巖土工程測試第八章扁鏟側脹試驗

河南城建學院巖土工程測試技術第八章扁鏟側脹試驗第一節(jié)概述第二節(jié)試驗的基本原理第三節(jié)儀器設備及其工作原理第四節(jié)試驗方法與技術要求第五節(jié)試驗數(shù)據(jù)整理第六節(jié)試驗成果的工程應用河南城建學院巖土工程測試技術第一節(jié)

概述

扁鏟側脹試驗（FlatDilatometerTest，簡稱DMT）是20世紀70年代末意大利人Silvano

Marchetti提出的一種原位測試方法。是利用靜力或錘擊動力將一扁平鏟形探頭壓入土中，達到預定試驗深度后，利用氣壓使扁鏟探頭上的鋼膜片側向膨脹，分別測得膜片中心側向膨脹不同距離（分別為0.05mm和1.10mm）時的氣壓值，根據(jù)測得的壓力與變形之間的關系，獲得地基土參數(shù)的一種現(xiàn)場試驗。河南城建學院巖土工程測試技術扁鏟側脹試驗儀器河南城建學院巖土工程測試技術適用范圍：

適用于軟土、一般性粘土、粉土、黃土和松散-中密的砂土，一般在軟弱松散土中適宜性好，隨著土的堅硬程度或密實程度的增加，適宜性較差。扁鏟側脹試驗成果可用于評價土的類型確定粘性土的塑性狀態(tài)計算土的靜止側壓力系數(shù)和側向基床系數(shù)河南城建學院巖土工程測試技術第二節(jié)

試驗的基本原理一、原理描述使用靜力均勻?qū)⒈忡P探頭壓入土中，通過氣電管路給地表測控箱傳輸氣壓和電信號，氣壓通過氣源提供。

河南城建學院巖土工程測試技術扁鏟探頭壓入某一深度，通過測控箱操作使膜片充氣膨脹，充氣膨脹過程讀數(shù)：A讀數(shù)，膜片鼓脹距離基座0.05mm時的氣壓值；B讀數(shù)，膜片鼓脹距離基座1.10mm時的氣壓值；C讀數(shù)，釋放氣壓，膜片回縮到距離基座0.05mm時的氣壓值。

河南城建學院巖土工程測試技術二、原理扁鏟測脹試驗中膜片變形量較小，將其視為彈性變形過程。膜片向外鼓脹假設為在無限彈性介質(zhì)內(nèi)部，在膜片上施加均布荷載△p，如果彈性介質(zhì)的彈性模量為E，泊松比為u，膜片上任一點的位移量S為：式中R——鋼膜片的半徑；

r——膜片上任一點到膜片中心點的距離。河南城建學院巖土工程測試技術當r

=0，式中，R、S(0)分別為膜片的半徑和膜片中心的位移量，△p為膜片從基座鼓脹到距基座1.10mm時的壓力增量（p1-p0），該式△p表示增量與測試土的性質(zhì)直接相關。河南城建學院巖土工程測試技術第三節(jié)

儀器設備及其工作原理一、扁鏟探頭

1.扁鏟探頭和彈性鋼膜片河南城建學院巖土工程測試技術2.探頭的工作原理

絕緣體將基座與扁鏟體隔離，基座與測控箱電源正極相連，而剛膜片通過地線與測控箱的負極相連。在自然狀態(tài)下，彼此之間被絕緣體分開，電路處于斷開狀態(tài)，膜片受土壓力作用向內(nèi)收縮與基座接觸，或是受氣壓作用使膜向外膨脹，鋼柱在彈簧作用下與基座接觸時，電路形成回路，使測控箱上的蜂鳴器響起。蜂鳴聲停止（讀數(shù)A）蜂鳴聲再響起（讀數(shù)B）減壓，蜂鳴聲再次響起（讀C讀數(shù)）河南城建學院巖土工程測試技術二、測控箱

1.組成河南城建學院巖土工程測試技術2.壓力計

平行連接兩個量程不同的壓力計，一個小量程的（1MPa），一個大量程的（6MPa），小量程壓力計達到慢量程時自動退出工作，能夠較好的適應于不同的從軟弱到堅硬的土層。3.氣流控制閥

總閥：關閉或開啟氣源與探頭控制系統(tǒng)的連接；微調(diào)閥：控制在試驗中氣體流量，也可以關閉氣源與探頭控制系統(tǒng)的連接；肘接排氣閥：迅速排除系統(tǒng)內(nèi)的壓力；慢速排氣閥：緩慢釋放氣流以獲取C讀數(shù)。河南城建學院巖土工程測試技術4.電路

指示扁鏟探頭的開-閉狀態(tài)，提供可視的檢流計信號和聲音信號。5.氣電管路

由厚壁、小直徑、耐高壓的尼龍管制成，內(nèi)貫穿銅質(zhì)導線，兩端連接專用接頭用于輸送氣壓和傳遞電信號，每根長約25m。河南城建學院巖土工程測試技術三、氣壓源

試驗用高壓鋼瓶儲存的高壓氣體作為氣壓源，氣體為干燥的空氣或氮氣，充氣15MPa的10L氣壓瓶，在中等密實度土用25m長氣電管路做試驗，一般可進行1000個測點，試驗點間距0.2m，則試驗總長200m。四、貫入設備一般采用靜力觸探機具，貫入速率應控制在20cm/min較堅硬粘性土或較密實的砂土層可采用標貫機具。河南城建學院巖土工程測試技術第四節(jié)試驗方法與技術要求一、膜片的標定

膜片的標定是為了克服膜片本身的剛度對試驗結果的影響，通過標定可以得到膜片的標定值△A和△B，可用于對A、B、C讀數(shù)進行修正；

△A是采用率定氣壓計通過對扁鏟探頭抽真空，使膜片從自由位置回縮到距離基座0.05mm時所需的壓力；

△B是通過對扁鏟探頭充氣，使膜片從自由位置到B點時所需的氣壓力。河南城建學院巖土工程測試技術1.標定過程

△A：關閉排氣閥，用率定氣壓計對扁鏟探頭抽氣，膜片在大氣壓力作用下從自然位置移向基座，待蜂鳴聲響起（此時膜片離基座小于0.05mm）停止抽氣；緩慢加壓直到蜂鳴聲停止時（膜片離基座為0.05±0.02mm）記下測控箱的讀數(shù)，即為△A。

△B：讀取△A讀數(shù)后繼續(xù)對扁鏟探頭施加壓力，直到蜂鳴器再次響起（膜片離基座為1.10±0.03mm）時的氣壓值即為△B

。注：標定過程，抽氣和加壓均應緩慢進行。河南城建學院巖土工程測試技術2.△A和△B

的合理范圍

△A：在5~25kPa之間，理想的值為15kPa。

△B：在10~110kPa之間，理想的值為40kPa。3.膜片的老化處理

利用標定氣壓計對新膜片緩慢加壓至蜂鳴器響（B位置，膨脹1.10±0.03mm）時，記錄下△B值，連續(xù)數(shù)次，若△B允許范圍之內(nèi)，不必進行老化處理，若不在此范圍，加壓至300kPa，蜂鳴器響后，排氣降壓至零。用300kPa的氣壓循環(huán)老化幾次，

△B值達到允許范圍，則停止老化。若△B的值以300kPa的壓力值老化處理后仍偏高，可以用每級50kPa遞升重復老化，直到△B的值降到標定范圍之內(nèi)，最大壓力不應超過600kPa。河南城建學院巖土工程測試技術二、試驗步驟1.準備工作

氣電管路在探桿上的連接。靜力觸探貫入探頭時管路貫穿探桿；鉆機開孔錘擊貫入探頭，可按一定的間隔直接用膠帶綁在鉆桿上。逐根連接探桿。

檢查測控箱、氣壓源等設備是否完好，提前估算氣壓源是否滿足測試的要求，彼此用氣電管路連接。地線接到測控箱的地線插座上，另一端接到探桿或貫入機具基座上。檢查電路是否連通。河南城建學院巖土工程測試技術2.測試過程扁鏟探頭貫入速率應控制在2cm/s左右，試驗點的間距取20~50cm。貫入過程中排氣閥始終是打開的。當探頭達到預定深度后：

1）關閉排氣閥，緩慢打開微調(diào)閥，當蜂鳴器停止響的瞬間記下A讀數(shù)氣壓值；

2）繼續(xù)緩慢加壓，直到蜂鳴器響時，記下B讀數(shù)氣壓值；

3）立即打開排氣閥，并關閉微調(diào)閥以防止膜片過分膨脹損壞膜片；貫入下一點指定深度，重復下一次試驗。加壓速率應控制在一定范圍，壓力從0到A值應控制在15s之內(nèi)測得，B值應在A讀數(shù)后的15~20s之間獲得，C值在B讀數(shù)后1min獲得。注：這個速率是在氣電管路25m長的加壓速率。河南城建學院巖土工程測試技術試驗過程中應注意校核差值（B-A）是否出現(xiàn)B-A<△A+△B，如果出現(xiàn)，應停止試驗，檢查原因，是否需要更換膜片。試驗結束后應對扁鏟探頭進行標定，獲得試驗后的△A和△B

。注：△A和△B應在允許范圍之內(nèi)，且試驗前后△A和△B相差不應超過25kPa，否則實驗數(shù)據(jù)不能使用。河南城建學院巖土工程測試技術三、消散試驗在排水不暢的粘性土層中，由扁鏟貫入引起的超孔壓隨著時間逐步消散，消散需要的時間遠比一個試驗點的時間（2min）要大。因此在不同時間間隔連續(xù)測定某一個讀數(shù)可以反映出超孔壓的消散情況。目前主要有三種消散試驗：DMT-A、DMT-A2和DMT-C。DMT-A消散試驗

1）將扁鏟貫入到試驗深度，緩慢加壓并啟動秒表，蜂鳴器響時讀取A讀數(shù)并記錄下所需的時間t，立即釋放壓力回零；

2）分別在時間間隔1、2、4、8、15、30、90min測讀一次A讀數(shù)，以后每90min測讀一次，現(xiàn)場繪制A-lgt曲線，直到S型曲線出現(xiàn)第二個拐點后終止試驗。河南城建學院巖土工程測試技術

DMT-A2消散試驗與DMT-1消散試驗相似，區(qū)別在于需要進行一個完整的扁鏟測脹試驗測試之后讀A值。

1）貫入試驗深度后按正常的扁鏟側脹試驗測讀A、B、C一個循環(huán)，然后只讀A值，記為A2，并記錄相應的時間；

2）分別在時間間隔1、2、4、8、15、30、90min測讀一次A讀數(shù)，以后每90min測讀一次，現(xiàn)場繪制A2-lgt曲線，消散試驗持續(xù)到能夠發(fā)現(xiàn)t50后終止試驗。河南城建學院巖土工程測試技術河南城建學院巖土工程測試技術第五節(jié)試驗數(shù)據(jù)整理一、實測數(shù)據(jù)修正

試驗所得到A、B、C值，僅為對應位置時扁鏟內(nèi)部的氣壓，須將其換算成實際位置的土壓力。定義p0為扁鏟感應盤面處即“零位置”處的接觸土壓力，p1為膜片位移為1.10mm時即B位置處的土壓力，p2為膜片回復至A位置時的終止土壓力，則：ZM——壓力表在大氣壓下的零讀數(shù)。河南城建學院巖土工程測試技術二、扁鏟試驗的基本參數(shù)

1.土性指數(shù)ID

2.水平應力指數(shù)KD3.扁鏟側脹模量ED

4.側脹孔壓指數(shù)UD河南城建學院巖土工程測試技術BJ40孔ID、MDMT、ED、KD隨深度h變化曲線河南城建學院巖土工程測試技術三、巖土參數(shù)評價

1.土的狀態(tài)和應力歷史

土的分類和土的重度

從求得的壓力p0和p1發(fā)現(xiàn)，在粘性土中p0和p1的值比較接近，在砂土中相差比較大。Marchetti根據(jù)土性指數(shù)ID對土體進行分類。確定土的重度見課本P113圖8-2。

土類泥炭或靈敏粘土粘土粉質(zhì)粘土粉土砂土ID值ID<0.10.1≤ID<0.30.3≤ID<0.60.6≤ID<1.8ID>1.8判別土類的ID值河南城建學院巖土工程測試技術ID隨深度h變化曲線測試場地ID離散點圖河南城建學院巖土工程測試技術

超固結比OCR

粘性土的OCR根據(jù)水平應力指數(shù)KD來確定。正常固結粘性土中KD≈2。對KD的測試結果有助于認識沉積土層的應力歷史。

OCRDMT=（0.5KD）1.56對于未膠結、顆粒級配良好的飽和土，當ID<1.2時上式成立，對于具有膠結的構造土來說，關系式不成立。

砂土的OCR比較復雜，只能靠近似的方法進行估計?？捎肕DMT/qc近似估計OCR，正常固結土中比值介于5~10，在超固結土中比值的范圍是12~24。河南城建學院巖土工程測試技術

靜止側壓力系數(shù)K0

側脹水平應力指數(shù)與土的靜止側壓力系數(shù)有很好的相關性，對于粘性土，Marchetti提出的K0統(tǒng)計式為：K0=（KD/1.5）0.47-0.6

我國鐵路原位測試規(guī)程建議的估算靜止側壓力系數(shù)的經(jīng)驗關系式為：K0=0.30KD

0.54

對于砂土的K0-KD的關系取決于砂土的內(nèi)摩擦角或相對密度。Baldi通過對Marchetti的K0-qc-KD關系圖修正得出：

K0=0.376+0.095KD-0.0017qc/σ

′v0

一般對于比較老的砂層取-0.005，對新堆積的砂層則取0.002。河南城建學院巖土工程測試技術2.土的強度參數(shù)

不排水抗剪強度

Marchetti提出的計算cu的表達式：cu=0.22σ

′v0

（0.5KD

）1.25

利用上述公式計算的不排水抗剪強度與十字板剪切試驗測出的值進行對比，上述公式計算出的值稍微偏小，并且有局限性，但是還是比較精確可靠的。河南城建學院巖土工程測試技術

砂土的內(nèi)摩擦角

根據(jù)課本P116圖8-16的關系曲線可以確定φ

值。還可以建立以下近似關系式：φ

safe，DMT=28°+14.6°×lgKD-2.1°×lg2KD

3.

土的變形參數(shù)

扁鏟側脹模量M

扁鏟側脹模量M是一維豎向排水條件下的變形對σ

′v0

的切線模量，記為MDMTMDMT=RMEDRM是ID和KD的函數(shù)，估計表達式見表8-5。河南城建學院巖土工程測試技術由DMT試驗和高精度的土工試驗得出的M比較河南城建學院巖土工程測試技術

楊氏模量E

楊氏模量E可以根據(jù)彈性理論由MDMT推算出來：μ=0.25~0.30,此時，E≈0.8MDMT。我國鐵路原位測試規(guī)程建議，對于△p≤100kPa的飽和粘性土可按下式計算:E=3.5ED河南城建學院巖土工程測試技術

土的側向基床系數(shù)Kh

陳國民根據(jù)扁鏟側脹試驗的結果按下式估算地基土的側向基床系數(shù)Kh：Kh=△p/△s由于扁鏟側脹試驗是小應變試驗，最大位移量僅為1.10mm，土體的變形處于彈性階段，估算的側向基床系數(shù)偏大，與實際受力狀態(tài)不同。根據(jù)室內(nèi)壓縮試驗和載荷試驗的應力應變形態(tài)，采用雙曲線擬合扁鏟側脹試驗的變形曲線形態(tài)，推導出實際工程中大應變條件下的側向基床系數(shù)：初始切線基床系數(shù)：Kh0=955△p變形曲線上任一點的割線基床系數(shù)：Khs=αtKh0（1-RsRf）Αt：加荷速率有關的修正系數(shù)；Rs：應力比，該點的應力與極限應力之比；Rf：破壞比，極限應力與破壞應力之比。河南城建學院巖土工程測試技術3.

土的水平固結系數(shù)ch

計算土的固結系數(shù)是通過扁鏟側脹試驗的消散試驗。探頭貫入到試驗深度后進行水平應力（主要是孔壓）消散，計算固結系數(shù)ch的過程:

繪制A-lgt曲線；

找出S形曲線的第二個轉折點，并確定對應的時間tflex；

根據(jù)下式計算土的水平固結系數(shù)ch≈7/tflex注意：上式對應的是超固結土，對于欠固結土來說，ch的值會有所下降。河南城建學院巖土工程測試技術第六節(jié)試驗成果的工程應用一、淺基礎沉降計算

預估淺基礎沉降是扁鏟側脹試驗最為重要的一個應用，特別是對很難取得未擾動土樣以及無法很好估計壓縮性的砂土來說，一般情況下，使用一維計算公式計算淺基礎的沉降：

△σv為附加應力增量，常由彈性力學中的布西奈斯克解求取。上述公式是基于線彈性理論，所估計沉降隨荷載成線性比例關系。在砂土中，對于筏板基礎通常采用一維彈性理論，而對于獨立基礎則采用三維彈性理論。很多學者認為，所有情況均可采用一維彈性理論進行計算。上式同樣適用于粘性土基礎的沉降計算。河南城建學院巖土工程測試技術基礎沉降量計算值與觀測值之比較河南城建學院巖土工程測試技術二、側向受荷樁的設計

依據(jù)扁鏟側脹試驗成果進行側向受荷樁的設計的關鍵是從扁鏟側脹試驗結果得出荷載與水平位移曲線P-y曲線。對于單樁設計，在發(fā)展中存在兩種方法：Robertson法和Marchetti法。

Robertson法是從室內(nèi)試驗獲得P-y曲線的方法轉變而來的，根據(jù)扁鏟側脹試驗結果得到土性參數(shù)，然后再得到P-y曲線。適用于砂土和粘土地基。在