岩土工程测试第七章扁铲侧胀试验.ppt

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1、第七章 扁铲侧胀试验,第一节 概述第二节 试验的基本原理第三节 仪器设备及其工作原理第四节 试验方法与技术要求第五节 试验数据整理第六节 试验成果的工程应用,河南城建学院,岩土工程测试技术,第一节 概述,扁铲侧胀试验（Flat Dilatometer Test，简称DMT）是20世纪70年代末意大利人Silvano Marchetti提出的一种原位测试方法。是利用静力或锤击动力将一扁平铲形探头压入土中，达到预定试验深度后，利用气压使扁铲探头上的钢膜片侧向膨胀，分别测得膜片中心侧向膨胀不同距离（分别为0.05mm和1.10mm）时的气压值，根据测得的压力与变形之间的关系，获得地基土参数的一种现场

2、试验。,河南城建学院,岩土工程测试技术,扁铲侧胀试验仪器,河南城建学院,岩土工程测试技术,河南城建学院,岩土工程测试技术,适用范围：适用于软土、一般性粘土、粉土、黄土和松散-中密的砂土，一般在软弱松散土中适宜性好，随着土的坚硬程度或密实程度的增加，适宜性较差。,扁铲侧胀试验成果可用于,评价土的类型,确定粘性土的塑性状态,计算土的静止侧压力系数和侧向基床系数,河南城建学院,岩土工程测试技术,第二节 试验的基本原理,一、原理 使用静力均匀将扁铲探头压入土中，通过气电管路给地表测控箱传输气压和电信号，气压通过气源提供。,河南城建学院,岩土工程测试技术,扁铲探头压入某一深度，通过测控箱操作使膜片充气膨

3、胀，充气膨胀过程读数：A读数，膜片鼓胀距离基座0.05mm时的气压值；B读数，膜片鼓胀距离基座1.10mm时的气压值；C读数，释放气压，膜片回缩到距离基座0.05mm时的气压值。,河南城建学院,岩土工程测试技术,测控装置,扁铲探头,高压气瓶,探头上刚膜片在土压力作用下与基座紧贴，电路接通，测控箱蜂鸣器响。,河南城建学院,岩土工程测试技术,打开加压阀门，刚膜片在气压P作用下产生鼓胀，当蜂鸣器停止响的瞬间，膜片距离基座0.05mm，此时读取A读数。,P,测控装置,高压气瓶,扁铲探头,河南城建学院,岩土工程测试技术,增大气压P，膜片继续鼓胀达到距离基座1.10mm位置时，电路被接通，蜂鸣器再次响起，

4、此时的气压值即为B读数。,测控装置,高压气瓶,扁铲探头,P,河南城建学院,岩土工程测试技术,扁铲探头,测控装置,高压气瓶,减小气压P，膜片收缩，蜂鸣器响声停止，收缩到距离基座0.05mm位置时，电路被接通，蜂鸣器再次响起，此时的气压值即为C读数。,河南城建学院,岩土工程测试技术,二、理论解释,扁铲测胀试验中膜片变形量较小，将其视为弹性变形过程。膜片向外鼓胀假设为在无限弹性介质内部，在膜片上施加均布荷载p，如果弹性介质的弹性模量为E，泊松比为u，膜片上任一点的位移量S为：式中 R 钢膜片的半径；r膜片上任一点到膜片中心点的距离。,河南城建学院,岩土工程测试技术,当r=0，,式中，R、S(0)分别

5、为膜片的半径和膜片中心的位移量，p为膜片从基座鼓胀到距基座1.10mm时的压力增量（p1-p0），该式p表示增量与测试土的性质直接相关。,河南城建学院,岩土工程测试技术,第三节 仪器设备及其工作原理,一、扁铲探头 1.扁铲探头和弹性钢膜片,河南城建学院,岩土工程测试技术,2.探头的工作原理 绝缘体将基座与扁铲体隔离，基座与测控箱电源正极相连，而刚膜片通过地线与测控箱的负极相连。在自然状态下，彼此之间被绝缘体分开，电路处于断开状态，膜片受土压力作用向内收缩与基座接触，或是受气压作用使膜向外膨胀，钢柱在弹簧作用下与基座接触时，电路形成回路，使测控箱上的蜂鸣器响起。蜂鸣声停止（读数A）蜂鸣声再响起（

6、读数B）减压，蜂鸣声再次响起（读C读数）,河南城建学院,岩土工程测试技术,二、测控箱 1.组成,河南城建学院,岩土工程测试技术,2.压力计 平行连接两个量程不同的压力计，一个小量程的（1MPa），一个大量程的（6MPa），小量程压力计达到慢量程时自动退出工作，能够较好的适应于不同的从软弱到坚硬的土层。3.气流控制阀 总阀：关闭或开启气源与探头控制系统的连接；微调阀：控制在试验中气体流量，也可以关闭气源 与探头控制系统的连接；肘接排气阀：迅速排除系统内的压力；慢速排气阀：缓慢释放气流以获取C读数。,河南城建学院,岩土工程测试技术,4.电路 指示扁铲探头的开-闭状态，提供可视的检流计信号和声音信号

7、。5.气电管路 由厚壁、小直径、耐高压的尼龙管制成，内贯穿铜质导线，两端连接专用接头用于输送气压和传递电信号，每根长约25m。,河南城建学院,岩土工程测试技术,三、气压源 试验用高压钢瓶储存的高压气体作为气压源，气体为干燥的空气或氮气，充气15MPa的10L气压瓶，在中等密实度土用25m长气电管路做试验，一般可进行1000个测点，试验点间距0.2m，则试验总长200m。四、贯入设备 一般采用静力触探机具，贯入速率应控制在20cm/min较坚硬粘性土或较密实的砂土层可采用标贯机具。,河南城建学院,岩土工程测试技术,第四节 试验方法与技术要求,一、膜片的标定,膜片的标定是为了克服膜片本身的刚度对试

8、验结果的影响，通过标定可以得到膜片的标定值A和B，可用于对A、B、C读数进行修正；A是采用率定气压计通过对扁铲探头抽真空，使膜片从自由位置回缩到距离基座0.05mm时所需的压力；B是通过对扁铲探头充气，使膜片从自由位置到B点时所需的气压力。,河南城建学院,岩土工程测试技术,1.标定过程 A：关闭排气阀，用率定气压计对扁铲探头抽气，膜片在大气压力作用下从自然位置移向基座，待蜂鸣声响起（此时膜片离基座小于0.05mm）停止抽气；缓慢加压直到蜂鸣声停止时（膜片离基座为0.050.02mm）记下测控箱的读数，即为A。B：读取A读数后继续对扁铲探头施加压力，直到蜂鸣器再次响起（膜片离基座为1.100.0

9、3mm）时的气压值即为B。注：标定过程，抽气和加压均应缓慢进行。,河南城建学院,岩土工程测试技术,2.A和B 的合理范围 A：在525kPa之间，理想的值为15kPa。B：在10110kPa之间，理想的值为40kPa。,3.膜片的老化处理 利用标定气压计对新膜片缓慢加压至蜂鸣器响（B位置，膨胀1.100.03mm）时，记录下B值，连续数次，若B允许范围之内，不必进行老化处理，若不在此范围，加压至300kPa，蜂鸣器响后，排气降压至零。用300kPa的气压循环老化几次，B值达到允许范围，则停止老化。若B 的值以300kPa的压力值老化处理后仍偏高，可以用每级50kPa递升重复老化，直到B 的值降

10、到标定范围之内，最大压力不应超过600kPa。,河南城建学院,岩土工程测试技术,二、试验步骤,1.准备工作 气电管路在探杆上的连接。静力触探贯入探头时管路贯穿探杆；钻机开孔锤击贯入探头，可按一定的间隔直接用胶带绑在钻杆上。逐根连接探杆。检查测控箱、气压源等设备是否完好，提前估算气压源是否满足测试的要求，彼此用气电管路连接。地线接到测控箱的地线插座上，另一端接到探杆或贯入机具基座上。检查电路是否连通。,河南城建学院,岩土工程测试技术,2.测试过程 扁铲探头贯入速率应控制在2cm/s左右，试验点的间距取2050cm。贯入过程中排气阀始终是打开的。当探头达到预定深度后：1）关闭排气阀，缓慢打开微调阀

11、，当蜂鸣器停止响的瞬间记下A读数气压值；2）继续缓慢加压，直到蜂鸣器响时，记下B读数气压值；3）立即打开排气阀，并关闭微调阀以防止膜片过分膨胀损坏膜片；贯入下一点指定深度，重复下一次试验。加压速率应控制在一定范围，压力从0到A值应控制在15s之内测得，B值应在A读数后的1520s之间获得，C值在B读数后1min获得。注：这个速率是在气电管路25m长的加压速率。,河南城建学院,岩土工程测试技术,试验过程中应注意校核差值（B-A）是否出现B-AA+B，如果出现，应停止试验，检查原因，是否需要更换膜片。试验结束后应对扁铲探头进行标定，获得试验后的A和B。注：A和B应在允许范围之内，且试验前后A和B相

12、差不应超过25kPa，否则实验数据不能使用。,河南城建学院,岩土工程测试技术,三、消散试验,在排水不畅的粘性土层中，由扁铲贯入引起的超孔压随着时间逐步消散，消散需要的时间远比一个试验点的时间（2min）要大。因此在不同时间间隔连续测定某一个读数可以反映出超孔压的消散情况。目前主要有三种消散试验：DMT-A、DMT-A2 和DMT-C。DMT-A消散试验 1）将扁铲贯入到试验深度，缓慢加压并启动秒表，蜂鸣器响时读取A读数并记录下所需的时间t，立即释放压力回零；2）分别在时间间隔1、2、4、8、15、30、90min测读一次A读数，以后每90min测读一次，现场绘制A-lgt曲线，直到S型曲线出现

13、第二个拐点后终止试验。,河南城建学院,岩土工程测试技术,DMT-A2消散试验 与DMT-1消散试验相似，区别在于需要进行一个完整的扁铲测胀试验测试之后读A值。1）贯入试验深度后按正常的扁铲侧胀试验测读A、B、C一个循环，然后只读A值，记为A2，并记录相应的时间；2）分别在时间间隔1、2、4、8、15、30、90min测读一次A读数，以后每90min测读一次，现场绘制A2-lgt曲线，消散试验持续到能够发现t50后终止试验。,河南城建学院,岩土工程测试技术,河南城建学院,岩土工程测试技术,第五节 试验数据整理,一、实测数据修正 试验所得到A、B、C值，仅为对应位置时扁铲内部的气压，须将其换算成实

14、际位置的土压力。定义p0为扁铲感应盘面处即“零位置”处的接触土压力，p1为膜片位移为1.10mm时即B位置处的土压力，p2为膜片回复至A位置时的终止土压力，则：,ZM压力表在大气压下的零读数。,河南城建学院,岩土工程测试技术,二、扁铲试验的基本参数 1.土性指数ID 2.水平应力指数KD 3.扁铲侧胀模量ED 4.侧胀孔压指数UD,河南城建学院,岩土工程测试技术,BJ40 孔 ID、MDMT、ED、KD随深度 h 变化曲线,河南城建学院,岩土工程测试技术,三、岩土参数评价 1.土的状态和应力历史 土的分类和土的重度 从求得的压力p0和p1发现，在粘性土中p0和p1的值比较接近，在砂土中相差比较

15、大。Marchetti根据土性指数ID对土体进行分类。确定土的重度见课本P113图8-2。,判别土类的ID值,河南城建学院,岩土工程测试技术,ID随深度h变化曲线,测试场地ID离散点图,河南城建学院,岩土工程测试技术,超固结比OCR 粘性土的OCR根据水平应力指数KD来确定。正常固结粘性土中KD2。对KD的测试结果有助于认识沉积土层的应力历史。OCRDMT=（0.5KD）1.56 对于未胶结、颗粒级配良好的饱和土，当ID1.2时上式成立，对于具有胶结的构造土来说，关系式不成立。砂土的OCR比较复杂，只能靠近似的方法进行估计。可用MDMT/qc近似估计OCR，正常固结土中比值介于510，在超固结

16、土中比值的范围是1224。,河南城建学院,岩土工程测试技术,静止侧压力系数K0 侧胀水平应力指数与土的静止侧压力系数有很好的相关性，对于粘性土，Marchetti提出的K0统计式为：K0=（KD/1.5）0.47-0.6 我国铁路原位测试规程建议的估算静止侧压力系数的经验关系式为：K0=0.30KD 0.54 对于砂土的K0-KD的关系取决于砂土的内摩擦角或相对密度。Baldi通过对Marchetti的K0-qc-KD关系图修正得出：K0=0.376+0.095KD-0.0017qc/v0 一般对于比较老的砂层取-0.005，对新堆积的砂层则取0.002。,河南城建学院,岩土工程测试技术,2.

17、土的强度参数 不排水抗剪强度 Marchetti提出的计算cu的表达式：cu=0.22 v0（0.5KD）1.25,利用上述公式计算的不排水抗剪强度与十字板剪切试验测出的值进行对比，上述公式计算出的值稍微偏小，并且有局限性，但是还是比较精确可靠的。,河南城建学院,岩土工程测试技术,砂土的内摩擦角 根据课本P116图8-16的关系曲线可以确定 值。还可以建立以下近似关系式：safe，DMT=28+14.6lgKD-2.1lg2KD,3.土的变形参数 扁铲侧胀模量M 扁铲侧胀模量M是一维竖向排水条件下的变形对 v0 的切线模量，记为MDMTMDMT=RMEDRM是ID和KD的函数，估计表达式见表8

18、-5。,河南城建学院,岩土工程测试技术,由DMT试验和高精度的土工试验得出的M比较,河南城建学院,岩土工程测试技术,杨氏模量E 杨氏模量E可以根据弹性理论由MDMT推算出来：,=0.250.30,此时，E0.8 MDMT。我国铁路原位测试规程建议，对于p100kPa的饱和粘性土可按下式计算:E=3.5ED,河南城建学院,岩土工程测试技术,土的侧向基床系数Kh 陈国民根据扁铲侧胀试验的结果按下式估算地基土的侧向基床系数Kh：Kh=p/s 由于扁铲侧胀试验是小应变试验，最大位移量仅为1.10mm，土体的变形处于弹性阶段，估算的侧向基床系数偏大，与实际受力状态不同。根据室内压缩试验和载荷试验的应力应

19、变形态，采用双曲线拟合扁铲侧胀试验的变形曲线形态，推导出实际工程中大应变条件下的侧向基床系数：初始切线基床系数：Kh0=955 p 变形曲线上任一点的割线基床系数：Khs=tKh0（1-RsRf）t：加荷速率有关的修正系数；Rs：应力比，该点的应力与极限应力之比；Rf：破坏比，极限应力与破坏应力之比。,河南城建学院,岩土工程测试技术,3.土的水平固结系数ch 计算土的固结系数是通过扁铲侧胀试验的消散试验。探头贯入到试验深度后进行水平应力（主要是孔压）消散，计算固结系数ch的过程:绘制A-lgt曲线；找出S形曲线的第二个转折点，并确定对应的时间tflex；根据下式计算土的水平固结系数ch7/tf

20、lex注意：上式对应的是超固结土，对于欠固结土来说，ch的值会有所下降。,河南城建学院,岩土工程测试技术,第六节 试验成果的工程应用,一、浅基础沉降计算 预估浅基础沉降是扁铲侧胀试验最为重要的一个应用，特别是对很难取得未扰动土样以及无法很好估计压缩性的砂土来说，一般情况下，使用一维计算公式计算浅基础的沉降：,v为附加应力增量，常由弹性力学中的布西奈斯克解求取。上述公式是基于线弹性理论，所估计沉降随荷载成线性比例关系。在砂土中，对于筏板基础通常采用一维弹性理论，而对于独立基础则采用三维弹性理论。很多学者认为，所有情况均可采用一维弹性理论进行计算。上式同样适用于粘性土基础的沉降计算。,河南城建学院

21、,岩土工程测试技术,基础沉降量计算值与观测值之比较,河南城建学院,岩土工程测试技术,二、侧向受荷桩的设计 依据扁铲侧胀试验成果进行侧向受荷桩的设计的关键是从扁铲侧胀试验结果得出荷载与水平位移曲线P-y曲线。对于单桩设计，在发展中存在两种方法：Robertson法和Marchetti法。Robertson法是从室内试验获得P-y曲线的方法转变而来的，根据扁铲侧胀试验结果得到土性参数，然后再得到P-y曲线。适用于砂土和粘土地基。在粘性土中，Marchetti法进行了改进，直接从实验结果获得P-y曲线：,河南城建学院,岩土工程测试技术,三、超固结粘土中边坡滑动面位置的确定 Tonali 等人(199

22、7 年)提出了根据扁铲侧胀试验所测 KD随深度变化曲线来确定超固结粘土中滑动面位置的方法。因为在正常固结土中，其K D值约为2，超固结粘土的 KD2，如果发现在超固结粘土中 KD2的情况，则该土层很可能是边坡滑动面的一部分。边坡的滑动、重聚、再固结的过程如图所示：,河南城建学院,岩土工程测试技术,四、检验地基处理效果 Schmertmann(1986 年)首先提出利用扁铲侧胀试验的竖向压缩模量 MDMT检验地基处理效果。发现在压缩前后地基土的竖向压缩模量 MDMT有显著提高.,利用MDMT检验地基处理效果 DMT 与 CPT 检验效果的比较,河南城建学院,岩土工程测试技术,五、液化判别 Mar

23、chetti(1982 年)研究发现了利用扁铲侧胀试验的水平应力指数 K D判定砂土液化的方法。Robertson和Campanella(1986年)在研究地基土液化时发现Marchetti的判别方法并不安全，并重新提出了自己的判别方法。1991年，Reyna在研究了扁铲侧胀试验、标贯试验及砂土的密实度的关系后，提出了利用循环应力比av/v0判定砂土液化的新的判别式：即当av/v0 0.027K D1.5时液化，反之则不液化。下图为三种方法的比较，可以看出 Reyna 法界于另外两种方法之间，Marchetti 在 1991 年建议使用 Reyna 法来判定砂土的液化。,河南城建学院,岩土工程测试技术,利用 KD判断液化,