软弱地基土工程特性的扁铲侧胀试验分析

摘要：扁铲侧胀试验是在不破坏土的原始应力条件下获得土的水平向基床系数参数的一种有效方法，本文重点就软弱地基土工程特性的扁铲侧胀试验经行分析，以供同仁参考。

关键词：扁铲侧胀试验 软弱地基 水平向基床系数

中图分类号：TU47 文献标识码：A

前言

改革开放以来，我国的沿海城市得到了迅猛发展,在城市建筑工程建设过程中，需要从业人员对沿海地区的工程地质有一个深入的了解和研究。沿海城市地质地层常常表现为深厚的滨海沉积软土层。学者们通过大量的室内试验对滨海沉积软土的物理力学性质已经有了比较清楚的认识, 但是室内试验并不能完全代表原始应力状态下土体的力学特性。室内试验的试样常常受到扰动, 这使得室内试验所测得的力学指标失去了真实性。然而, 原位试验可以弥补室内试验这方面的不足。要取得可靠的土质参数, 只有通过原位测试。原位测试不同于室内简单应力条件下的试验, 不能从试验结果直接求出某一参数, 而是通过反馈分析的办法间接求出参数。本文将重点介绍软弱地基土工程特性的扁铲侧胀试验的成果和相关的研究分析。

1、试验原理及方法

目前工程上常用的测定土的水平向基床系数的方法有室内的三轴试验法、原位荷载板试验等。但室内试验时会破坏了原状土的结构和原始应力，原位荷载板试验会受到荷载板尺寸的影响（K值随着基础宽度B的增加而有所减小）。扁铲侧胀仪试验是一种特殊形式的旁压试验, 通过静力或锤击动力将扁铲形探头贯入土中, 达到试验深度后, 利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行测试。通过扁铲侧胀试验推求地基水平向基床系数，具有对土体扰动小、试验点连续、经济、快速和试验误差小等优点。在试验过程中, 当钢膜扩张到特定位置时测出膜片所受的相应气压值A、B 和C, 从而获得土体受力与变形关系。一般三个压力计数A、B、C 可在贯入后1m in内完成。试验前应进行膜片约束力的标定。通过膜片约束力的标定ΔA、ΔB 以及试验测得A、B、C 可以得出各测试深度的土压力值。则据压力B 修正为p1 (膜中心外移1110mm)的计算式为:

p1 = B - zm- ΔB

p0 = 1.05(A - zm+ ΔA) - 0.05(B - zm - ΔB)

p2 = C - zm + ΔA

式中: zm 压力表的零计数(在气压下);

p0膜中心无外移(外移0.00mm) 压力表读数;

p2 膜中心外移后又收缩到初始外移0.05mm的位置时压力表读数。

根据扁铲侧胀试验可以确定土的岩土技术的多个参数, 并为路基、浅基、深基等岩土工程问题作出评价。

工程地质条件

试验场地为沿海城市，地貌类型为为河口、砂嘴、砂岛。 自上而下主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成, 具有成层分布特点。

3、试验成果分析

试验成果依据上海市工程建设规范《DGJ08- 37- 2002岩土工程勘察规范》中9.8.4条及相应的条文说明进行扁铲侧胀试验成果估算。

根据p0、p1、p2 计算DMT指数:土类指数: ID = (p 1 - p0 )/ (p0 - u0 )

水平应力指数: KD = (p0 - u0 )/V0

扁铲模量: ED = 34.7 (p1 - p0)

孔压指数: UD =( p2 - u0 )/ (p0 - u0)

侧向基床系数(kN/):

KH = (p1 - p0 )/Δs, Δs = 0.00105m

式中: u0静水压力;v0有效上覆土压力。扁铲侧胀试验成果见表1。

通过DMT指数ID 和ED, 可以对土进行土类的划分(表2)。图1为一个测试孔的ID、ED 随深度的变化曲线。由图3可以看出, 34m范围内的ID 都小于1.0,12~ 18m土层的ID值在0.35左右, 为粘土或粉质粘土,与之相对应的ED则在3左右。而在0~ 12m和29m 以下ID 和ED 值起伏较大, 这是因为这两个深度范围内土层性质变化较大,扁铲指数ID可以很好地反映土类特性,与勘测结果一致。

图1扁铲侧胀试验成果图 图2 扁铲侧胀试验与静力触探试验成果图

由扁铲侧胀试验成果可以看出, 土层水平应力指数KD 随深度的增加而减小, 从8.23 逐渐减小到1.19, 有减小到1的趋势, 说明土层水平压力与覆盖土层有效压力相差逐渐减小, 最终趋于相等, 土层深部土体趋于各向等压的状态。扁铲侧胀模量ED 则与土层特性关系密切, 不同的土层中ED 变化显著; 在砂质粉土、粉质粘土、粘质粉土以及粉砂中ED 值较大, 而在淤泥质土、淤泥质粘土和粘土中ED 值较小; ED 表现出与土性明显相关的特性, 可以与土类指数ID 共同使用进行土类的划分。静止侧压力系数K 0 也表现出来与土层特性明显相关的性质, K0 随土类指数ID 的增大而减小, 具体变化范围在0.31~ 0.57之间。

图2为扁铲试验成果图和静力触探试验成果图。由图1、图2可知, 从6~ 29m 深度, p0、pl 都呈线性增长, 表明土的初始压力和膜中心外移1.10mm 时的压力都有所增长, 且二者的增幅几乎相等, 即Δp 基本上维持不变。因此, 侧胀模量ED、水平应力指数KD 也相对稳定, 变化不大。这是因为6~29m 深度土层厚度比较大, 土性基本不变为淤泥质土, 仅在10~ 12m处出现粘质粉土。与静力触探试验结果较为一致。在静力触探试验成果图中, 试验深度从6~10m,qc、fs 测试值基本呈线性增长, 但是存在一些波动; 而在12~28m深度,土层强度随深度呈线性增长。通过扁铲侧胀试验与静力触探试验结果的对比表明, 扁铲试验与静力触探试验是一致的,试验结果可靠。

由表3可以看出, 扁铲侧胀试验测得的侧向基床反力系数KH 较旁压试验测得的侧向基床反力系数KH大(表3)。这是因为扁铲侧胀试验中, KH 是在小变形情况下计算出的, 最大位移量仅1.1mm, 土体变形近似处于弹性阶段或为拟弹性阶段, 代表了土体在似弹性阶段的侧向基床反力系数, 因此用扁铲侧胀试验得到的侧向基床反力系数常大于工程使用的K H 值。而旁压试验测得的KH 是一个变化的数值,其反映的是土体变形直到破坏的全过程, 是土体在变形时刻的侧向基床反力系数, 更能反映土体受力变形的真实情况。因此, 两者测得的KH 值会有一定的差异,这种差异在不同的土层中表现不尽相同。在粘土层和粘质粉土夹粉质粘土层中, 扁铲侧胀试验测得的KH 值为旁压试验测得KH 值的两倍左右; 而在淤泥质粉质粘土、粘质粉土、淤泥质粘土等土层中, 扁铲侧胀试验测得的KH值为旁压试验测得的KH 值2.27 ~ 3.58倍; 砂质粉土和粉砂中甚至超过8倍。由此可见,用扁铲侧胀试验获得的KH 值常常偏大。因此, DMT试验测得的KH值在粘土层、粘质粉土夹粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、淤泥质粘土等土层中可以使用, 但使用时应结合规范等方式进行; 而在砂质粉土和粉砂等土层中测得的KH 值与真实值相差较大,不宜使用。

4、结论

扁铲侧胀试验与静力触探试验结果一致, 试验结果可靠, 具有操作简单、快速、土层扰动小等特点, 可以同时快速地获取土类指数、水平应力指数、扁铲模量、孔压指数、侧向基床反力系数KH 等多个参数, 可为地基基础等工程的设计提供可靠的依据。在确定侧向基床反力系数KH 时, 与旁压试验相比, 扁铲侧胀试验得到的KH 值常常偏大。在粘土层、粘质粉土夹粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、淤泥质粘土等土层中K H 与真实值相差较小可以使用,但使用中应同时结合规范等方式进行; 而在砂质粉土和粉砂等土层中KH 与真实值相差较大, 不宜使用。

参考文献：

1、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001 2009）

2、朱帆济,於李军.扁铲侧胀试验确定软土静止侧压力系数[J].市政技术,2008, 26(2):157-159.

3、上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（DGJ08-37-2002、J10206-2002）

4、林华国, 唐世栋. 上海地区软土层侧向基床反力系数规律性研究[ J]. 岩土工程学报, 2004,26(4):495- 499.