十字板剪切试验

第6章十字板剪切试验第一节概述第二节试验的原理与仪器设备第三节试验方法及技术要求第四节试验资料整理及影响因素分析第五节试验成果应用第一节概述一、十字板剪切试验的定义二、十字板剪切试验的发展三、十字板剪切试验的分类四、十字板剪切试验的优缺点及适用性五、十字板剪切试验的目的一、十字板剪切试验的定义（VaneShearTest，VST）十字板剪切试验（VaneShearTest）是一种通过对插入地基土中的规定形状和尺寸的十字板头施加扭矩，使十字板头在土体中等速扭转形成圆柱状破坏面，通过换算、评定地基土不排水抗剪强度的现场试验。该试验所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层在原位压力下固结的不排水抗剪强度，由于十字板剪切试验不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变，是一种有效的现场测试方法。第一节概述二、十字板剪切试验的发展此项技术最初由瑞典人在1919年提出来的，到40年代有巨大进展。其间，英国Skempton等人结合φ=0原理（φ=0theory）的概念及应用上作了很大贡献。此后，在世界范围内获得广泛应用。在我国，50年代由南京水利科学院引进，并在沿海诸省及多条河流的冲积平原软粘土地区得到广泛应用。历时十余年的工作奠定了在我国的应用基础。此后，我国很多单位在设备的改进和应用实验方面做了大量工作。三、十字板剪切试验的分类（1）根据十字板仪的不同，十字板剪切试验可分为普通十字板和电测十字板；（2）根据贯入方式的不同，又可分为预钻孔十字板剪切试验和自钻式十字板剪切试验。（3）从技术发展和使用方便的角度，自钻式电测十字板仪具有明显的优势。四、优缺点及适用性适用土性：被沿海软土地区广泛使用，适用于灵敏度St=10、固结系数cv=100(m2/a)的均质饱和软粘土。优点：（1）避免取土扰动的影响；（2）所测得的强度能较好的反映土的天然强度；（3）设备简单、操作方便。缺点：对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘土，会有较大误差，使用时必须谨慎。五、十字板剪切试验的应用（目的）十字板剪切试验可用于以下目的：（1）测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度；（2）评定软粘性土的灵敏度；（3）计算地基的承载力；（4）判断软粘土的固结历史。第二节试验原理及仪器设备二、试验的仪器设备一、试验的基本原理十字板剪切试验的原理表述：在钻孔某深度的软粘土中插入规定形状和尺寸的十字板头，施加扭转力矩，将土体剪切破坏，测定土体抵抗扭损的最大力矩，通过换算得到土体不排水抗剪强度q值(假定φ=0)。第二节试验原理及设备一、试验基本原理十字板头旋转过程中假设在土体中产生—个高度为H(十字板的高度)、直径为D(十字板头的直径)的圆柱状剪损面，如图6－1；并假定该剪损面的侧面和上、下底面上土的抗剪强度都相等。在剪损过程中，土体产生的最大抵抗力矩M由圆柱侧表面的抵抗力矩M1和圆柱上下面的抵抗力矩M2两部分组成。即M＝M1十M2。其中：HDMHDcDDHcMuu212123261232412πDcDπDcMu2uHDDcMMM2u32121)H3D(D2Mc2u则式中，cu——十字板抗剪强度；D——十字板头直径；H——十字板头高度。（1）普通十字板仪对于普通十字板仪，上式中的M值应等于试验测得的总力矩减去轴杆与土体间的摩擦力矩和仪器机械摩阻力矩，即：pf——剪损土体的总作用力；f——轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械阻力，试验时通过使十字板仪与轴杆脱离进行测定；R——施力转盘半径。将上式代入cu表达式，得：R)fp(Mf前面的系数对于一定规格的十字板仪来说为一常量，称为十字板常数k，即)fp()H3D(D2Rcf2u)H3D(D2Rk2则有：)fp(kcfu（2）电测十字板仪对于电测十字板仪，由于在十字板头和轴杆之间有贴电阻应变片的扭力柱连接，扭力柱测定的只是作用在十字板头上的扭力。因此，在计算土的抗剪强度时，不必进行轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械摩阻力修正。二、试验的仪器设备十字板剪切试验所需仪器设备包括：十字板头、试验用探杆、贯入主机、测力与记录等试验仪器。目前使用的十字板剪切仪主要有机械式十字板剪切仪，采用开口钢环测力装置，电测式十字板剪切仪，采用电阻应变式量测装置。1．仪器组成部件其主要部件有：（1）十字板头常用的十字板头为矩形，高径比(H/D)为2。国外推荐使用的十字板板头与国内不一样，见表6－1。表6－1国内外常用的十字板头尺寸对于不同的土类，应选用不同尺寸的十字板头。—般在软粘土中，选择75mm×150mm的十字板头较为合适，在稍硬土中，可用50mm×100mm的十字板头。十字板头尺寸H（mm）D（mm）板厚t（mm）国外125±2562.5±12.52100502~3国内150752~3（2）轴杆—般使用的轴杆直径为20mm。对于普通十字板仪，轴杆与十字板头的连接方式，有国内广泛使用的离合式，也有牙嵌式（套筒式）的。见图6－2所示：图6－2十字板装配示意离合式轴杆是利用一离合器装置，使轴杆与十字板头能够离合，以便分别作十字板总剪力试验和轴杆摩擦校正试验。套筒式铀杆是在轴杆外套上一个带有弹子盘、可以自由转动的钢管。使轴杆不与土接触，从而避免了二者的摩擦力。套筒下端10cm与轴杆间的间隙内涂以黄油，上端间隙灌以机油，以防泥浆进入。（3）测力装置测力装置有开口钢环测力装置和电阻应变式测力装置。a.钢环测力装置是通过钢环的拉伸变形来反映施加扭力的大小。如图6－3。b.电阻应变式测力装置是通过扭力传感器将十字板头与轴杆相连接。如图6－4，扭力柱的外围有外套筒，用来保护传感器的。图6－3开口钢环测力装置图6－4电阻应变式测力装置2．钢环式十字板剪切仪钢环式十字板剪切仪见图6－5所示。此仪器是以蜗轮旋转已插入土中的十字板头，借开口钢环测出抵抗力矩，计算土的抗剪强度。由于十字板头上部尚有探杆插入土中，而测力装置在地面以上，所以在设备的设计及操作方法等方面要想法消除探杆与土之间的摩擦力。大致曾用过四种探头，见图6－6：3．电测式十字板剪切仪该仪器与钢环式的主要区别在于，其测力设备不用钢环，而是在十字板头上方连接贴有电阻应变片的受扭力柱的传感器。在地面上用电子仪器直接测十字扳头的剪切扭力，可不必进行探杆及轴杆的摩擦校正。因此，电测式十字板剪切仪操作简单、试验成果比较稳定，因而应用广泛。第三节试验方法及技术要求一、试验的技术要求二、试验方法与步骤一、试验的技术要求根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001），十字板试验应满足以下主要技术要求：1．钻孔十字板剪切试验时，十字板头插入孔底以下的深度不应小于3～5倍钻孔直径，以保证十字板能在未扰动土中进行剪切试验。2．一般，在同一孔内进行不同深度点的剪切试验时，试验间距不小于0.75～1.0m。3．为保证十字极头旋转时不发生摆动，试验所用探杆必须平直，前5m的探杆要求更高些。对钢环式十字板试验，探杆上应装导轮，在上、下部各装一导轮，试验深度较大时，导轮间距不宜大于10m。第三节试验方法与技术要求4．十字板头插入土中试验深度后，应静置2~3min，方可开始剪切试验。因为插入时在十字板头四周产生超孔隙水压力，静置时间过长，孔隙压力消散会使有效应力增长，使不排水抗剪强度增大；若静置时间过短，土稍稍被扰动还来不及恢复，测出的强度值可能偏低。5．扭剪速率应力求均匀，并控制在一定值。剪切速率过慢，由于排水导致强度增长。剪切速率过快，对于饱和软粘性土，由于粘滞效应，也使强度增长。扭剪速率宜采用(1°～2°)／10s，以此作为统一的标准速率，以便能在不排水条件下进行剪切试验。测记每扭转1°的扭矩，当扭矩出现峰值或稳定值后．要继续测读1min．以便确认峰值或稳定扭矩。6．在峰值强度或稳定值测试完毕后，顺时针方向连续转动6圈，使十字板头周围土体充分扰动，然后测定重塑土的不排水强度。7．对于开口钢环十字板剪切仪、应进行轴杆与土之间摩擦阻力影响的修正．对于电测十字板剪切仪，不需进行此项修正。8．扭力传感器应定期标定，一般应三个月标定一次，如使用过程中出现异常．也应重新标定。标定时所用的传感器、导线和测量仪器应与试验时相同。二、试验方法与步骤用普通十字板剪切仪于现场测定软粘性土的不排水抗剪强度和残余强度等的基本方法和要求如下：1．先钻探开孔，下直径为127mm套管至预定试验深度以上75cm．再用提土器逐段清孔至套管底部以上15cm处，并在套管内灌水，以防止软土在孔底涌起及尽可能保持试验土层的天然结构和应力状态。2．将十字板头、离合器、轴杆与试验钻杆及导杆等逐节接好下入孔内至十字板与孔底接触。各杆件要直，各接头必须拧紧．以减少不必要的扭力损耗。3．用手摇套在导杆上向右转动，使十字板离合齿啮合。再将十字板徐徐压入土中至预定试验深度，并静置2～3min。4．装好底座和加力、测力装置，以约1°／10s速度旋转转盘，每转1°，测记钢环变形读数一次．直至读数不再增大或开始减小时．即表示土体己被剪损。此时，施于钢环的作用力(以钢环变形值乘以钢环变形系数算得)就是把原状土剪损的总作用力pf值。5．拔下连接导杆与测力装置的持制键，套上摇把，按顺时针方向连续转动导杆、轴杆和十字板头6转．使土完全扰动，再按步骤4以同样的剪切速度进行试验，可得重塑土的总作用力p’f值。6．拔下控制轴杆与十字板头连接的特制键，将十字板轴杆向上提3～5cm，使连接轴杆与十字板头的离合器处于离开状态，然后仍按步骤4可测得轴杆与土间的摩擦力和仪器机械阻力值f。则试验深度处原状土不排水抗剪强度为：重型土不排水抗剪强度(或称残余强度)为：土的灵敏度St为：fpkcfufpkcfuuutccS7．完成上述基本试验步骤后，拔出十字板，继续钻进至下—深度的试验。对于自钻式电测十字板剪切仪．可以采用静力触探的贯入机具将十字板头压入到试验深度，则不存在下套管和钻孔护壁问题。电测式十字板剪切仪在进行重塑土剪切试验时也存在问题。按《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）的技术要求，在原状土峰值强度测试完毕后，应连续转动6圈，使十字板头周围土体充分扰动。但由于电测法中电缆的存在，当探杆、扭力柱与十字板头一起连续转动时，电缆的缠绕，甚至接头处被扭断，使该项技术要求难以很好地执行。第四节试验资料整理及影响因素分析二、试验影响因素分析三、试验结果修正方法一、试验资料的整理一、试验资料的整理十字板剪切试验的资料整理应包括以下内容：（1）计算各试验点原状土的不排水抗剪强度、重塑土抗剪强度和土的灵敏度；（2）绘制各个单孔土的不排水抗剪强度、重塑土抗剪强度和灵敏度随深度的变化曲线。（3）根据需要绘制各试验点土的抗剪强度与扭转角的关系曲线；（4）应根据地区经验和土层条件，对实测的不排水抗剪强度进行必要的修正。第四节资料整理及因素分析一般，饱和软粘土的十字板抗剪强度存在随深度的增加而增长的规律。对于同一土层，可以采用统计分析的方法对试验数据进行统计。在统计中应剔除个别的异常数据。表6－2十字板剪切试验的影响因素二、试验影响因素分析在十字扳剪切试验方法及成果计算公式的推导中做了—些人为的假定。实际上影响十字板剪切试验的因素很多，各项因素对不排水抗剪强度的影响．可归结为表6－2中。1．十字板头的旋转速率旋转速率对测试结果影响很大。（1）对高塑性粘土(Ip＝40％～30％)，剪切速率越大抗剪强度越大，增长的很快；（2）对低塑性粘土(Ip20％)变化幅度不大，见图6-7及图6-8。目前，国内外大多采用1°／10s的旋转速率，此时基本属于不排水状态。图6－7高Ip粘土，转速对现场十字板强度的影响图6－8低Ip粘土，转速对现场十字板强度的影响2．十字板头的规格十字板头的规格是指十字板的高度H、径宽D、板厚及轴杆直径。这些尺寸对总扭矩测值、对周围土体扰动程度有直接影响。目前，国内外已有较统一的规格。H／D＝2，板厚t＝2～3mm、十字扳的面积比≈12％～13％。此外，十字板及轴杆都采用高强度钢，以保证十字板