不同原位测试手段在软黏土勘察中的应用

雷 磊，贾 宁，赖海林，徐晓青

（中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120）

扁 铲 侧 胀 试 验 （Flat Dilatometer Test，DMT）、T型触探试验和静力触探试验是三种快速准确、重复性好、经济适用的原位测试方法。DMT试验方法及其应用在国外发展很快，已经得到了多国的认可，我国陈国民于1998年利用国产DMT在上海软土地基首先开始应用，其后许多学者与岩土工程师将其应用于各地的民用建筑、地铁交通等的场地基础勘察中。

T型触探是近20年来在国外发展起来的一种软黏土不排水抗剪强度现场试验方法。该方法具有理论基础完备，不需要上覆压力修正，测试方法简便等优点，在软黏土勘测中得到越来越多的关注。传统T型触探试验探头截面为圆形，测试结果受表面粗糙度的影响较大，刘朝安等将圆形截面改为椭圆形，减小了粗糙表面对测试结果的影响。本文采用的探头为椭圆形截面探头。

静力触探试验是以静压力将圆锥形探头以一定速率匀速压入土中，量测其贯入阻力（包括锥尖阻力和侧壁摩阻力或摩阻比），并按其所受阻力的大小划分土层和间接确定土的工程性质。它具有连续、快速、精确等优点。

1 工程概况

拟建的变电站站址位于唐山沿海地区。场地地势平坦，常年地下水位埋深平均约1.5 m，浅层地基土为第四系全新统（Q4）滨海相沉积的淤泥质黏性土，厚度约6.0 m；下部以粉细砂层为主。在勘察过程中进行了DMT、静力触探及T型触探等原位测试工作。①粉质黏土夹粉土和②淤泥质黏土主要物理、力学指标见表1和表2。

表1 地基土层主要物理参数

表2 地基土层的空间分布及其主要力学参数

2 试验设备、方法及数据处理

2.1 扁铲侧胀

该试验设备包括测量系统、贯入系统和压力源。测量系统包括侧胀扁头、气电管路和制控装置，贯入系统包括主机、探杆（或钻杆）和附属工具，压力源可采用普通氮气瓶（见图1）。

图1 侧胀扁头结构原理图

试验时将接在探杆上的扁铲探头压入至土中预定深度，然后稳定而缓慢的施加气压，使位于扁铲探头的圆形钢膜向土内膨胀，量测钢膜膨胀三个特殊位置（A、B、C）的压力。压力A值是使膜片中心离开基座，水平地压入周围土中0.05+0.02 mm时膜片内的气压值；压力B值是膜片中心向外移动达1.10±0.03 mm膜片内的气压值；压力C值是继A、B压力后，缓慢排气，使膜片回缩接触基座时作用在膜片内的气压值。

整理数据前，应检查（1）式是否成立，若不成立需重新测试。

式中：ΔA、ΔB为A、B位置在大气中率定的压力值，即克服膜片自然刚度所需压力 （kPa）。

P0为膜片在基座时的土压力（kPa）；P1为1.1 mm位移时的膨胀侧压力（kPa）；P2为终止压力，即恢复初始状态侧压力（kPa）。

P0、P1、P2压力根据 （2）～ （4）式修正，即：

式中：Zm为通大气时压力表零位读数，采用传感元件量测的数显仪表，不考虑Zm值影响，因仪表本身有调零装置，Zm为0，

根据Marchetti提出的理论，上述土压力值和各试验点孔隙水压力U0及上覆有效土压力值σvo'，按公式（5）～（8）可以获得侧胀模量ED、侧胀土性指数ID、侧胀水平应力指数KD和侧胀孔压指数UD。

利用以上基本参数可估算侧向压缩模量、不排水抗剪强度等土性参数。

2.2 T型触探

椭圆形截面T型触探探头及探杆见图2。为了得到探头的贯入阻力与软黏土不排水抗剪强度之间的关系，一般假定：（1）软黏土强度符合Tresca屈服条件，仅有不排水抗剪强度cu一个指标；（2）探头为无限长杆，匀速压入土中，可简化为平面应变问题。

图2 椭圆形截面T型触探探头及探杆

荷载作用下软黏土局部产生塑性变形，若破坏过程中土体无排水发生，体积保持不变，则可以认为软黏土服从理想刚塑性体的Tresca屈服条件，采用滑移线场理论可以得到较可靠的近似解。

根据极限分析法的上下限定理可得到探头阻力系数精确解，根据精确解，可得不排水抗剪强度cu的求取公式：

式中：P为单位长度探头贯入阻力（kN/m）；a为探头半宽 （m）；b为探头半高 （m）；N为阻力系数，无量纲。当探头高宽比为0.5时，探头阻力系数N为13.62。本次试验所用探头宽为45.1 mm，高为22.6 mm，长为200 mm。

3 地基土分层对比

根据DMT的中间参数ID和ED，地基土分层可先根据侧胀土性指数ID、侧胀模量ED随深度变化曲线的形状分层，再按ID的大小确定地基土名称。试验场地①层地层的ID总体在0.58～1.63，以粉质黏土、粉土为主；②层地层的ID总体在0.10～0.35，以淤泥质黏土为主。和土工试验的定名基本一致。对比现场钻探及静力触探试验参数，本次勘察场地地基土层的划分结果见图3。

对比图3，DMT根据ID、ED分层结果与现场钻探、静探分层结果基本一致，说明DMT对地层的划分具有一定的可靠性，并且能对土体给出合理的描述，基本能反映地基土的特性。

4 压缩模量对比

压缩模量MDMT被认为是从DMT试验中所获得的最可信而且最有用的参数，其值的定义为受限制的垂直方向的排水在σvo'处的割线模量，根据Marchetti（1980）提出的计算公式，见式 （10）。

式中：RM为水平应力指数KD有关的函数；其中：

当ID≤0.6时，RM=0.14+2.36logKD。

本次在拟建站区范围内共取不扰动土样22件，取样深度在②层淤泥质黏性中均匀分布。DMT公式计算得出压缩模量MDMT与土工试验结果见表3。

表3 扁铲试验数据与土工试验成果

由两种方法得出的压缩模量值可以看出，DMT计算的模量与土工试验成果存在较明显差异：（1）在场地②层淤泥质黏土地层中，DMT压缩模量MDMT随埋深变化较大，一般为0.3～2.6 MPa，最大值约为最小值的8倍；而土工试验结果范围变化较小，一般为2.0～3.5 MPa，最大值约为最小值的1.8倍。（2）两种试验方法结果之间的差异。从室内试验压缩模量ES1－2在不同深度取的原状样试验结果的变化规律可以看出，ES1－2随深度的变化规律同DMT计算所得的压缩模量MDMT沿深度变化的曲线基本一致，个别点两者结果接近或者一样，总的来说，室内试验结果的平均值大于DMT平均值，约为DMT结果的1.78倍。

图3 根据ID和ED进行地基土分层

两种试验方法的差异，主要是因为DMT是原位试验，对土层扰动小，测得结果是沿深度的连续压缩模量值MDMT，其值的变化反应了土层沿深度软硬程度、材料特性和应力历史的信息。土工试验结果ES1－2仅代表个别深度点的压缩模量，不能连续反应压缩模量沿深度变化的特点，并且在取、制样时，由于卸载引起的有效应力的变化及取土、运输、储存和加工土样时引起的附加机械扰动，都会对试验结果造成偏差。

5 不排水抗剪强度测试结果对比

土样的不排水抗剪强度土工试验，由于受试验条件限制，未能对试样进行饱和处理，且试验应力范围偏大，导致试验结果内摩擦角偏大。根据试样所处深度位置，按计算该深度处土样不排水抗剪强度cu，见式（11）。

式中 ：σ0为试样位置平均应力，σ0=γ0z，γ0取平均值17.8 kN/m3，z为计算点深度。根据式（11），计算得不同深度处土体不排水抗剪强度见表4。不固结不排水强度cu标准值为22.1 kPa。

表4 根据不固结不排水强度指标计算值

根据 Marchetti（1980）提出的式 （12）和式 （9）分别计算DMT和T型触探试验不排水抗剪强度cu，绘制不排水强度随深度的变化曲线（图5）。从古典刚塑性理论看，静力触探探头在软黏土中贯入，便是一种在不排水条件下的塑性流动，求取不排水抗剪强度一般采用式（13）。该式中经验系数Nk一般取10～20。图5中的Nk取18。不同测试手段不排水抗剪强度标准值列于表5。

式中：σv'0和ID分别为有效上覆压力和土的侧胀土性指数，其中ID＜1.2。

式中：σv'0为有效上覆压力 （kPa）；qc为双桥静力触探锥尖阻力（kPa）；NK是与地区有关的经验系数。

表5 扁铲试验数据与其他试验成果

图5 不同测试手段cu结果对比

从图5可知，DMT不排水抗剪强度结果基本能反映地基土强度随深度增长的特点，其随深度的变化规律在淤泥质土层与T型触探试验结果基本一致。DMT所得cu在埋深1.0～2.0 m深度及5.5～7.5 m深度比T型触探略偏小，在3.0～5.5 m深度曲线基本重合。从表5可知，T型触探计算的不排水抗剪强度介于DMT和室内试验之间，T型触探不排水抗剪强度标准值约为DMT不排水抗剪强度标准值的1.2倍，土工试验结果标准值约为DMT不排水抗剪强度标准值的1.5倍，三种试验结果相差不大。

T型触探和DMT之间的差异，其主要原因在于试验过程中应变速率的影响。DMT试验过程中，可人为的控制气压的加载，应变速率较小；T型触探使用静力触探仪器将T型触探探头压入土中，其贯入速率为1.2 m/min，加载速率较大，应变速率效应明显，不排水抗剪强度较实际值略偏大。

室内试验求解不排水抗剪强度的结果影响因素较多，由于本次土样储存时间过长，运输过程中颠簸扰动较大，导致土样含水量较实际值偏低，强度有所提高。本次试验求得的不排水抗剪强度沿深度变化较大，一般为18.6～31.5 kPa，从图5可知，沿深度的取样点不排水抗剪强度变化曲线和现场试验曲线变化基本一致。

从图5可以看出，双桥静力触探计算的不排水抗剪强度cu，在地区经验系数NK取18，计算得到的结果同DMT、T型触探结果接近。

因为试验原理不同，条件不同，不同试验结果的直接比较相对困难。在具体指标应用时，需关注试验结果的获得方法，以及与设计所采用的计算模型的匹配性。

6 结语

本文利用不同原位测试手段在唐山沿海地区软黏土勘察中进行了应用对比，结果如下：

（1）同静力触探试验结果与现场钻探对比分析，DMT侧胀土性ID可以很好的反映土类特性及了解土层垂直向的土性变化，利用已建立的经验关系式，可较准确的估算地基土的主要土性参数。

（2）将DMT压缩模量MDMT计算的结果与室内试验压缩模量ES1－2结果进行比较，二者存在一定的差异。但ES1－2随深度的变化规律同扁胀试验计算所得的压缩模量MDMT沿深度变化的曲线基本一致，个别点两者结果接近或者一样，室内试验结果大于DMT结果，但DMT的结果更符合土层的实际情况。

（3）依据DMT和T型触探结果估算的软土不排水抗剪强度，在淤泥质土层变化规律基本一致，均较好的反映了软土的强度随深度增大的趋势，说明这两种方法的判别结果是较可靠的。通过对比DMT与T型触探不排水抗剪强度结果，求得双桥静力触探计算的不排水抗剪强度cu的地区经验系数NK=18。