實(shí)踐。通過(guò)自制的貫入系統(tǒng),可讓學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分組操作扁鏟側(cè)脹儀進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。通過(guò)改革預(yù)習(xí)內(nèi)容、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告,能夠有效地提升學(xué)生的預(yù)習(xí)效果,提高實(shí)驗(yàn)效率。同時(shí)豐富考核內(nèi)容,對(duì)學(xué)生進(jìn)行了6個(gè)方面共17項(xiàng)考評(píng),能夠更準(zhǔn)確地對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位的綜合評(píng)價(jià)。

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