巖土工程測(cè)試十字板剪切試驗(yàn)

巖土工程測(cè)試技術(shù)第六章十字板剪切試驗(yàn)第一節(jié)概述第二節(jié)試驗(yàn)的原理與儀器設(shè)備第三節(jié)試驗(yàn)方法與技術(shù)要求第四節(jié)試驗(yàn)資料整理及影響因素分析第五節(jié)試驗(yàn)成果應(yīng)用巖土工程測(cè)試技術(shù)第一節(jié)概述一、定義十字板剪切試驗(yàn)（VaneShearTest簡(jiǎn)稱VST）是一種通過(guò)對(duì)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(guò)換算評(píng)定地基土不排水抗剪強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。巖土工程測(cè)試技術(shù)二、十字板剪切試驗(yàn)的發(fā)展

此項(xiàng)技術(shù)最初由瑞典人在1919年提出來(lái)的，到40年代有巨大進(jìn)展。其間，英國(guó)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(xiàn)。此后，在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，50年代由南京水利科學(xué)院引進(jìn)，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(shí)十余年的工作奠定了在我國(guó)的應(yīng)用基礎(chǔ)。此后，我國(guó)很多單位在設(shè)備的改進(jìn)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方面做了大量工作。巖土工程測(cè)試技術(shù)三、十字板剪切試驗(yàn)的分類

（1）根據(jù)十字板儀的不同，十字板剪切試驗(yàn)可分為普通十字板和電測(cè)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(yàn)和自鉆式十字板剪切試驗(yàn)。（3）從技術(shù)發(fā)展和使用方便的角度，自鉆式電測(cè)十字板儀具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

巖土工程測(cè)試技術(shù)四、優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn)：（1）不用取樣，特別是對(duì)難以取樣的靈敏度高的粘性土，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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）所測(cè)得的強(qiáng)度能較好的反映土的天然強(qiáng)度；（3）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。缺點(diǎn)：對(duì)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(huì)有較大誤差，使用時(shí)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(duì)硬塑粘性土和含有礫石雜物的土不宜采用，否則會(huì)損傷十字板頭。

巖土工程測(cè)試技術(shù)五、十字板剪切試驗(yàn)的應(yīng)用

測(cè)定原位應(yīng)力條件下軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度；評(píng)定軟粘性土的靈敏度；計(jì)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(cè)試技術(shù)第二節(jié)試驗(yàn)的原理與儀器設(shè)備十字板剪切試驗(yàn)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(cè)定土體抵抗扭損的最大力矩，通過(guò)換算得到土體不排水抗剪強(qiáng)度Cu值(假定φ=0)。一、試驗(yàn)基本原理

河南城建學(xué)院巖土工程測(cè)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(cè)試技術(shù)

十字板頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中假設(shè)在土體中產(chǎn)生一個(gè)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(qiáng)度都相等。在剪損過(guò)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(cè)試技術(shù)則式中，cu——十字板抗剪強(qiáng)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(cè)試技術(shù)（1）普通十字板儀對(duì)于普通十字板儀，上式中的M值應(yīng)等于試驗(yàn)測(cè)得的總力矩減去軸桿與土體間的摩擦力矩和儀器機(jī)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(jī)械阻力，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)使十字板儀與軸桿脫離進(jìn)行測(cè)定；R——施力轉(zhuǎn)盤半徑。將上式代入cu表達(dá)式，得：河南城建學(xué)院巖土工程測(cè)試技術(shù)前面的系數(shù)對(duì)于一定規(guī)格的十字板儀來(lái)說(shuō)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(cè)試技術(shù)（2）電測(cè)十字板儀對(duì)于電測(cè)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(cè)定的只是作用在十字板頭上的扭力。因此，在計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，不必進(jìn)行軸桿與土體間的摩擦力和儀器機(jī)械摩阻力修正。河南城建學(xué)院巖土工程測(cè)試技術(shù)二、試驗(yàn)的儀器設(shè)備壓入主機(jī)十字板頭扭力傳感器量測(cè)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(cè)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(duì)于普通十字板儀，軸桿與十字板頭的連接方式，有國(guó)內(nèi)廣泛使用的離合式和套筒式。測(cè)力裝置有開(kāi)口鋼環(huán)測(cè)力裝置和電阻應(yīng)變式測(cè)力裝置。

電測(cè)式十字板剪切儀與鋼環(huán)式的主要區(qū)別在于，其測(cè)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(cè)十字扳頭的剪切扭力，可不必進(jìn)行探桿及軸桿的摩擦校正。因此，電測(cè)式十字板剪切儀操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)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(cè)試技術(shù)第三節(jié)試驗(yàn)方法及技術(shù)要求

一、試驗(yàn)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(yàn)應(yīng)滿足以下主要技術(shù)要求：鉆孔十字板剪切試驗(yàn)時(shí)，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(dòng)土中進(jìn)行剪切試驗(yàn)。一般，在同一孔內(nèi)進(jìn)行不同深度點(diǎn)的剪切試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)間距不小于0.75～1.0m。為保證十字極頭旋轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生擺動(dòng)，試驗(yàn)所用探桿必須平直，前5m的探桿要求更高些。對(duì)鋼環(huán)式十字板試驗(yàn)，探桿上應(yīng)裝導(dǎo)輪，在上、下部各裝一導(dǎo)輪，試驗(yàn)深度較大時(shí)，導(dǎo)輪間距不宜大于10m。河南城建學(xué)院巖土工程測(cè)試技術(shù)

十字板頭插入土中試驗(yàn)深度后，應(yīng)靜置2～3min，方可開(kāi)始剪切試驗(yàn)。因?yàn)椴迦霑r(shí)在十字板頭四周產(chǎn)生超孔隙水壓力，靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，孔隙壓力消散會(huì)使有效應(yīng)力增長(zhǎng)，使不排水抗剪強(qiáng)度增大；若靜置時(shí)間過(guò)短，土稍稍被擾動(dòng)還來(lái)不及恢復(fù)，測(cè)出的強(qiáng)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(guò)慢，由于排水導(dǎo)致強(qiáng)度增長(zhǎng)。剪切速率過(guò)快，對(duì)于飽和軟粘性土，由于粘滯效應(yīng)，也使強(qiáng)度增長(zhǎng)。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(jìn)行剪切試驗(yàn)。測(cè)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(cè)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(cè)試技術(shù)

在峰值強(qiáng)度或穩(wěn)定值測(cè)試完畢后，順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)6圈，使十字板頭周圍土體充分?jǐn)_動(dòng)，然后測(cè)定重塑土的不排水強(qiáng)度。對(duì)于開(kāi)口鋼環(huán)十字板剪切儀、應(yīng)進(jìn)行軸桿與土之間摩擦阻力影響的修正．對(duì)于電測(cè)十字板剪切儀，不需進(jìn)行此項(xiàng)修正。扭力傳感器應(yīng)定期標(biāo)定，一般應(yīng)三個(gè)月標(biāo)定一次，如使用過(guò)程中出現(xiàn)異常．也應(yīng)重新標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)所用的傳感器、導(dǎo)線和測(cè)量?jī)x器應(yīng)與試驗(yàn)時(shí)相同。河南城建學(xué)院巖土工程測(cè)試技術(shù)二、十字板剪切試驗(yàn)方法與步驟河南城建學(xué)院巖土工程測(cè)試技術(shù)注意事項(xiàng)：

應(yīng)先將電纜穿過(guò)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(dòng)手搖柄，搖柄每轉(zhuǎn)一圈，十字板頭旋轉(zhuǎn)一度。測(cè)試重塑土?xí)r，用扳手或管鉗快速將探桿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)6圈，使十字板頭周圍的土充分?jǐn)_動(dòng)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(cè)試三技術(shù)對(duì)于三自鉆三式電三測(cè)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(jī)三具將三十字三板頭三壓入三到試三驗(yàn)深三度，三則不三存在三下套三管和三鉆孔三護(hù)壁三問(wèn)題三。電測(cè)三式十三字板三剪切三儀在三進(jìn)行三重塑三土剪三切試三驗(yàn)時(shí)三也存三在問(wèn)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(qiáng)三度測(cè)三試完三畢后三，應(yīng)三連續(xù)三轉(zhuǎn)動(dòng)6圈，三使十三字板三頭周三圍土三體充三分?jǐn)_三動(dòng)。三但由三于電三測(cè)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(dòng)時(shí)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(xiàng)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(cè)試三技術(shù)第四三節(jié)三試驗(yàn)三資料三整理三及影三響因三素分三析一、三試驗(yàn)三資料三的整三理十字三板剪三切試三驗(yàn)的三資料三整理三應(yīng)包三括以三下內(nèi)三容：（1）計(jì)三算各三試驗(yàn)三點(diǎn)原三狀土三的不三排水三抗剪三強(qiáng)度三、重三塑土三抗剪三強(qiáng)度三和土三的靈三敏度三；（2）繪三制各三個(gè)單三孔土三的不三排水三抗剪三強(qiáng)度三、重三塑土三抗剪三強(qiáng)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(yàn)三點(diǎn)土三的抗三剪強(qiáng)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(yàn)三和土三層條三件，三對(duì)實(shí)三測(cè)的三不排三水抗三剪強(qiáng)三度進(jìn)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(cè)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(qiáng)度三存在三隨深三度的三增加三而增三長(zhǎng)的三規(guī)律三。對(duì)于三同一三土層三，可三以采三用統(tǒng)三計(jì)分三析的三方法三對(duì)試三驗(yàn)數(shù)三據(jù)進(jìn)三行統(tǒng)三計(jì)。三在統(tǒng)三計(jì)中三應(yīng)剔三除個(gè)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(cè)試三技術(shù)二、三測(cè)試三數(shù)據(jù)三處理1、計(jì)三算土三的抗三剪強(qiáng)三度Cu2、計(jì)三算重三塑土三的抗三剪強(qiáng)三度Cu′3、計(jì)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(cè)試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗(yàn)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(cè)試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗(yàn)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(cè)試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗(yàn)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(cè)試三技術(shù)繪制三抗剪三強(qiáng)度三與轉(zhuǎn)三角的三關(guān)系三曲線繪制三抗剪三強(qiáng)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(cè)試三技術(shù)三、三試驗(yàn)三結(jié)果三修正三方法1、不三排水三抗剪三強(qiáng)度三修正將現(xiàn)三場(chǎng)實(shí)三測(cè)土三的十三字板三抗剪三用于三工程三設(shè)計(jì)三時(shí)，三可按三下式三進(jìn)行三修正三：式中三，μ為修三正系三數(shù)。（1）我三國(guó)《鐵路三工程三地質(zhì)三原位三測(cè)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(shí)，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(cè)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(qiáng)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(cè)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(yàn)的三經(jīng)驗(yàn)三，μ取值三如下三：當(dāng)20三≤Ip≤8三0時(shí)，或當(dāng)0.三2≤IL≤1三.3時(shí)，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(cè)試三技術(shù)第五三節(jié)三試驗(yàn)三成果三應(yīng)用一、三評(píng)定三軟土三地基三承載三力承載三力的三計(jì)算三主要三取決三于土三的不三排水三抗剪三強(qiáng)度三。如三中國(guó)三建筑三科學(xué)三研究三院的三經(jīng)驗(yàn)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(cè)試三技術(shù)十字三板剪三切試三驗(yàn)主三要用三途就三是確三定天三然不三排水三抗剪三強(qiáng)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(duì)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(yàn)的三最大三優(yōu)點(diǎn)三是強(qiáng)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(shí)三，可三按第三四節(jié)三介紹三的方三法進(jìn)三行修三正。河南三城建三學(xué)院巖土三工程三測(cè)試三技術(shù)二、三估算三單樁三極限三承載三力按美三國(guó)石三油協(xié)三會(huì)(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(jì)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(shí)，α＝1.三0；當(dāng)cu>=三75三kP三a時(shí)，α＝0.三5；當(dāng)25三kP三a<cu＜75三kP三a時(shí)，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(cè)試三技術(shù)三、三評(píng)價(jià)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(duì)三大量三試驗(yàn)三結(jié)果三進(jìn)行三了統(tǒng)三計(jì)，三得到三如下三經(jīng)驗(yàn)三關(guān)系三式：式中三，cu——原狀三土的三十字三板抗三剪強(qiáng)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(cè)試三技術(shù)2、評(píng)三價(jià)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(qiáng)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(qiáng)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(cè)試三技術(shù)（2）我三國(guó)《鐵路三工程三地質(zhì)三原位三測(cè)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(jìn)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(jìn)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(yàn)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(cè)試三技術(shù)3、測(cè)三定飽三和粘三土的三靈敏三度靈敏三度對(duì)三工程三設(shè)計(jì)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(yàn)三中可三以很三方便三的測(cè)三定出三來(lái)。三在測(cè)三定原三狀土三的天三然強(qiáng)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(jìn)行三試驗(yàn)三，又三測(cè)得三擾動(dòng)三土的三強(qiáng)度三，二三者的三比值三即為三靈敏三度St，即中國(guó)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