岩土工程测试第五章十字板剪切试验

第五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与技术要求第四节试验资料整理第五节试验成果应用第一节概述一、定义十字板剪切试验（VaneShearTest简称VST）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，经过换算评定地基土不排水抗剪强度的现场试验。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，适用于均质饱和软粘土。优点：（1）不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪。所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠；（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。仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十字板头。五、十字板剪切试验的应用测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度；评定软粘性土的灵敏度；计算地基的承载力；判断软粘土的固结历史。第二节试验的原理与仪器设备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Cu值(假定φ=0)。一、试验基本原理图中所示为板头侧面的剪切阻力分布图中所示为在板头上、下面的剪切阻力分布。CvCH十字板头旋转过程中假设在土体中产生一个高度为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，如图所示；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)H3D(D2Rk2则有：)fp(kcfu)fp()H3D(D2Rcf2u（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。出来。就可C由此读数-R,传感器的率定系数-αRαM，如下可以通过以通过电测仪Mu确定二、试验的仪器设备1.压入主机2.十字板头3.扭力传感器4.量测扭力的仪表5.施加扭力装置6.其它（探杆等）常用的十字板头为矩形，高径比(H/D)为2。一般在软粘土中，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。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和套筒式。测力装置有开口钢环测力装置和电阻应变式测力装置。电测式十字板剪切仪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：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。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。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。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。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。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。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。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、十字板剪切试验方法与步骤注意事项：应先将电缆穿过施加扭力装置的中心孔，然后再穿入探杆；在扭剪前，应读取初始读数或将仪器调零；匀速转动手摇柄，摇柄每转一圈，十字板头旋转一度。测试重塑土时，用扳手或管钳快速将探杆顺时针方向旋转6圈，使十字板头周围的土充分扰动后，立即拧紧钻杆夹具。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；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。二、测试数据处理1、计算土的抗剪强度Cu)fp(kcfu2、计算重塑土的抗剪强度Cu′3、计算土的灵敏度St)fp(kcfu'CCSuut十字板剪切试验记录表转角（度）原状土重塑土灵敏度St应变仪读数剪应力（kPa）应变仪读数剪应力（kPa）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082单位读数/cmN11.64cm00218.0K)fp(KC3fu14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.8十字板剪切试验记录表转角（度）原状土重塑土灵敏度St应变仪读数剪应力（kPa）应变仪读数剪应力（kPa）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082单位读数/cmN11.64cm00218.0K)fp(KC3fu14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.0十字板剪切试验记录表转角（度）原状土重塑土灵敏度St应变仪读数剪应力（kPa）应变仪读数剪应力（kPa）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082uutCCS14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.03.0绘制抗剪强度与转角的关系曲线绘制抗剪强度与深度的关系曲线第五节试验成果应用一、评定软土地基承载力承载力的计算主要取决于土的不排水抗剪强度。如中国建筑科学研究院的经验：式中，fk——地基承载力标准值；γ——土的重度；h——基础埋置深度。hcfuk（使用值）2十字板剪切试验主要用途就是确定天然不排水抗剪强度。该法主要适用于饱和软粘土，砂性土或粉性土要慎重使用，对含有夹层的地基应剔除偏大的数值，之后分层取平均值。十字板试验的最大优点是强度值比较稳定，数值的可靠性较大。在使用时，可按第四节介绍的方法进行修正。二、估算单桩极限承载力按美国石油协会(1980)相关规程，桩侧极限摩阻力pf，可按下式估计：pf＝αcu式中α为折减系数．根据下列条件取值：当cu＜=25kPa时，α＝1.0；当cu=75kPa时，α＝0.5；当25kPacu＜75kPa时，α在0.5~1.0之间线性插值。桩端极限端承力pb近似取为：pb＝9cu根据这两式，可估算单桩的极限承载力。三、评价地基土的原位状态1、估算地基土的液性指数Johnson（1988）对大量试验结果进行了统计，得到如下经验关系式：式中，cu——原状土的十字板抗剪强度；σ’v——土中竖向有效应力。LvuI..c235017102、评价地基土的应力历史（1）利用十字板不排水抗剪强度与深度的关系曲线，可判断土的固结应力历史。如图所示。土的十字板不排水抗剪强度随深度的变化（2）我国《铁路工程地质原位测试规程》（TB10041－2003）建议的方法a)按回归直线交于d轴的截距Δd的正负进行判断：Δd0，为超固结土；Δd＝0，为正常固结土；Δd0，为欠固结土；b)土的超固结比采用Mayne（1988）提出的关系式进行估算：m——与土质地区特性有关的经验系数；可取－0.48；σ’nc——正常固结土的有效自重应力。ncmpu)I(22cOCR3、测定饱和粘土的灵敏度灵敏度对工程设计与施工工艺的确定是起很大作用的。在十字板试验中可以很方便的测定出来。在测定原状土的天然强度之后，将十字板旋转6阁，然后重复进行试验，又测得扰动土的强度，二者的比值即为灵敏度St，即中国的淤泥及淤泥质粘土的灵敏度大多为10左右；国外有些软粘土的灵敏度可高达几百甚至一千多。在借鉴国外资料时，要注意土性的差异程度。uutccS四、确定地基土强度的变化规律在快速堆载条件下，由于土中孔隙水压力升高，软弱地基的强度会降低。但是，经过一定时间的排水，强度又会恢