巖土工程測試十字板剪切試驗

巖土工程測試技術(shù)第六章十字板剪切試驗第一節(jié)概述第二節(jié)試驗的原理與儀器設(shè)備第三節(jié)試驗方法與技術(shù)要求第四節(jié)試驗資料整理及影響因素分析第五節(jié)試驗成果應(yīng)用巖土工程測試技術(shù)第一節(jié)概述一、定義十字板剪切試驗（VaneShearTest簡稱VST）是一種通過對插入地基土中的規(guī)定形狀和尺寸的十字板頭施加扭矩，使十字板頭在土體中等速扭轉(zhuǎn)形成圓柱狀破壞面，經(jīng)過換算評定地基土不排水抗剪強度的現(xiàn)場試驗。巖土工程測試技術(shù)二、十字板剪切試驗的發(fā)展

此項技術(shù)最初由瑞典人在1919年提出來的，到40年代有巨大進展。其間，英國Skempton等人結(jié)合φ=0原理（φ=0theory）的概念及應(yīng)用上作了很大貢獻。此后，在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。在我國，50年代由南京水利科學(xué)院引進，并在沿海諸省及多條河流的沖積平原軟粘土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。歷時十余年的工作奠定了在我國的應(yīng)用基礎(chǔ)。此后，我國很多單位在設(shè)備的改進和應(yīng)用實驗方面做了大量工作。巖土工程測試技術(shù)三、十字板剪切試驗的分類

（1）根據(jù)十字板儀的不同，十字板剪切試驗可分為普通十字板和電測十字板；（2）根據(jù)貫入方式的不同，又可分為預(yù)鉆孔十字板剪切試驗和自鉆式十字板剪切試驗。（3）從技術(shù)發(fā)展和使用方便的角度，自鉆式電測十字板儀具有明顯的優(yōu)勢。

巖土工程測試技術(shù)四、優(yōu)缺點及適用性

適用土性：被沿海軟土地區(qū)廣泛使用，適用于靈敏度St<=10、固結(jié)系數(shù)cv<=100(m2/a)的均質(zhì)飽和軟粘土。優(yōu)點：（1）不用取樣，特別是對難以取樣的靈敏度高的粘性土，可以在現(xiàn)場對基本上處于天然應(yīng)力狀態(tài)下的土層進行扭剪。所求軟土抗剪強度指標(biāo)比其他方法都可靠；（2）所測得的強度能較好的反映土的天然強度；（3）設(shè)備簡單、操作方便。缺點：對于不均勻土層，特別是夾有薄層粉細(xì)砂或粉土的軟粘土，會有較大誤差，使用時必須謹(jǐn)慎。僅適用于江河湖海的沿岸地帶的軟土，適應(yīng)范圍有限，對硬塑粘性土和含有礫石雜物的土不宜采用，否則會損傷十字板頭。

巖土工程測試技術(shù)五、十字板剪切試驗的應(yīng)用

測定原位應(yīng)力條件下軟粘土的不排水抗剪強度；評定軟粘性土的靈敏度；計算地基的承載力；判斷軟粘土的固結(jié)歷史。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第二節(jié)試驗的原理與儀器設(shè)備十字板剪切試驗的原理表述：在鉆孔某深度的軟粘土中插入規(guī)定形狀和尺寸的十字板頭，施加扭轉(zhuǎn)力矩，將土體剪切破壞，測定土體抵抗扭損的最大力矩，通過換算得到土體不排水抗剪強度Cu值(假定φ=0)。一、試驗基本原理

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)圖中所示為板頭側(cè)面的剪切阻力分布圖中所示為在板頭上、下面的剪切阻力分布。CvCH河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

十字板頭旋轉(zhuǎn)過程中假設(shè)在土體中產(chǎn)生一個高度為H(十字板的高度)、直徑為D(十字板頭的直徑)的圓柱狀剪損面，如圖6－1；并假定該剪損面的側(cè)面和上、下底面上土的抗剪強度都相等。在剪損過程中，土體產(chǎn)生的最大抵抗力矩M由圓柱側(cè)表面的抵抗力矩M1和圓柱上下面的抵抗力矩M2兩部分組成。即M＝M1十M2。其中：

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)則式中，cu——十字板抗剪強度；

D——十字板頭直徑；

H——十字板頭高度。

河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)（1）普通十字板儀對于普通十字板儀，上式中的M值應(yīng)等于試驗測得的總力矩減去軸桿與土體間的摩擦力矩和儀器機械摩阻力矩，即：pf——剪損土體的總作用力；f——軸桿與土體間的摩擦力和儀器機械阻力，試驗時通過使十字板儀與軸桿脫離進行測定；R——施力轉(zhuǎn)盤半徑。將上式代入cu表達式，得：河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)前面的系數(shù)對于一定規(guī)格的十字板儀來說為一常量，稱為十字板常數(shù)k，即則有：河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)（2）電測十字板儀對于電測十字板儀，由于在十字板頭和軸桿之間有貼電阻應(yīng)變片的扭力柱連接，扭力柱測定的只是作用在十字板頭上的扭力。因此，在計算土的抗剪強度時，不必進行軸桿與土體間的摩擦力和儀器機械摩阻力修正。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)二、試驗的儀器設(shè)備壓入主機十字板頭扭力傳感器量測扭力的儀表施加扭力裝置其它（探桿等）河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

常用的十字板頭為矩形，高徑比(H/D)為2。一般在軟粘土中，選擇75mm×150mm的十字板頭較為合適，在稍硬土中，可用50mm×100mm的十字板頭。

使用的軸桿直徑為20mm。對于普通十字板儀，軸桿與十字板頭的連接方式，有國內(nèi)廣泛使用的離合式和套筒式。測力裝置有開口鋼環(huán)測力裝置和電阻應(yīng)變式測力裝置。

電測式十字板剪切儀與鋼環(huán)式的主要區(qū)別在于，其測力設(shè)備不用鋼環(huán)，而是在十字板頭上方連接貼有電阻應(yīng)變片的受扭力柱的傳感器。在地面上用電子儀器直接測十字扳頭的剪切扭力，可不必進行探桿及軸桿的摩擦校正。因此，電測式十字板剪切儀操作簡單、試驗成果比較穩(wěn)定，因而應(yīng)用廣泛。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)第三節(jié)試驗方法及技術(shù)要求

一、試驗的技術(shù)要求根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001），十字板試驗應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求：鉆孔十字板剪切試驗時，十字板頭插入孔底以下的深度不應(yīng)小于3～5倍鉆孔直徑，以保證十字板能在未擾動土中進行剪切試驗。一般，在同一孔內(nèi)進行不同深度點的剪切試驗時，試驗間距不小于0.75～1.0m。為保證十字極頭旋轉(zhuǎn)時不發(fā)生擺動，試驗所用探桿必須平直，前5m的探桿要求更高些。對鋼環(huán)式十字板試驗，探桿上應(yīng)裝導(dǎo)輪，在上、下部各裝一導(dǎo)輪，試驗深度較大時，導(dǎo)輪間距不宜大于10m。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

十字板頭插入土中試驗深度后，應(yīng)靜置2～3min，方可開始剪切試驗。因為插入時在十字板頭四周產(chǎn)生超孔隙水壓力，靜置時間過長，孔隙壓力消散會使有效應(yīng)力增長，使不排水抗剪強度增大；若靜置時間過短，土稍稍被擾動還來不及恢復(fù)，測出的強度值可能偏低。扭剪速率應(yīng)力求均勻，并控制在一定值。剪切速率過慢，由于排水導(dǎo)致強度增長。剪切速率過快，對于飽和軟粘性土，由于粘滯效應(yīng)，也使強度增長。扭剪速率宜采用(1°～2°)／10s，以此作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)速率，以便能在不排水條件下進行剪切試驗。測記每扭轉(zhuǎn)1°的扭矩，當(dāng)扭矩出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定值后．要繼續(xù)測讀1min．以便確認(rèn)峰值或穩(wěn)定扭矩。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)

在峰值強度或穩(wěn)定值測試完畢后，順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動6圈，使十字板頭周圍土體充分?jǐn)_動，然后測定重塑土的不排水強度。對于開口鋼環(huán)十字板剪切儀、應(yīng)進行軸桿與土之間摩擦阻力影響的修正．對于電測十字板剪切儀，不需進行此項修正。扭力傳感器應(yīng)定期標(biāo)定，一般應(yīng)三個月標(biāo)定一次，如使用過程中出現(xiàn)異常．也應(yīng)重新標(biāo)定。標(biāo)定時所用的傳感器、導(dǎo)線和測量儀器應(yīng)與試驗時相同。河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)二、十字板剪切試驗方法與步驟河南城建學(xué)院巖土工程測試技術(shù)注意事項：

應(yīng)先將電纜穿過施加扭力裝置的中心孔，然后再穿入探桿；在扭剪前，應(yīng)讀取初始讀數(shù)或?qū)x器調(diào)零；勻速轉(zhuǎn)動手搖柄，搖柄每轉(zhuǎn)一圈，十字板頭旋轉(zhuǎn)一度。測試重塑土?xí)r，用扳手或管鉗快速將探桿順時針方向旋轉(zhuǎn)6圈，使十字板頭周圍的土充分?jǐn)_動后，立即擰緊鉆桿夾具。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)對于三自鉆三式電三測十三字板三剪切三儀．三可以三采用三靜力三觸探三的貫三入機三具將三十字三板頭三壓入三到試三驗深三度，三則不三存在三下套三管和三鉆孔三護壁三問題三。電測三式十三字板三剪切三儀在三進行三重塑三土剪三切試三驗時三也存三在問三題。三按《巖土三工程三勘察三規(guī)范》（GB三50三02三1－20三01）的三技術(shù)三要求三，在三原狀三土峰三值強三度測三試完三畢后三，應(yīng)三連續(xù)三轉(zhuǎn)動6圈，三使十三字板三頭周三圍土三體充三分?jǐn)_三動。三但由三于電三測法三中電三纜的三存在三，當(dāng)三探桿三、扭三力柱三與十三字板三頭一三起連三續(xù)轉(zhuǎn)三動時三，電三纜的三纏繞三，甚三至接三頭處三被扭三斷，三使該三項技三術(shù)要三求難三以很三好地三執(zhí)行三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)第四三節(jié)三試驗三資料三整理三及影三響因三素分三析一、三試驗三資料三的整三理十字三板剪三切試三驗的三資料三整理三應(yīng)包三括以三下內(nèi)三容：（1）計三算各三試驗三點原三狀土三的不三排水三抗剪三強度三、重三塑土三抗剪三強度三和土三的靈三敏度三；（2）繪三制各三個單三孔土三的不三排水三抗剪三強度三、重三塑土三抗剪三強度三和靈三敏度三隨深三度的三變化三曲線三。（3）根三據(jù)需三要繪三制各三試驗三點土三的抗三剪強三度與三扭轉(zhuǎn)三角的三關(guān)系三曲線三；（4）應(yīng)三根據(jù)三地區(qū)三經(jīng)驗三和土三層條三件，三對實三測的三不排三水抗三剪強三度進三行必三要的三修正三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)一般三，飽三和軟三粘土三的十三字板三抗剪三強度三存在三隨深三度的三增加三而增三長的三規(guī)律三。對于三同一三土層三，可三以采三用統(tǒng)三計分三析的三方法三對試三驗數(shù)三據(jù)進三行統(tǒng)三計。三在統(tǒng)三計中三應(yīng)剔三除個三別的三異常三數(shù)據(jù)三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)二、三測試三數(shù)據(jù)三處理1、計三算土三的抗三剪強三度Cu2、計三算重三塑土三的抗三剪強三度Cu′3、計算三土的三靈敏三度St河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗記三錄表轉(zhuǎn)角（度）原狀土重塑土靈敏度St應(yīng)變儀讀數(shù)剪應(yīng)力（kPa）應(yīng)變儀讀數(shù)剪應(yīng)力（kPa）51020102225154732207436251013530108353510135409635458935508214三.030三.865三.810三3.三614三1.三415三1.三214三1.三413三4.三412三4.三611三4.三8河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗記三錄表轉(zhuǎn)角（度）原狀土重塑土靈敏度St應(yīng)變儀讀數(shù)剪應(yīng)力（kPa）應(yīng)變儀讀數(shù)剪應(yīng)力（kPa）51020102225154732207436251013530108353510135409635458935508214三.030三.865三.810三3.三614三1.三415三1.三214三1.三413三4.三412三4.三611三4.三828三.035三.044三.850三.449三.049三.049三.049三.049三.0河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗記三錄表轉(zhuǎn)角（度）原狀土重塑土靈敏度St應(yīng)變儀讀數(shù)剪應(yīng)力（kPa）應(yīng)變儀讀數(shù)剪應(yīng)力（kPa）51020102225154732207436251013530108353510135409635458935508214三.030三.865三.810三3.三614三1.三415三1.三214三1.三413三4.三412三4.三611三4.三828三.035三.044三.850三.449三.049三.049三.049三.049三.03.三0河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)繪制三抗剪三強度三與轉(zhuǎn)三角的三關(guān)系三曲線繪制三抗剪三強度三與深三度的三關(guān)系三曲線河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)三、三試驗三結(jié)果三修正三方法1、不三排水三抗剪三強度三修正將現(xiàn)三場實三測土三的十三字板三抗剪三用于三工程三設(shè)計三時，三可按三下式三進行三修正三：式中三，μ為修三正系三數(shù)。（1）我三國《鐵路三工程三地質(zhì)三原位三測試三規(guī)程》（TB三10三04三1－20三03）的三建議三，當(dāng)Ip三≤2三0時，三取μ＝1；當(dāng)20三<三Ip三≤4三0，取μ＝0.三9。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)（2）Bj三er三ru三m（19三73）發(fā)三現(xiàn)土三的十三字板三抗剪三強度三受土三的稠三度的三影響三，μ可依三據(jù)圖6－10取值三。修正三系數(shù)μ（Bj三er三ru三m，19三73）河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)（3）Jo三hn三so三n等(1三98三8)根據(jù)三墨西三哥海三灣的三深水三軟土三十字三板剪三切試三驗的三經(jīng)驗三，μ取值三如下三：當(dāng)20三≤Ip≤8三0時，或當(dāng)0.三2≤IL≤1三.3時，式中三，Ip——塑性三指數(shù)三；IL——液性三指數(shù)三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)第五三節(jié)三試驗三成果三應(yīng)用一、三評定三軟土三地基三承載三力承載三力的三計算三主要三取決三于土三的不三排水三抗剪三強度三。如三中國三建筑三科學(xué)三研究三院的三經(jīng)驗三：式中三，fk——地基三承載三力標(biāo)三準(zhǔn)值三；γ——土的三重度三；h——基礎(chǔ)三埋置三深度三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗主三要用三途就三是確三定天三然不三排水三抗剪三強度三。該三法主三要適三用于三飽和三軟粘三土，三砂性三土或三粉性三土要三慎重三使用三，對三含有三夾層三的地三基應(yīng)三剔除三偏大三的數(shù)三值，三之后三分層三取平三均值三。十字三板試三驗的三最大三優(yōu)點三是強三度值三比較三穩(wěn)定三，數(shù)三值的三可靠三性較三大。三在使三用時三，可三按第三四節(jié)三介紹三的方三法進三行修三正。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)二、三估算三單樁三極限三承載三力按美三國石三油協(xié)三會(1三98三0)相關(guān)三規(guī)程三，樁側(cè)三極限三摩阻三力pf，可按三下式三估計三：pf＝αcu式中α為折三減系三數(shù)．三根據(jù)三下列三條件三取值三：當(dāng)cu＜=2三5k三Pa時，α＝1.三0；當(dāng)cu>=三75三kP三a時，α＝0.三5；當(dāng)25三kP三a<cu＜75三kP三a時，α在0.三5~三1.三0之間三線性三插值三。樁端極限三端承三力pb近似三取為三：pb＝9cu根據(jù)三這兩三式，三可估三算單三樁的三極限三承載三力。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)三、三評價三地基三土的三原位三狀態(tài)1、估三算地三基土三的液三性指三數(shù)Jo三hn三so三n（19三88）對三大量三試驗三結(jié)果三進行三了統(tǒng)三計，三得到三如下三經(jīng)驗三關(guān)系三式：式中三，cu——原狀三土的三十字三板抗三剪強三度；σ’v——土中三豎向三有效三應(yīng)力三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)2、評三價地三基土三的應(yīng)三力歷三史（1）利三用十三字板三不排三水抗三剪強三度與三深度三的關(guān)三系曲三線，三可判三斷土三的固三結(jié)應(yīng)三力歷三史。三如圖三所示三。土的三十字三板不三排水三抗剪三強度三隨深三度的三變化河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)（2）我三國《鐵路三工程三地質(zhì)三原位三測試三規(guī)程》（TB三10三04三1－20三03）建三議的三方法a)按回三歸直三線交三于d軸的三截距Δd的正三負(fù)進三行判三斷：Δd三>0，為三超固三結(jié)土三；Δd＝0，為三正常三固結(jié)三土；Δd三<0，為三欠固三結(jié)土三；b)土的三超固三結(jié)比三采用Ma三yn三e（19三88）提三出的三關(guān)系三式進三行估三算：m——與土三質(zhì)地三區(qū)特三性有三關(guān)的三經(jīng)驗三系數(shù)三；可三?。?.三48；σ’nc——正常三固結(jié)三土的三有效三自重三應(yīng)力三。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測試三技術(shù)3、測三定飽三和粘三土的三靈敏三度靈敏三度對三工程三設(shè)計三與施三工工三藝的三確定三是起三很大三作用三的。三在十三字板三試驗三中可三以很三方便三的測三定出三來。三在測三定原三狀土三的天三然強三度之三后，三將十三字板三旋轉(zhuǎn)6閣，三然后三重復(fù)三進行三試驗三，又三測得三擾動三土的三強度三，二三者的三比值三即為三靈敏三度St，即中國三的淤三泥及三淤泥三質(zhì)粘三土的三靈敏三度大三多為