第5章_十字板剪切試驗

1、第5章 十字板剪切試驗主講：崔德山目 錄 1. 概述 2. 十字板測試原理 3. 電測式十字板剪切試驗 4. 影響測試成果的主要因素 5. 成果的應(yīng)用 6. 新產(chǎn)品介紹 7. 試驗總結(jié)與要求 8. 下節(jié)預(yù)告1. 概述 十字板剪切試驗( Vane Shear Test ,簡稱VST)適用于原位測定飽水軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度。所測得的抗剪強(qiáng)度值，相當(dāng)于試驗深度處天然土層在原位壓力下固結(jié)的不排水抗剪強(qiáng)度;由于十字板剪切試驗不需要采取土樣，避免了土樣擾動及天然應(yīng)力狀態(tài)的改變，是一種有效的現(xiàn)場測試方法。 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;根據(jù)貫入方式的不同,又可分為預(yù)鉆孔十

2、字板剪切試驗和自鉆式十字板剪切試驗(Self-Boring Vane Shear Test,簡稱SBVST)。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。 十字板剪切試驗在我國沿海軟土地區(qū)被廣泛使用。它可在現(xiàn)場基本保持原位應(yīng)力條件下進(jìn)行扭剪。適用于靈敏度小于10的均質(zhì)飽和軟粘土。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。十字板剪切試驗會有較大的誤差，使用時必須謹(jǐn)慎。試驗項目測定參數(shù)主要試驗?zāi)康氖职寮羟性囼灢慌潘辜魪?qiáng)度峰值cu(kPa)和殘余值cu(kPa)1 測求飽和粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度和靈敏度；2 估算地基土承載力和單樁承載力；3 計算邊坡穩(wěn)定性；4 判斷軟

3、粘性土的應(yīng)力歷史。優(yōu)點和缺點 VST主要用于測定飽水軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度。它具有下列優(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(jìn)行扭剪。所求軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比其他方法都可靠。 (2) 野外測試設(shè)備輕便，操作容易。 (3) 測試速度較快，效率高，成果整理簡單。 其缺點是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。2. 十字板測試原理 十字板剪切試驗的原理，即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

4、換算得到土體不排水抗剪強(qiáng)度。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，并假定該剪損面的側(cè)面和上、下底面上土的抗剪強(qiáng)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MM1+M2。圖中所示為板頭側(cè)面的圖中所示為板頭側(cè)面的剪切阻力分布剪切阻力分布圖中所示為在板頭上、圖中所示為在板頭上、下面的剪切阻力分布。下面的剪切阻力分布。CvCHHHHHCDCDDHMMMMDDDHDCDDMCDCDDCDDHMvv3321113133322162)( ,121234M 2桿的直徑為和

5、十字板頭接觸處軸為板頭的直徑和高度。頂面的抗扭矩為：圓柱體底面的抗扭矩為：圓柱體側(cè)面的抗扭矩為就可確定出來。由此讀數(shù)傳感器的率定系數(shù)，如下可以通過電測儀表測出uDuHvvCRRMHDMCCCCDCDDHMMMMH- ,- M26 2323321nVST 是對壓入粘土中的十字板頭施加扭矩，使是對壓入粘土中的十字板頭施加扭矩，使十字板頭以一定速率旋轉(zhuǎn)，在土層中形成圓柱形十字板頭以一定速率旋轉(zhuǎn)，在土層中形成圓柱形的破壞面，測定土剪切破壞時的最大扭矩，即可的破壞面，測定土剪切破壞時的最大扭矩，即可得到土的抗剪強(qiáng)度。得到土的抗剪強(qiáng)度。3. 十字板剪切試驗分類 開口鋼環(huán)式十字板剪切儀 輕便式十字板剪切儀

6、電測式十字板剪切儀3. 電測式十字板剪切試驗壓入主機(jī)壓入主機(jī)十字板頭十字板頭扭力傳感器扭力傳感器量測扭力的儀表量測扭力的儀表施加扭力裝置施加扭力裝置其它（探桿等）其它（探桿等）試驗步驟 平整場地，安裝機(jī)架，并固定平整場地，安裝機(jī)架，并固定 把板頭壓至測試深度把板頭壓至測試深度 卡住鉆桿，并調(diào)零卡住鉆桿，并調(diào)零 轉(zhuǎn)動手柄，旋轉(zhuǎn)鉆桿，使板頭產(chǎn)生扭矩轉(zhuǎn)動手柄，旋轉(zhuǎn)鉆桿，使板頭產(chǎn)生扭矩(每每10秒使搖柄轉(zhuǎn)動一圈，每轉(zhuǎn)動一圈測記應(yīng)變讀秒使搖柄轉(zhuǎn)動一圈，每轉(zhuǎn)動一圈測記應(yīng)變讀數(shù)一次。數(shù)一次。 ) 測量扭矩直至峰值出現(xiàn)測量扭矩直至峰值出現(xiàn) 松動鉆桿松動鉆桿 完全擾動測試土體，重復(fù)完全擾動測試土體，重復(fù)2-5測

7、量擾動土的剪測量擾動土的剪切強(qiáng)度。切強(qiáng)度。注意事項注意事項 應(yīng)先將電纜穿過施加扭力裝置的中心孔，然后應(yīng)先將電纜穿過施加扭力裝置的中心孔，然后再穿入探桿；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；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，十字板頭旋勻速轉(zhuǎn)動手搖柄，搖柄每轉(zhuǎn)一圈，十字板頭旋轉(zhuǎn)一度。轉(zhuǎn)一度。 測試重塑土?xí)r，用扳手或管鉗快速將探桿順時測試重塑土?xí)r，用扳手或管鉗快速將探桿順時針方向旋轉(zhuǎn)針方向旋轉(zhuǎn)6圈，使十字板頭周圍的土充分?jǐn)_圈，使十字板頭周圍的土充分?jǐn)_動后，立即擰緊鉆桿夾具動后，立即擰緊鉆桿夾具4. 試驗條件和影響因素 4.1主要適用于飽和軟粘性土層

8、，但若土層含有砂層、礫石、貝殼、樹根及其他未分解有機(jī)質(zhì)時不宜采用。測試深度一般在30m以內(nèi)，目前陸上最大測試深度已超過50m。1、十字板頭的旋轉(zhuǎn)速率、十字板頭的旋轉(zhuǎn)速率（1）剪切（旋轉(zhuǎn)）速率越大，抗剪強(qiáng)度越）剪切（旋轉(zhuǎn)）速率越大，抗剪強(qiáng)度越大，應(yīng)規(guī)定一個統(tǒng)一的旋轉(zhuǎn)速率（大，應(yīng)規(guī)定一個統(tǒng)一的旋轉(zhuǎn)速率（1/10s）（2）對一般粘性土，最大的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)對一般粘性土，最大的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)在在20-30之間，所用時間為之間，所用時間為3-5min，屬不排水屬不排水抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度2、土的各向異性、土的各向異性（1）在板頭范圍內(nèi)，土的非均一性）在板頭范圍內(nèi)，土的非均一性（2）天然土層的抗剪強(qiáng)度的非等向性）

9、天然土層的抗剪強(qiáng)度的非等向性4.2 影響因素 3、十字板頭的規(guī)格、十字板頭的規(guī)格指十字板頭的形狀、板厚及軸桿直徑指十字板頭的形狀、板厚及軸桿直徑板厚及軸桿直徑越大，板頭插入土中對土的板厚及軸桿直徑越大，板頭插入土中對土的擾動越大，抗剪強(qiáng)度越小擾動越大，抗剪強(qiáng)度越小75mm150mm，厚厚3mm，軸徑軸徑16mm，6050mm100mm，厚厚2mm，軸徑軸徑13mm ，60 4、排水條件、排水條件測定的結(jié)果為土的不排水抗剪強(qiáng)度（測定的結(jié)果為土的不排水抗剪強(qiáng)度（ =0時時的的C值），但實際測試中，已有部分排水，值），但實際測試中，已有部分排水，所測所測Cu值偏大，應(yīng)修正值偏大，應(yīng)修正 5、剪應(yīng)力的

10、分布 土體扭剪破壞時，破壞面上剪應(yīng)力的分布并不是均勻的，剪應(yīng)力近邊緣處(水平面及垂直面上)均有應(yīng)力集中現(xiàn)象。Jackson(1969)提出，對計算抗剪強(qiáng)度Cu的公式進(jìn)行修正，表示為: 6、圓柱破壞面的形成 Leblane(1975)通過室內(nèi)十字板試驗發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度峰值發(fā)生在扭剪角不大時。隨著扭剪角增大，強(qiáng)度降低，直至達(dá)到殘余強(qiáng)度為止。當(dāng)扭剪角超過45度時，才發(fā)展成完整的圓柱破壞面，而且剪切破壞面實際為帶狀，其直徑比十字板葉片直徑大5%，這使計算所得抗剪強(qiáng)度值偏大。 7、觸變效應(yīng) Flaate(1966 )首先提出，試驗前十字板頭插人土中靜置的時間延長時，測得的抗剪強(qiáng)度往往會增加。這與插人十字板

11、頭所產(chǎn)生的孔隙壓力的消散和勃性土觸變強(qiáng)度的恢復(fù)有關(guān)。為增加資料的可比性，有必要對十字板插入土中和試驗之間規(guī)定一個統(tǒng)一的延遲時間。 8、試驗方法 采用不同的試驗設(shè)備、鉆進(jìn)方式或操作方法也都會影響所測試土層的抗剪強(qiáng)度。電測式十字板比非電測式的試驗結(jié)果往往偏小15-20%(當(dāng)控制剪切速率等條件相同時)。這是由于電測裝置從根本上消除了機(jī)械安裝、鉆桿彎曲、軸桿摩擦等因素的影響。5. 數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用 計算土的抗剪強(qiáng)度 計算土的靈敏度 繪制抗剪強(qiáng)度與試驗深度的關(guān)系曲線 繪制抗剪強(qiáng)度與回轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線 計算土的抗剪強(qiáng)度計算土的抗剪強(qiáng)度 Cu數(shù)。原狀土剪損時表最大讀單位讀數(shù)）傳感器率定系數(shù)（）；傳感器率定系數(shù)

12、（十字板常數(shù)yuyuRCcmHDHDKRKC;/cmN kPa 00218. 03121032 計算重塑土的抗剪強(qiáng)度計算重塑土的抗剪強(qiáng)度Cu 計算土的靈敏度計算土的靈敏度StuutCCS 重塑土剪壞時表的讀數(shù)eR10euRKC5.2 資料應(yīng)用 國內(nèi)外研究均表明，十字板剪切試驗所測得的抗剪強(qiáng)度值偏高;應(yīng)用于實際工作時應(yīng)作修正。Bjerrum(1972）建議的修正式為: (1)計算地基承載力 (2)分析飽和軟粘性土填、挖方邊坡的穩(wěn)定性 十字板抗剪強(qiáng)度較為普遍地用于軟土地基及軟土填、挖方斜坡工程的穩(wěn)定性分析與核算。根據(jù)軟土中滑動帶強(qiáng)度顯著降低的特點，用十字板能較準(zhǔn)確地確定滑動面的位置，并根據(jù)測得的抗

13、剪強(qiáng)度來反算滑動面上土的強(qiáng)度參數(shù)，為地基與邊坡穩(wěn)定性分析和確定合理的安全系數(shù)提供依據(jù)。據(jù)南京水科院、浙江水科院等單位對海堤、水庫堤壩所作的大量驗算，表明十字板抗剪強(qiáng)度一般偏大，建議在設(shè)計中安全系數(shù)不小于1.31.5為宜。 (3)檢驗地基加固改良的效果 在軟土地基堆載預(yù)壓(或配以砂井排水)處理過程中，可用十字板剪切試驗測定地基強(qiáng)度的變化，用于控制施工速率及檢驗地基加固的效果。 (4)其他 軟粘性土的靈敏度是一個重要指標(biāo)，用它可以來判斷土的成因、結(jié)構(gòu)性，并了解擾動因素(如打樁、活荷載變化劇烈等)對軟土強(qiáng)度的影響；根據(jù)抗剪強(qiáng)度與深度的關(guān)系曲線來判定土的固結(jié)性質(zhì)；根據(jù)不排水抗剪強(qiáng)度確定軟土路基的臨界高

14、度等。 估算地基容許承載力估算地基容許承載力對于內(nèi)摩擦角為零的飽和軟粘土，可以用下式對于內(nèi)摩擦角為零的飽和軟粘土，可以用下式估算地基容許承載力估算地基容許承載力RR=2Cu+ h式中：式中： 基礎(chǔ)底面以上土的容重；基礎(chǔ)底面以上土的容重； h基礎(chǔ)埋深。基礎(chǔ)埋深。 預(yù)估單樁承載力預(yù)估單樁承載力在飽和軟粘土中，單樁的極限端阻力在飽和軟粘土中，單樁的極限端阻力qp和極限和極限側(cè)摩阻力側(cè)摩阻力qf可由下式計算可由下式計算)5 . 01(9；超固結(jié)粘土軟粘土ufupCqhCq 求軟粘土靈敏度求軟粘土靈敏度野外十字板剪切實驗是確定軟粘土靈敏度的最野外十字板剪切實驗是確定軟粘土靈敏度的最可靠的方法可靠的方法u

15、utCCS十字板剪切試驗記錄表十字板剪切試驗記錄表轉(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）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082單位讀數(shù)/cmN11.64 00218. 0 103cmKRKCyu14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.8十字板剪切試驗記錄表十字板剪切試驗記錄表轉(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）510201022251547322074362510135

16、301083535101354096354589355082單位讀數(shù)/cmN11.64 00218. 0 103cmKRKCeu14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.0十字板剪切試驗記錄表十字板剪切試驗記錄表轉(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）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082uutCCS14.030.865.8103.6141.4151

17、.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.03.06. 新產(chǎn)品介紹 1、電動室內(nèi)十字板剪切儀 符合ASTM D4648規(guī)范 標(biāo)準(zhǔn)型電動十字板剪切儀旋轉(zhuǎn)速度恒定，10/分鐘，包含有標(biāo)準(zhǔn)的12.7x12.7mm十字板頭。 ASTM特殊版S2301，旋轉(zhuǎn)速度更快，60-90/分鐘，帶有可選擇的十字板頭，直徑12.7mm，高度25.4mm。設(shè)備由四個彈簧中的一個進(jìn)行加載。 S2302型為室內(nèi)手動十字板剪切儀。 手動便攜式十字板剪切儀 用于初步測試軟粘土和中等強(qiáng)度硬粘土的天然不排水抗剪強(qiáng)度 使用快速簡單，重量輕 手動直接鉆孔，深度可

18、達(dá)3米 三種十字板尺寸：量程從0到200kPa 微型十字板剪切儀 標(biāo)準(zhǔn)十字板基座刻度范圍0-1kg/cm2，最小刻度為0.05 kg/cm2，這樣目視精度接近0.01kg/m2 ，除了標(biāo)準(zhǔn)十字板頭外，另外兩個十字板頭范圍分別為0-2.5和0-0.2 kg/cm2。 十字板剪切儀和貫入儀同時使用，可以快速對土體的內(nèi)摩擦角進(jìn)行評估，或者用來判定土體是否是粘性的。 重量：0.5公斤E-286 十字板剪切E-286十字板剪切儀緊湊小巧，可放置于攜帶箱中，能快速測試土體的基礎(chǔ)、掘進(jìn)、坑槽的穩(wěn)定性?？偡秶?-260kPa。手柄上的刻度讀數(shù)能保持最大值，直到重新復(fù)位。精度10%。包含有三種尺寸的十字板頭：1

19、6x32mm, 20 x40mm,25.4x50.8mm。有效測試范圍0-260kPa；0-130kPa；0-65kPa?？蛇x50.8x101.6mm十字板頭用來測試非常敏感性土體，測試范圍：0-8.125kPa，一個模擬板頭用來標(biāo)定延長桿和土體摩擦。延長桿共6根，每根長0.5米。分隔放置攜帶箱并帶有兩個小扳手重量：3公斤序序號號產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)品規(guī)格單單位位數(shù)數(shù)量量單價單價金額金額RE: MARTEST（意大利）（意大利） 1915419154元元（人民幣（人民幣）（人民幣（人民幣）便攜式十字板剪切試驗便攜式十字板剪切試驗1S057 現(xiàn)場勘查便攜式十字板。配備多種十字板剪切頭，及安裝工具。貫入深度

20、：60mm，可通過500cm的延伸桿加長，測量范圍：0-200kPa,包裝箱尺寸規(guī)格：500*300*100mm,重4kg。pc111046110462S057-1 延長桿，每根500mm長。pc1130013003S075 便攜式十字板儀。包括1個測量表頭及袖珍十字板，表頭量程0-1KG,十字板探頭規(guī)格：10*20mm(直徑*高）pc1312931294S075 便攜式十字板儀。包括1個測量表頭及袖珍十字板，表頭量程0-1KG,十字板探頭規(guī)格：10*20mm(直徑*高）pc1312931295S076-01 不銹鋼十字板頭，規(guī)格：10*20mm(直徑*高）pc1550550電動野外十字板剪切

21、儀EF-1004歐洲標(biāo)準(zhǔn)型:十字板( x h, 量程): 65 x 130 mm, 200 kPa刀刃形狀: 頂端全部直角十字板保護(hù)鞘: 外徑75, 長度820 mm延長管: 外徑42延長桿: 22 x 1000 mm滑動接口: 15 順時針方向標(biāo)準(zhǔn)型:十字板( x h, 量程): 50 x 110 mm, 200 kPa65 x 130 mm, 100 kPa80 x 172 mm, 50 kPa刀刃形狀： 頂端全部錐形延長桿: 22 x 1000 mm滑動接口: 15 clockwise序序號號產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)品規(guī)格單單位位數(shù)數(shù)量量單價單價金額金額RE: ELE（UK）（人民幣）（人民幣）（人民