基于扁铲侧胀试验计算土体压缩模量分析.doc

摘 要: 通过对无锡地铁 2 号线详勘阶段扁铲数据进行统计分析，并与土工试验结果进行对比，把国外的经验与无锡地区的土性相结合，总结出无锡地区扁铲侧胀试验数据推导土体压缩模量的经验公式，对无锡地区扁铲侧胀试验技术的发展以及实际勘察、设计、施工等具有一定的参考价值。 关键词: 扁铲侧胀试验; 土工试验; 压缩模量; 曲线拟合的最小二乘法 扁铲侧胀试验( DMT) 是 20 世纪 70 年代由意大利 Aguila 大学教授 Marchetti 创立的一种原位测试方法。该方法适用于软土、一般黏性土、粉土、黄土和松散 -中密的沙土。由于扁铲侧胀试验操作简捷、重复性好、可靠性高且经济，故在国外发展很快，欧洲Eurocode7 ( 1997) 和美国ASTM ( 1986) 已将其作为一种标准的原位测试技术［1］。我国于 1998年开始引进和使用这项技术，并将其编入国家标准《岩土工程勘察规范》( GB 50021—2001) 。但由于该试验在我国开展较晚，除上海［2］、天津［3］等地有较多研究成果和工程经验外，其他地区相关经验较少。 扁铲侧胀试验在无锡地区的应用主要从 2009年开始，并在无锡地铁 2 号线的勘察任务中大量应用。 文中主要通过对无锡地铁2 号线详勘阶段扁铲数据进行统计分析，并与土工试验结果进行对比，把国外的经验与无锡地区的土性相结合，总结出无锡地区扁铲侧胀试验数据推导土体压缩模量的经验公式。 1 试验的设备和方法 扁铲侧胀试验的试验设备主要包括扁铲探头、电器管路、测控箱、测控仪、压力源、贯入设备等( 见图 1［4］) 。 扁铲探头一侧板面上装有一直径为 60 mm 的圆形不锈钢弹性膜片，膜片内侧装有一套感应装置，并与气电管路相通。试验时，利用静力触探设备或液压钻机将探头压入土中，到达试验深度后，加气压使弹性膜片膨胀，并利用测压设备( 压力表或数字仪) 测量气压。测得膜片初始位置( 位移 0． 05mm) 的侧压力 P0，膜片位移 1． 1 mm 时的膨胀侧压力P1，膜片收缩至初始位置( 位移0． 05 mm) 的侧压力 P2。 当扁铲探头侧面的膜片侧向膨胀时，土体发生微小侧向位移变形，可认为土体的变形是在弹性变形范围内。根据弹性力学理论，可建立土体侧向变形的位移与压力的关系［1］。扁铲试验时膜片向外扩张，可以假设为在无限弹性介质中在圆形面积上施加均布荷载 ΔP，如果弹性介质的弹性模量为 E，泊松比为 μ，膜上任意一点的外移量为 s( r) ，则有 式( 1) 中，R 为圆膜的半径( 30 mm) ，r 为膜上任意一点到膜中心点的距离。 当 r = 0 时，由式( 1) 可得膜片中心点的位移量s( o) : 如果把 E/( 1 － μ2) 定义为侧胀模量 ED，当ΔP = P1－ P0时，s( o) 为 1． 10 mm，可以得到 ED= 34． 7( P1－ P0) ( 3) 作用在膜片上的水平有效应力 P0与竖向有效应力 σ 之比可定义为水平应力指数 KD: 式( 4) 中，U0为孔隙水压力( kPa) ，σV0为土体竖向有效应力( kPa) 。 根据 Marchetti 提出的理论，膜片中心外移 1． 1mm 所需的压力值反映了不同土的类型，定义 ID为材料指数，可根据 ID土类进行划分［5］ 2 工程实例 2． 1 工程区域地层概况 无锡地铁 2 号线整体呈东西向，穿越了无锡 5个主要城区。建设场地浅部土层以黏性土为主，各土层水平向分布较稳定，地下水水位在地表下1 ～ 2m 左右。根据勘察资料，按时代成因、沉积类型划分主层序，用 ①，②，③… 表示，根据岩性土类、物理指标、工程特性差异划分亚层。本工程中扁铲侧胀试验主要涉及的土层如表 1 所示［6］。 2． 2 扁铲侧胀试验与土工试验成果对比 无锡地铁2 号线项目共布置扁铲侧胀试验孔24个，单孔试验点间距 0． 5 m，最大试验深度 25 m，试验点共计 1 200 个。通过对扁铲侧胀试验数据的统计分析，并结合国内外的经验，将扁铲侧胀试验得出的压缩模量与土工试验得出的压缩模量进行对比。 根据 Marchetti 提出的公式，压缩模量计算公式如下［7］: ES( DMT)= RmED ( 6) 式中，Rm为与水平应力指数 KD有关的函数，具体如下: 当 ID≤ 0．6，Rm= 0．14 + 2． 36lgKD