扁铲侧胀试验在软土工程勘察中的应用

王太红1

中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，广西 桂林， 541002

摘要：软土的水平固结系数是地基基础沉降计算和数值模拟分析的重要参数，室内试验测试值常与工程反演不符，扁铲侧胀试验在精确测定软土水平固结系数方面具有明显优势。本文介绍了扁铲侧胀试验在贯入过程中，软土孔隙水压力的空间和时间分布关系，并得到了水平固结系数的计算公式，结合工程实践，计算结果与室内试验进行对比，研究成果表明无论是淤泥质粉质黏土还是淤泥，室内试验测试水平固结系数与扁铲侧胀试验计算值相比，其数值都偏小，前者是后者的11.0倍拟合线性关系，且两者的离散型较大。

关键词 扁铲侧胀；原位测试；软土；固结系数；消散试验

0 引言

在可测试土层水平向物理力学特性的原位测试方法中，扁铲侧胀试验和旁压试验具有明显优势^[1-3]，扁铲侧胀试验则具有保持土体天然含水量、天然应力状态、天然固结比等原位特性条件下进行的测试，且成本较低、测试具有“双参数”的特点，不受工程师的主观影响影响^[4]，在工程中得到越来越广泛的应用，特别是在软土的工程特性测试中，可以测试较为精确的水平固结系数值、静止土压力系数值等，可以大大提高软土地基变形计算和数值模拟的计算精度。

1 扁铲侧胀求解固结系数的基本原理

当扁铲侧胀探头贯入饱和黏性土中时，由于土的渗透性较低，在贯入压力及加荷条件下，荷载由土体颗粒和颗粒间水体承受，土体颗粒逐渐调整趋于压缩密实，荷载转移至水体，引起超孔隙水压力，但随着时间的推移，超孔隙水逐渐消散，直至达到静止水压力。描述扁铲侧胀探头在贯入后，土中孔隙水压力的时空分布关系，可以用公式（1）表示^[5]：

（1）

其中，u（ρ,T）为孔隙水压力的时间空间函数，ρ为空间因子，r为土中任意一点至扁铲探头钢薄膜中心的距离，s为扁铲探头厚度的一半，s=7.5 mm，u_m为扁铲侧胀钢薄膜中心点处的超孔隙水压力，α为形状系数，一般取0.15～0.40，H为扁铲侧胀探头钢薄膜侧受压土体厚度，D为比例系数，D=H²/s²。C_h为固结系数，t为时间，T为时间因子。

取α为0.40，ρ=1，固结时间t为50%固结度的时间t₅₀，计算固结系数公式为：

（2）

2 工程实例

南京地铁某地铁车站位于南京市浦口区浦滨路上，沿浦滨路西南-东北向布置，车站处道路宽约40~60 m，场地地形相对较平坦、开阔，地面吴淞高程7.26～7.89 m，场地地貌单元属长江漫滩地貌。本场地地层分布从上至下，依据地质钻探揭露为：

①₁杂填土：灰黄色、灰褐色、杂色，松散，稍湿，主要成份为城市道路路面及路基填土，地表0～0.4 m为沥青路面，0.4～1.1 m一般为混凝土或三合土路基，下部多为粉质黏土混碎石。填龄大于5年。层厚约0.5 m，埋深约0.4～2.3 m。

①_-2b-4淤泥质粉质黏土：灰褐色，软~流塑状态，富含有机质，具流变性，有腐臭味。其层厚1.20~17.80 m，埋深2.90~15.50 m。

①_-2b淤泥：灰色，饱和，流塑，局部软塑，高压缩性，摇振反应缓慢，切面稍有光泽，干强度低，韧性低，局部夹薄层粉土、粉砂，单层厚约1.00～3.00 mm，分布不均，局部富集，具有水平沉积层理。其层厚2.00～5.00 m，埋深16.00～25.50 m。

3 结果分析

为了测试土淤泥质粉质黏土和淤泥的固结系数，可分别选取3.0m和18.0m进行扁铲侧胀孔隙水压力消散试验。典型的消散试验归一化成果图如图1所示，图中散点为实测数据，实线为归一化曲线，从图中可以看出，消散曲线出现明显的“S”型，其反弯点对应着50%固结度的消散时间，为750s，因此可以代入公式（2）进行软土水平固结系数的计算。经过场地多点测试和数学统计，得到淤泥质粉质黏土和黏土的固结系数计算值，并与室内试验试验值进行比较，其对比结果如表2所示。

图1 DMT试验消散试验归一化成果 图2 水平固结系数室内试验试验值与扁铲侧胀计算值拟合关系

从表2可知，无论是淤泥质粉质黏土还是淤泥，室内试验测试水平固结系数与扁铲侧胀试验计算值相比，其数值都偏小。淤泥质粉质黏土的扁铲侧胀水平固结系数计算值是室内试验测试值的8倍，而淤泥则为16倍，表明水平固结系数在取样过程中不可避免地受到了扰动，其测试状态脱离了软土天然的含水率和应力条件，造成获取的室内试验值偏小，而扁铲侧胀试验测试属于原位测试方法，对软土的天然属性的扰动降低到最低状态，因此，测试结果接近于实际值，可直接应用于工程设计与计算。

表2 水平固结系数室内试验试验值与扁铲侧胀计算值对比

4 结论

（1）扁铲侧胀测试土体参数与地质钻孔揭示地层的对应关系较好，采用土性指数进行土层的分层能达到较理想的效果。消散曲线出现明显的“S”型，其反弯点对应着50%固结度的消散时间可直观读取。

（2）无论是淤泥质粉质黏土还是淤泥，室内试验测试水平固结系数与扁铲侧胀试验计算值相比，其数值都偏小。对所有软土层的扁铲侧胀试验计算值与室内试验值进行数据拟合，两者的离散型较大，前者是后者的11.0倍线性关系，拟合参数R²=0.4988。

参 考 文 献（References）：

[1] 孟长江.扁铲侧胀消散试验探求土体固结系数的研究[J].西南交通大学学报,2012,47 (增刊):176~181.

[2] 任亚群,郭纪中,王洪波等.扁铲侧胀参数与其他原位测试参数的相关性研究[J].工程勘察,2006,( 9):16~21.

[3] Marchetti, S. The Flat Dilatometer Test (DMT) in Soil Investigations. A Report by the ISSMGE Committee TC16. May 2001, 41 pp. Reprinted in Proc. 2nd Int. Conf. on the Flat Dilatometer, Washington D.C.2006:7-48.

[4] 任士房,曾洪贤. 基于圆形弹性薄板模型求解扁铲侧胀试验侧向基床系数[J].路基工程,2019,204(3):30-35.

1作者简介：王太红，1968年，大学本科，高级工程师，研究方向：岩土工程勘察。联系地址：广西桂林市翠竹路南一巷6号中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，邮编：541002。