扁铲侧胀试验新模式教学的探索实践

程 鹏， 李锦辉， 王海洋

（哈尔滨工业大学（深圳），实验与创新实践教育中心，土木与环境工程学院，广东深圳518055）

0 引 言

扁铲侧胀仪由意大利Marchetti教授在上世纪70年代发明，可用于原位测试软土、黏土、粉土、黄土和松散-中密砂土等土质的性能参数［1-2］。扁铲侧胀仪具有高效、操作简单、小巧易携带、可连续测试、测试结果具有良好的重复性等优点，在20世纪80年代就被写入美国ASTM标准和欧洲标准。该试验方法在20世纪90年代引入国内后被广泛应用于岩土工程勘察设计领域，现已写入《岩土工程勘察规范》国家标准和《铁路工程地质原位测试规程》行业规范中［3-5］。

扁铲侧胀试验可用于以下用途：计算压缩模量、测量不排水剪切强度Cu、测量侧向受荷桩的P-y曲线、土质分类、测量黏土的渗透系数、测量静止土压力系数、压实度控制、砂土液化势判别、测量砂土内摩擦角

等，尤其适用于侧向荷载较大的建筑工程［6］。

1 扁铲侧胀试验的原理

扁铲侧胀试验（Flat Dilatometer Test，DMT）首先利用贯入设备（可与静力触探设备共用）、钻机或其他野外现场设备将扁铲贯入土层中，达到预定深度后，通过小型气瓶对扁铲进行加压，利用气压使扁铲上的钢膜片侧向膨胀，分别测得膜片中心侧向膨胀0.05 mm和1.10 mm时的气压值A值和B值，再测量膜片回缩到0.05 mm时的气压值，C值。根据气压与变形之间的关系，来获得地基土的力学参数［7-8］。

钢膜片达到0.05 mm和1.10 mm的时候可以通过蜂鸣器是否鸣响来做出精确判断。扁铲的内部构造见图1，实物图见图2。

图1 扁铲结构示意图

图2 扁铲实物图

工作原理如同一个电开关，图中绝缘垫将导体基座与扁铲钢体和钢膜片隔离，导体基座与正极相连，钢膜片与负极相连。在自然状态下，线路被绝缘垫断开，蜂鸣器不会鸣响。

（1）当扁铲插入土中，钢膜片受到土压力之后，会向内收缩，当钢膜片与导体基座接触时，整个线路连通，蜂鸣器持续发出鸣响。

（2）施加气压使钢膜片膨胀，当膨胀量达到0.05 mm时，钢膜片与导体基座脱开，线路断开，蜂鸣器停止鸣响，此时气压读数为A值。

（3）继续施加气压使钢膜片膨胀，由于弹簧的作用，钢柱和玻璃柱被向外推出。膨胀量达到1.10 mm时，钢柱与导体基座接触，线路连通，蜂鸣器发生鸣响，此时气压读数为B值。

（4）然后缓慢卸压，钢膜片重新向内收缩，钢柱开始脱离导体基座，线路断开，蜂鸣器停止鸣响。

（5）钢膜片继续收缩，当钢膜片重新收至0.05 mm处时，钢膜片与导体基座重新接触，蜂鸣器又发生鸣响，此时气压读数为C值。

2 扁铲侧胀试验的教学现状

2.1 需要足够大的室外试验场地

扁铲侧胀试验是一种原位测试试验，需要在野外工地上进行。贯入扁铲需要搭配贯入仪、钻机或其他野外现场设备。常用的手摇式静力触探贯入仪占地面积约为1 m×1 m，液压贯入仪尺寸约为2 m×1.5 m。再加上学生的操作空间，每组至少需要10 m2的场地，一个班级可能需要找到将近60～100 m2的室外试验场地。对于寸土寸金的深圳或其他一线城市来说，显然很难满足上课需求。此外由于涉及到钻探，试验场地难以重复利用，这就使得原本紧张的用地变得更加局促。对于没有提前规划场地的学校更是无法开展。

2.2 测试仪器搬运不方便

常用的液压静力触探贯入仪质量在200 kg以上，需要使用专门的搬运工具来运输。这一工作费事费力，严重影响课堂的效率。

2.3 对场地条件、土质要求较高

扁铲侧胀试验一般在疏软松散土中适宜性好，在坚硬密实土中适宜性差，不适用于含碎石的土。若土质不满足要求，可能会损伤扁铲的钢膜片。此外，试验之前需要对场地进行整平且表面无杂草、石块等杂物，这无疑大大增加了实验前的准备工作。

2.4 室外场地的随机性大，不利于结果分析

室外试验场地往往具有较大的随机性，场地土质的不确定性、土体本身的不均匀性等均会造成实验结论的误差［9］。很有可能会出现每个组的试验结果不尽相同的情况，并且也无从得知正确的结论，也就无法准确地对实验报告的数据处理部分进行评分。

2.5 室外实验的开展受天气影响

深圳是一个多雨的城市，每年的4～9月份为雨季。一方面雷雨天气无法在室外进行实验，另一方面降雨过后会导致室外场地泥泞，也不利于开展实验。

3 新模式教学改革研究

实验教学是课程教学的重要组成部分，实验教学的目的是一方面能够使学生巩固所学知识，另一方面能够使学生快速掌握解决实际工程问题的能力［10-14］。笔者针对扁铲侧胀试验教学存在的难点，提出了新模式教学方法，主要体现在以下3个方面：

3.1 构建贯入系统，使学生在实验室即可分组操作

贯入系统由贯入装置、贯入平台、模型桶、平板推车4部分构成，见图3。

图3 贯入系统实物图

（1）贯入装置。贯入装置选用手摇式静力触探机，结构图见图4。这种贯入设备较为轻便，通过手摇柄驱动链条，进而带动钻杆进行钻探。该设备也可搭配十字板剪切仪、孔压静力触探仪等不同的原位测试设备使用，有良好的扩展功能。

图4 贯入装置结构图

（2）贯入平台。贯入平台的工作台面尺寸为长1.4 m×宽1.0 m，台面高度为1.2 m，在平台上面切割了两个220 mm×220 mm的方形孔洞，作为钻杆和探头的贯入通道。贯入平台四周加设高1 m的安全围栏。在围栏的对侧有两个推拉门，并可用插销将推拉门锁上。

（3）模型桶。模型桶为φ0.6 m×1 m不锈钢桶。桶中填入了若干层不同类型的土体，见表1。可将扁铲每隔20 cm深测量一次数据，对土体进行粗略分层。也可根据实验需求，选择其他种类土体或改变分层厚度。

表1 桶中土的类别及深度

（4）平板推车。平板推车为边长0.6 m的可移动平板车。平板推车由一块5 mm厚不锈钢底板、4根镀络棒和4个轴承组成。平板推车的作用是为了方便添加或更换模型桶中的土。

首先将两台手摇式静力触探机立在贯入平台上面并用螺栓与之固定，在模型桶中填入若干层不同种类的土。由于在测量A值之前，需要有足够的土压力挤压膜片使之与导体基座接触，因此模型桶中的土可采用加水、施加荷载进行紧实等方法来增大土体侧压力。

然后将模型桶放入平板推车上，推进贯入平台下方，学生可以站在贯入平台上将扁铲向模型桶中贯入，将下方的模型桶内的土代替原状土，以此来模拟整个试验过程，扁铲贯入土中的过程见图5。由于老师对模型桶中的土体参数已经掌握，故可较准确判断学生们的实验结果是否正确。

图5 扁铲贯入过程

3.2 加强预习，优化实验预习报告

有效地预习实验对实验操作的顺利进行起着至关重要的作用［15］。而通常的预习报告无外乎实验目的、实验设备、实验步骤这几部分内容，一般情况下这些内容在实验指导书中都可以找得到，只需全盘抄一遍即能完成任务［16］。

为了让学生们能在课前真正初步理解整个实验，在预习报告部分摒弃了原有的模式，采用填空题、选择题、简答题等多种形式，题目的设置则针对实验过程中的重点、易错点和安全注意事项的关键点。若想完成预习报告，则需要提前通读实验指导书并理解整个实验。这样做既不需要大段抄写也能让学生真正去思考并理解整个实验内容。

3.3 丰富考核内容，多方位综合考评

实验教学的考核不应局限于实验报告的撰写，实验前的预习过程、实验操作、实验后的设备整理归位、对实验的理解等都应设为考核内容。笔者对学生在实验前、实验中、实验后3个阶段进行了6个方面共17

项的综合考评，充分调动了学生在整个实验过程的积极性，取得了良好的效果。综合考评情况见表2。

表2 综合考评表

4 实验过程设计

实验分组进行，每组配备一套扁铲侧胀仪和贯入系统，人数在4人左右为宜，保证每名同学都能够参与其中，相互协作完成实验。具体的实验过程和人员分工情况如下：

4.1 实验前检查

实验前需进行3项检查，可由4人协同分工完成。其中1名同学检查与气瓶连接的压力表读数是否为0；1名同学打开电源开关，检查蜂鸣器工作是否正常、回路是否正常；1名同学检查测控箱的总开关、调压阀和排气阀是否处于关闭状态；1名同学记录检查结果。

4.2 实验前率定钢膜片

钢膜片在自然条件下处于微膨胀状态，膨胀量在0.05～1.10 mm之间，即A、B位置之间。钢膜片存在一定的刚度，由自然状态下收缩、膨胀到A、B两个位置时需克服自身的刚度，这部分力被计算到结果当中。若想获得真实值，需要在每次实验前进行修正，即率定钢膜片。率定过程为用针筒向扁铲抽气和打气，当钢膜片收缩至A位置、膨胀至B位置时，记录所施加的气压值。

率定时1名同学将针筒、扁铲、测控箱连接好。另1名同学用针筒对扁铲探头抽气，膜片在大气压力作用下从自然位置移向导体基座，待蜂鸣器响起（此时钢膜片中心向外膨胀小于0.05 mm）停止抽气，缓慢加压至蜂鸣器声音停止［此时钢膜片中心向外膨胀量为（0.05±0.02）mm，即A位置］，读取测控箱仪表盘的读数，记为ΔA。

第3名同学用针筒对扁铲探头打气，直到蜂鸣器再次响起［此时膜片中心向外膨胀量为（1.10±0.03）mm，即B位置］，读取测控箱仪表盘的读数，记为ΔB。

第4名同学判断ΔA和ΔB是否在合理范围内，ΔA应在5～25 kPa之间，理想值为15 kPa。ΔB应在10～110 kPa之间，理想值为40 kPa。

4.3 贯入扁铲探头

1名同学站在贯入平台上，用扳手轻微松动顶部的钻杆夹具。1名同学将U形垫压块卡在钻杆的卡槽内，将山形板放置在U形垫压块上面，并用手持住山形板。这时第1名同学转动手摇柄，使链条的长轴销钉轻轻顶在山形板上面。山形板、U形垫压块实物图及安装图见图6。

图6 山形板、U形垫压块实物图及安装图

接着以一定的速率摇动手摇柄，将扁铲以（20±5）mm／s的速度贯入土中，当达到一定深度时，土压力将钢膜片压向导体基座，钢膜片膨胀量小于0.05 mm，蜂鸣器开始鸣响。达到预定深度后停止贯入，取下山形板和U形垫压块。

4.4 测量A、B、C值

1名同学打开气瓶开关、测控箱总开关，并缓慢旋转调压阀，将压力缓慢增加。待蜂鸣器停止鸣响的瞬间（此时钢膜片中心向外膨胀量为0.05 mm），记录气压值A值。

另1名同学继续缓慢加压，待蜂鸣器再次鸣响的瞬间（此时钢膜片中心向外膨胀量为1.10 mm），记录气压值B值。

测得B值后，第3名同学即关闭总开关，防止继续加压导致钢膜片膨胀破坏。然后反向旋转调压阀，将气压缓慢卸掉，当蜂鸣器再次鸣响瞬间（此时钢膜片中心向外膨胀量为0.05 mm），记录气压值C值。

4.5 卸压、提杆

第1名同学打开排气阀，快速卸掉剩余压力。第2名同学关闭气瓶开关，卸掉气瓶与测控箱中气管的剩余压力。第3名同学安装山形板和U形垫压块，并用手持住山形板。最后1名同学站在贯入平台上提升探杆，从土中取出扁铲探头。

4.6 实验后重新率定钢膜片

试验结束后需重新率定钢膜片，重新测量ΔA和ΔB，并与试验前的测值相比，差值不得超过25 kPa。

5 结 语

从岩土原位测试的实验教学中存在的问题出发，以扁铲侧胀试验为例，提出了新模式的教学方法并进行了实践。通过自制的贯入系统，可让学生能够在实验室内分组操作扁铲侧胀仪进行扁铲侧胀试验。通过改革预习内容、优化实验预习报告，能够有效地提升学生的预习效果，提高实验效率。同时丰富考核内容，对学生进行了6个方面共17项考评，能够更准确地对学生进行全方位的综合评价。