岩土工程测试第七章扁铲侧胀试验.ppt

第七章第七章 扁铲侧胀试验扁铲侧胀试验第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述第二节第二节 试验的基本原理试验的基本原理第三节第三节 仪器设备及其工作原理仪器设备及其工作原理第四节第四节 试验方法与技术要求试验方法与技术要求第五节第五节 试验数据整理试验数据整理第六节第六节 试验成果的工程应用试验成果的工程应用1 第一节第一节 概述概述 扁铲侧胀试验（扁铲侧胀试验（Flat Dilatometer Test，简称，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试验。2 扁铲侧胀试验仪器扁铲侧胀试验仪器3 4 适用范围：适用范围：适用于软土、一般性粘土、粉土、黄土和松散适用于软土、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。土的坚硬程度或密实程度的增加，适宜性较差。扁铲侧胀试验成扁铲侧胀试验成果可用于果可用于评价土的类型评价土的类型确定粘性土的塑性状态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计算土的静止侧压力系数和侧向基床系数床系数5 第二节第二节 试验的基本原理试验的基本原理一、原理一、原理 使用静力均匀将扁铲探头压入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，气压通过气源传输气压和电信号，气压通过气源提供。提供。6 扁铲探头压入某一深扁铲探头压入某一深度，通过测控箱操作使膜度，通过测控箱操作使膜片充气膨胀，充气膨胀过片充气膨胀，充气膨胀过程读数：程读数：A读数，膜片鼓胀距离基读数，膜片鼓胀距离基座座0.05mm时的气压值；时的气压值；B读数，膜片鼓胀距离基读数，膜片鼓胀距离基座座1.10mm时的气压值；时的气压值；C读数，释放气压，膜片读数，释放气压，膜片回缩到距离基座回缩到距离基座0.05mm时的气压值。时的气压值。7 测控装置测控装置扁铲探头扁铲探头高压气瓶高压气瓶探头上刚膜片在土压力作用下探头上刚膜片在土压力作用下与基座紧贴，电路接通，测控与基座紧贴，电路接通，测控箱蜂鸣器响。箱蜂鸣器响。8 打开加压阀门，刚膜片在气打开加压阀门，刚膜片在气压压P作用下产生鼓胀，当蜂鸣作用下产生鼓胀，当蜂鸣器停止响的瞬间，膜片距离器停止响的瞬间，膜片距离基座基座0.05mm，此时读取，此时读取A读读数。数。P测控装置测控装置高压气瓶高压气瓶扁铲探头扁铲探头9 增大气压增大气压P，膜片继续鼓胀，膜片继续鼓胀达到距离基座达到距离基座1.10mm位置位置时，电路被接通，蜂鸣器再时，电路被接通，蜂鸣器再次响起，此时的气压值即为次响起，此时的气压值即为B读数。读数。测控装置测控装置高压气瓶高压气瓶扁铲探头扁铲探头P10 扁铲探头扁铲探头测控装置测控装置高压气瓶高压气瓶减小气压减小气压P，膜片收缩，蜂，膜片收缩，蜂鸣器响声停止，收缩到距离鸣器响声停止，收缩到距离基座基座0.05mm位置时，电路位置时，电路被接通，蜂鸣器再次响起，被接通，蜂鸣器再次响起，此时的气压值即为此时的气压值即为C读数。读数。11 二、理论解释二、理论解释 扁铲测胀试验中膜片变形量较小，将其视为弹性扁铲测胀试验中膜片变形量较小，将其视为弹性变形过程。变形过程。膜片向外鼓胀假设为在无限弹性介质内部，在膜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片上施加均布荷载p，如果弹性介质的弹性模量为，如果弹性介质的弹性模量为E，泊松比为泊松比为u，膜片上任一点的位移量，膜片上任一点的位移量S为：为：式中式中 R 钢膜片的半径；钢膜片的半径；r膜片上任一点到膜片中心点的距离。膜片上任一点到膜片中心点的距离。12 当当r=0，式中，式中，R、S(0)分别为膜片的半径和膜片中心的位移量，分别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为膜片从基座鼓胀到距基座1.10mm时的压力增量时的压力增量（p1-p0），该式），该式p表示增量与测试土的性质表示增量与测试土的性质直接相关。直接相关。13 第三节第三节 仪器设备及其工作原理仪器设备及其工作原理一、扁铲探头一、扁铲探头 1.扁铲探头和弹性钢膜片扁铲探头和弹性钢膜片14 2.探头的工作原理探头的工作原理 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，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，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。上的蜂鸣器响起。蜂鸣声停止（读数蜂鸣声停止（读数A）蜂鸣声再响起（读数蜂鸣声再响起（读数B）减压，蜂鸣声再次响起（读减压，蜂鸣声再次响起（读C读数）读数）15 二、测控箱二、测控箱 1.组成组成16 2.压力计压力计 平行连接两个量程不同的压力计，一个小量程的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（），一个大量程的（6MPa），小量程压力计达），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。软弱到坚硬的土层。3.气流控制阀气流控制阀 总阀：关闭或开启气源与探头控制系统的连接；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；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；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慢速排气阀：缓慢释放气流以获取C读数。读数。17 4.电路电路 指示扁铲探头的开指示扁铲探头的开-闭状态，提供可视的检流计信号闭状态，提供可视的检流计信号和声音信号。和声音信号。5.气电管路气电管路 由厚壁、小直径、耐高压的尼龙管制成，内贯穿铜由厚壁、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，质导线，两端连接专用接头用于输送气压和传递电信号，每根长约每根长约25m。18 三、气压源三、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，充气干燥的空气或氮气，充气15MPa的的10L气压瓶，在中等密实气压瓶，在中等密实度土用度土用25m长气电管路做试验，一般可进行长气电管路做试验，一般可进行1000个测点，试个测点，试验点间距验点间距0.2m，则试验总长，则试验总长200m。四、贯入设备四、贯入设备 一般采用静力触探机具，贯入速率应控制在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。较坚硬粘性土或较密实的砂土层可采用标贯机具。19 第四节第四节 试验方法与技术要求试验方法与技术要求一、膜片的标定一、膜片的标定u 膜片的标定是为了克服膜片本身的刚度对试验结果的影膜片的标定是为了克服膜片本身的刚度对试验结果的影响，通过标定可以得到膜片的标定值响，通过标定可以得到膜片的标定值A和和B，可用于对，可用于对A、B、C读数进行修正；读数进行修正；u A是采用率定气压计通过对扁铲探头抽真空，使膜片从自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由位置回缩到距离基座0.05mm时所需的压力；时所需的压力；u B是是通过对扁铲探头充气，使膜片从自由位置到通过对扁铲探头充气，使膜片从自由位置到B点时所点时所需的气压力。需的气压力。20 1.标定过程标定过程u A：关闭排气阀，用率定气压计对扁铲探头抽气，膜片在：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，待蜂鸣声响起大气压力作用下从自然位置移向基座，待蜂鸣声响起（此时（此时膜片离基座小于膜片离基座小于0.05mm）停止抽气；缓慢加压直到蜂鸣声停停止抽气；缓慢加压直到蜂鸣声停止时止时（膜片离基座为（膜片离基座为0.050.02mm）记下测控箱的读数，即为记下测控箱的读数，即为A。u B：读取：读取A读数后继续对扁铲探头施加压力，直到蜂鸣读数后继续对扁铲探头施加压力，直到蜂鸣器再次响起器再次响起（膜片离基座为（膜片离基座为1.100.03mm）时的气压值即为时的气压值即为B。注：标定过程，抽气和加压均应缓慢进行。注：标定过程，抽气和加压均应缓慢进行。21 2.A和和B 的合理范围的合理范围u A：在：在525kPa之间，理想的值为之间，理想的值为15kPa。u B：在：在10110kPa之间，理想的值为之间，理想的值为40kPa。3.膜片的老化处理膜片的老化处理u 利用标定气压计对新膜片缓慢加压至蜂鸣器响（利用标定气压计对新膜片缓慢加压至蜂鸣器响（B位置，位置，膨胀膨胀1.100.03mm）时，记录下）时，记录下B值，连续数次，若值，连续数次，若B允允许范围之内，不必进行老化处理，若不在此范围，加压至许范围之内，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，蜂鸣器响后，排气降压至零。用300kPa的气压循环的气压循环老化几次，老化几次，B值达到允许范围，则停止老化。值达到允许范围，则停止老化。u 若若B 的值以的值以300kPa的压力值老化处理后仍偏高，可以的压力值老化处理后仍偏高，可以用每级用每级50kPa递升重复老化，直到递升重复老化，直到B 的值降到标定范围之内，的值降到标定范围之内，最大压力不应超过最大压力不应超过600kPa。22 二、试验步骤二、试验步骤1.准备工作准备工作u 气电管路在探杆上的连接。静力触探贯入探头时管路贯穿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。绑在钻杆上。u 逐根连接探杆。逐根连接探杆。u 检查测控箱、气压源等设备是否完好，提前估算气压源是检查测控箱、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。否满足测试的要求，彼此用气电管路连接。u 地线接到测控箱的地线插座上，另一端接到探杆或贯入机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。具基座上。u 检查电路是否连通。检查电路是否连通。23 2.测试过程测试过程u 扁铲探头贯入速率应控制在扁铲探头贯入速率应控制在2cm/s左右，试验点的间距取左右，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。贯入过程中排气阀始终是打开的。当探头达到预定深度后：深度后：1）关闭排气阀，缓慢打开微调阀，当蜂鸣器停止响的瞬间）关闭排气阀，缓慢打开微调阀，当蜂鸣器停止响的瞬间记下记下A读数气压值；读数气压值；2）继续缓慢加压，直到蜂鸣器响时，记下）继续缓慢加压，直到蜂鸣器响时，记下B读数气压值；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）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。坏膜片；贯入下一点指定深度，重复下一次试验。u 加压速率应控制在一定范围，压力从加压速率应控制在一定范围，压力从0到到A值应控制在值应控制在15s之之内测得，内测得，B值应在值应在A读数后的读数后的1520s之间获得，之间获得，C值在值在B读数后读数后1min获得。获得。注：这个速率是在气电管路注：这个速率是在气电管路25m长的加压速率。长的加压速率。24 u 试验过程中应注意校核差值（试验过程中应注意校核差值（B-A）是否出现）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。，如果出现，应停止试验，检查原因，是否需要更换膜片。u 试验结束后应对扁铲探头进行标定，获得试验后的试验结束后应对扁铲探头进行标定，获得试验后的A和和B。注：注：A和和B应在允许范围之内，且试验前后应在允许范围之内，且试验前后A和和B相差不应超过相差不应超过25kPa，否则实验数据不能使用。，否则实验数据不能使用。25 三、消散试验三、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）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：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 和和DMT-C。u DMT-A消散试验消散试验 1）将扁铲贯入到试验深度，缓慢加压并启动秒表，蜂鸣器）将扁铲贯入到试验深度，缓慢加压并启动秒表，蜂鸣器响时读取响时读取A读数并记录下所需的时间读数并记录下所需的时间t，立即释放压力回零；，立即释放压力回零；2）分别在时间间隔）分别在时间间隔1、2、4、8、15、30、90min测读一次测读一次A读数，以后每读数，以后每90min测读一次，现场绘制测读一次，现场绘制A-lgt曲线，直到曲线，直到S型型曲线出现第二个拐点后终止试验。曲线出现第二个拐点后终止试验。26 u DMT-A2消散试验消散试验 与与DMT-1消散试验相似，区别在于需要进行一个完整的扁消散试验相似，区别在于需要进行一个完整的扁铲测胀试验测试之后读铲测胀试验测试之后读A值。值。1）贯入试验深度后按正常的扁铲侧胀试验测读）贯入试验深度后按正常的扁铲侧胀试验测读A、B、C一一个循环，然后只读个循环，然后只读A值，记为值，记为A2，并记录相应的时间；，并记录相应的时间；2）分别在时间间隔）分别在时间间隔1、2、4、8、15、30、90min测读一次测读一次A读数，以后每读数，以后每90min测读一次，现场绘制测读一次，现场绘制A2-lgt曲线，消散试曲线，消散试验持续到能够发现验持续到能够发现t50后终止试验。后终止试验。27 28 第五节第五节 试验数据整理试验数据整理一、实测数据修正一、实测数据修正 试验所得到试验所得到A、B、C值，仅为对应位置时扁铲内部的气值，仅为对应位置时扁铲内部的气压，须将其换算成实际位置的土压力。定义压，须将其换算成实际位置的土压力。定义p0为扁铲感应盘为扁铲感应盘面处即面处即“零位置零位置”处的接触土压力，处的接触土压力，p1为膜片位移为为膜片位移为1.10mm时即时即B位置处的土压力，位置处的土压力，p2为膜片回复至为膜片回复至A位置时的终止土压位置时的终止土压力，则：力，则：ZM压力表在大气压下的零读数。压力表在大气压下的零读数。29 二、扁铲试验的基本参数二、扁铲试验的基本参数 1.土性指数土性指数ID 2.水平应力指数水平应力指数KD 3.扁铲侧胀模量扁铲侧胀模量ED 4.侧胀孔压指数侧胀孔压指数UD30 BJ40 孔孔 ID、MDMT、ED、KD随深度随深度 h 变化曲线变化曲线31 三、岩土参数评价三、岩土参数评价 1.土的状态和应力历史土的状态和应力历史n 土的分类和土的重度土的分类和土的重度 从求得的压力从求得的压力p0和和p1发现，在粘性土中发现，在粘性土中p0和和p1的值比的值比较接近，在砂土中相差比较大。较接近，在砂土中相差比较大。Marchetti根据土性指数根据土性指数ID对土体进行分类。确定土的重度见课本对土体进行分类。确定土的重度见课本P113图图8-2。土类泥炭或灵敏粘土粘土粉质粘土粉土砂土ID值ID 0.10.1ID 0.30.3ID 0.60.6ID 1.8判别土类的判别土类的ID值值32 ID随深度随深度h变化曲线变化曲线测试场地测试场地ID离散点图离散点图33 n 超固结比超固结比OCR 粘性土的粘性土的OCR根据水平应力指数根据水平应力指数KD来确定。正常固结来确定。正常固结粘性土中粘性土中KD2 2。对。对KD的测试结果有助于认识沉积土层的应的测试结果有助于认识沉积土层的应力历史。力历史。OCRDMT=（0.5KD）1.56 对于未胶结、颗粒级配良好的饱和土，当对于未胶结、颗粒级配良好的饱和土，当ID2，如果发现在超固结粘土中如果发现在超固结粘土中 KD2的情况，则该土层很可能是的情况，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：图所示：45 四、检验地基处理效果四、检验地基处理效果 Schmertmann(1986 年年)首先提出利用扁铲侧胀试验首先提出利用扁铲侧胀试验的竖向压缩模量的竖向压缩模量 MDMT检验地基处理效果。发现在压缩前检验地基处理效果。发现在压缩前后地基土的竖向压缩模量后地基土的竖向压缩模量 MDMT有显著提高有显著提高.利用MDMT检验地基处理效果 DMT 与 CPT 检验效果的比较46 五、液化判别五、液化判别 Marchetti(1982 年年)研究发现了利用扁铲侧胀试验的研究发现了利用扁铲侧胀试验的水平应力指数水平应力指数 K D判定砂土液化的方法。判定砂土液化的方法。Robertson和和Campanella(1986年年)在研究地基土液化时发现在研究地基土液化时发现Marchetti的的判别方法并不安全，并重新提出了自己的判别方法。判别方法并不安全，并重新提出了自己的判别方法。1991年，年，Reyna在研究了扁铲侧胀试验、标贯试验及砂土的密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实度的关系后，提出了利用循环应力比av/v0判定砂土液判定砂土液化的新的判别式：即当化的新的判别式：即当av/v0 0.027K D1.5时液化，反时液化，反之则不液化。下图为三种方法的比较，可以看出之则不液化。下图为三种方法的比较，可以看出 Reyna 法法界于另外两种方法之间，界于另外两种方法之间，Marchetti 在在 1991 年建议使用年建议使用 Reyna 法来判定砂土的液化。法来判定砂土的液化。47 利用 KD判断液化48