十字板剪切实验.doc

高等土力学22页
将十字钢板插入土中，施加扭矩达到最大值Tmax时，十字板在土中被扭动（如高土图1-29），通过这个扭矩来计算土的抗剪强度，对于野外试验，板高与外径之比一般为H/D=2。对于各向同性的土：

实际上，现场土常常是各向异性的，对于正常固结土，水平面上的抗剪强度一般大于垂直面上的抗剪强度。用上述公式计算的τf一般偏大，常经过修正后使用。
适用于软塑到硬塑状态的粘土，对于饱和软粘土，它测得的抗剪强度相当于不排水抗剪强度cu。
十字板剪切试验是在钻孔中进行的，其目的是测定饱水软粘土的抗剪强度。
十字板剪切试验工程适用条件：
（1）沿海软土分布地区但不会有砂层、砾石、贝壳等成分的软粘土。
（2）会有粉砂夹层者，其测定结果往往偏大。
可以获得的物理力学性质参数
软土的不排水抗剪强度（Cu）；
计算重塑土不排水抗剪强（Cu`），绘制抗剪强度随试验深度的变化曲线；
计算出的灵敏度（S），估计地基容许承载力[R]及确定软土路堤的临界高度或极限高度和变形模量（E0）。

主要试验目的
1.测求饱和粘性土的不排水 抗剪强度和灵敏度； 不排水抗剪强度峰
2.估算地基土承载力和单桩 十字板剪 值cu(kPa)和残余值 承载力；
3.切试验 c’u(kPa) 3 计算边坡稳定性；
4.判断软粘性土的应力历史 。

注意事项：
1试验过程中，插入不同深度、十字板插入深度不应小于钻孔或套管直径的3-5倍；孔间距大于0.75-1米。
2、十字板插入土后应停留2-3分钟，太短或太长会使强度减小或增大。
3、剪切速度一般为1°-2°/10秒，过快（粘滞性）过慢（固结）会使强度增加。一般3-10分钟会出现峰值后应继续剪切1分钟。
4、测出峰值后应快速转动6周，测重塑土的不排水抗剪强度。
5、十字板的规格：板高/板宽=2，刃角60°，面积比=13%-14%（越小越好）。
6、由于圆柱侧面和顶面达到剪切破坏不是同时的，因此强度并不是真正的峰值，是一种平均抗剪强度

实验3：十字板剪切试验
这是一种原位测试土抗剪强度的方法。室内的抗剪强度测试要求取得原状土样。但由于试样在采取、运送、保存和制备等方面不可避免地受到扰动，含水量也很难保持，特别是对于高灵敏度的软粘土，室内试验结果的精度就受到影响。十字板剪切试验不需取原状土样，试验时的排水条件、受力状态与土所处的天然状态比较接近，对于很难取样的土，如软粘土，也可以进行测试。原理如下：
试验时先将套管打到预定的深度，并将套管内的土清除。将十字板装在钻杆的下端后，通过套管压入土中，压入深度约为750mm。然后由地面上的扭力设备对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土剪切破坏。破坏面为十字板旋转所形成的圆柱面。
设剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该与剪切破坏圆柱面(包括侧面和上下面)上土的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即

式中 M--剪切破坏时的扭力矩，kN×m；
、 --剪切破坏时的圆柱体侧面和上下面土的抗剪强度，kPa；
H--十字板的高度，m；
D--十字板的直径，m。
严格地讲， 和 是不同的。爱斯(Aas)曾利用不同的D/H的十字剪力仪测定饱和粘性土的抗剪强度。试验结果表明：对于所试验的正常固结饱和粘性土， / =1.5～2.0，对于稍超固结的饱和软粘土， / =1.1。实用上为了简化计算，目前在常规的十字板试验中仍假设 = ，将这一假设代入式(3-15)中，得

式中 ――在现场由十字板测定的土的抗剪强度，kPa；其余符号同前。
由十字板在现场测定的土的抗剪强度，属于不排水剪切的试验条件，因此其结果应与无侧限抗压强度试验结果接近，即
十字板剪切仪适用于饱和软粘土，特别适用于难于取样或试样在自重作用下不能保持原有形状的软粘土。它的优点是构造简单，操作方便，试验时对土的结构扰动也较小，故在实际中广泛得到应用。
（五）十字板剪切试验（VST）
十字板剪切试验于1928年在瑞士奥尔桑（J·Olsson）首先提出。在我国于1954年开始使用十字板剪切试验以来，在沿海软土地区被广泛使用。十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土层快剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法。这种方法侧得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层的不排水抗剪强度，在理论上它相当于三轴不排水剪的总强度，或无侧限抗压强度的一半（=0）。由于十字板剪切试验不需采取土样，特别对于难以取样的灵敏性高的粘性土，它可以在现场基本保持天然应力状态下进行扭剪。长期以来十字板剪切试验被认为是一种较为有效的、可靠的现场测试方法，与钻探取样室内试验相比，土体的扰动较小，而且试验简便。
但在有些情况下已发现十字板剪切试验所测得的抗剪强度在地基不排水稳定分析中偏于不安全，对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘性土，十字板剪切试验会有较大的误差。因此将十字板抗剪强度直接用于工程实践中，要考虑到一些影响因素。
1.十字板剪切试验的基本技术要求
使字板尺寸
H（mm）
D（mm）
厚度（mm）
国内
100
50
2～3
150
75
2～3
国外
12512.5
62.512.5
2
(1)十字板尺寸：常用的十字板尺寸 十字板尺寸 表8-33
为矩形，高径比(H/D为2)。国外使用的十字板尺寸与国内常用的十字板尺寸不同，见表8-33。
(2)对于钻孔十字板剪切试验，十字板插入孔底以下的深度应大于5倍钻孔径，以保证十字板能在不扰动土中进行剪切试验。
(3)十字板插入土中与开始扭剪的间歇时间应小于5min。因为插入时产生的超孔隙水压力的消散，会使侧向有效应力增长。拖斯坦桑(Torstensson(1977))发现间歇时间为1h和7d的，试验所得不排水抗剪强度比间歇时间为5min的，约分别增长9%和19%。
(4)扭剪速率也应很好控制。剪切速率过慢，由于排水导致强大增长。剪切速率过快，对饱和软粘性土由于粘滞效应也使强度增长。一般应控制扭剪速率为1。～2。/10s，并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。
(5)重塑土的不排水抗剪强度，应在峰值强度或稳定值强度出现后，顺剪切扭转方向连续转动6圈后测定。
(6)十字板剪切板试验抗剪强度的测定精度应达到1～2kPa。
(7)为测定软粘性土不排水抗剪强随深度的变化，试验点竖向间距应取为1m，或根据静力触探等资料布置验点。
2.十字板剪切试验的基本原理
十字板剪切试验包括钻孔十字班剪切试验和贯入电测十字板剪切试验，其基本原理都是：施加一定的扭转力矩，将土体剪坏，测定土体对抗扭剪的最大力矩，通过换算得到土体抗剪强度值(假定a=0)。假设土体是各向同性介质，即水平面的不排水抗剪强度(Cu)h与垂直面上的不排水抗剪强度(Cu)v相同：(Cu)v=(Cu)h。旋转十字板头时，在土体中形成一个直径为D，高为H的圆柱剪切破坏面。由于假设土体是各向同性的，因此该圆柱剪损面的侧表面及顶底面上各点的抗剪强度相等，则旋转过程中，土体产生的最大抗扭矩M由圆柱侧表面的抵抗扭矩M1和圆柱底面的抵抗扭矩M2组成。
（8－45）
式中：

则：
（8－46）
所以
（8－47）
式中 ――与圆柱顶底面剪应力的分布有关的系数，见表8-34；
――十字板稳定最大扭转矩(即土体的最大抵抗扭矩).
值 表8－34
圆柱顶底面剪应力分布
均匀
抛物线
三角形

2/3
3/5
1/2
影响十字板剪切试验的因素很多，有些因素，如十字板厚度、间歇时间和扭转速率等。已由技术标准加以控制了，但有些因素是无法人为控制的。例如：土的各向异性，剪切面剪应力的非均匀分布，应变软化和剪切破坏圆柱直径大于十字板直径等等。所有这些因素的影响大小，均与土类，土的塑性指数Ip和灵敏度St有关。当Ip高，St大，各因素的影响也大。故对于高塑性的灵敏粘土，对十字板剪切试验的成果，要做慎重分析。
3.十字板剪切试验的适用范围和目的
十字板剪切试验适用于灵敏度St<10，固结系数Cv<100m2/年的均质饱和软粘性土。其目的有：
(1)测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度Cu；
(2)估算软粘性土的灵敏度St。
4.十字板剪切试验成果的应用
十字板剪切试验成果主要有：十字板不排水抗剪强度Cu随深度的变化曲线，即Cu-h关系曲线。
十字板不排水抗剪强度一般偏高，要经过修正以后，才能用于实际工程问题。其修正方法有：
(8－48)
式中 －－土的现场不排水抗剪强度(kPa)；
――十字板实测不排水抗剪强度(KPa)；
――修正系数，按表8-35选取。
国外约翰逊(johnson 1988)等对墨西哥海湾深水软土的试验：
（8－49）
(20<=<=80)
（8－50）
（）
十字剪板修正系数 表8-35
液性指数
10
15
20
25

各向同性土
0.91
0.88
0.85
0.82
各向异性土
0.95
0.92
0.90
0.88
经过修正后的十字板不排水抗剪强度可用于平定地基土的现场不排水抗剪强度，即式(8－48)确定的。
用也可以确定软土地基的承载力：
根据中国建筑科学研究院，华东电力设计院的经验，依据评定软土地基承载力标准值(kPa)的公式为：
（8－51）
式中:――土的重度(kN/m3)；
――基础埋置深度(m)。
也可以利用地基土承载力的理论公式，根据确定地基土的承载力.
用十字板实测不排水抗剪强度可以估算软土的液性指数IL
（8－52）
式中：-扰动的十字板不排水抗剪强度(kPa).
约翰逊等曾统计得：
（8－53）
式中:――上覆压力(kPa).