1、第三章 十字板剪切试验,1,主 要 内 容,一、概述二、基本测试原理三、试验设备与方法四、试验资料整理五、试验成果的应用,2,一、概述,1、定义2、十字板剪切试验的发展3、十字板剪切试验的分类4、十字板剪切试验的应用5、适用范围6、十字板剪切试验的优缺点,3,4,一、概述,1、十字板剪切试验： 十字板剪切试验：全称为野外十字板剪切试验（Field Vane Shear Test，简称FVST）是用插入软粘土中的十字板头，以一定的速率旋转，测出土的抵抗力矩，换算地基土不排水抗剪强度的现场试验。,5,一、概述,2、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
2、。其间，英国Skempton等人结合=0原理的概念在十字板剪切试验的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。,6,一、概述,3、十字板剪切试验的分类： （1）根据十字板剪切仪的传力方式不同，可分为机械式和电测式两种，机械式又称之为普通十字板剪切仪。 （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。 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。,
3、7,一、概述,4、十字板剪切试验的应用：1、测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度；2、评定软粘土的灵敏度；3、计算地基的承载力；4、判断软粘土的固结历史。,5、十字板剪切试验的适用范围：适用范围：在沿海软土地区广泛使用，适用于灵敏度St 10、固结系数cv 100(m2/a)的均质饱和软粘土。,8,一、概述,6、十字板剪切试验的优缺点：优点： （1）试验在原位进行，不用取样； （2）对无法取样和很难进行室内试验的极软粘土、岩土接触面等，可以获得必要的力学指标； （3）能更好的反映土的结构、构造特性； （4）试验中的边界条件是实际的边界条件； （5）所测得的强度能较好的反映土的天然强度； （
4、6）设备简单、操作方便。,9,一、概述,6、十字板剪切试验的优缺点：缺点： （1）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。 （2）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。,1、十字板剪切试验的原理表述：在钻孔中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，根据力矩平衡条件，通过换算得到土体不排水抗剪强度Cu值(假定=0)。,二、基本测试原理,10,2、十字板剪切试验原理基本假定：,二、基本测试原理,十字板头旋转过程中假设在土体中
5、产生个高度为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，如右图；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MM1十M2。其中：,11,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。,12,（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
6、表达式，得：,二、基本测试原理,13,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,则有：,14,（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。,二、基本测试原理,15,三、试验测备与方法,（一）试验设备（二）试验的技术要求（三）试验方法与步骤,16,十字板剪切试验所需仪器设备包括：压入主机、十字板头、轴杆、测力装置、扭力装置等试验仪器。目前使用的十字板剪切仪主要有机械式十字板剪切仪，采用开口钢环测力装置；电测式十
7、字板剪切仪，采用电阻应变式量测装置。 （1）压入主机能将十字板头垂直压入土中，可采用触探主机或其它压入设备。,三、试验设备与方法,（一）试验设备,17,（2）十字板头常用的十字板头为矩形，国外使用的十字板板头与国内不一样，有矩形、菱形、半圆形等。一般十字板是横断面呈十字形、带刃口的金属板，高度为1012cm，转动直径为57.5cm，板厚23cm，刃口为60。对于不同的土类，应选用不同尺寸的十字板头。般在软粘土中，选择75mm150mm的十字板头较为合适，在稍硬土中，可用50mm100mm的十字板头。,18,19,各种规格的十字板头,（3）轴杆般使用的轴杆直径为20mm。对于普通十字板仪，轴杆与
8、十字板头的连接方式，有国内广泛使用的离合式，也有牙嵌式（套筒式）的。,十字板装配示意,20,离合式轴杆是利用一离合器装置，使轴杆与十字板头能够离合，以便分别作十字板总剪力试验和轴杆摩擦校正试验。 套筒式轴杆是在轴杆外套上一个带有弹子盘、可以自由转动的钢管。使轴杆不与土接触，从而避免了二者的摩擦力。套筒下端10 cm与轴杆间的间隙内涂以黄油，上端间隙灌以机油，以防泥浆进入 。,21,（3）轴杆,（4）测力装置测力装置有开口钢环测力装置和电阻应变式测力装置。钢环测力装置是通过钢环的拉伸变形来反映施加扭力的大小。电阻应变式测力装置是通过扭力传感器将十字板头与轴杆相连接。扭力柱的外围有外套筒，用来保护
9、传感器的。,22,开口钢环测力装置,电阻应变式测力装置,（5）钢环式十字板剪切仪钢环式十字板剪切仪是以蜗轮旋转已插入土中的十字板头，借开口钢环测出抵抗力矩，计算土的抗剪强度。由于十字板头上部有探杆插入土中，而测力装置在地面以上，所以在设备的设计及操作方法等方面要想法消除探杆与土之间的摩擦力。,23,24,四种消除探干与土摩擦的装置,（6）电测式十字板剪切仪该仪器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
10、广泛。,25,根据规范，十字板试验应满足以下主要技术要求：1.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。2.一般，在同一孔内进行不同深度点的剪切试验时，试验点间距不小于1.0m。3.为保证十字板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。,26,（二）试验的技术要求,4.十字板头插入土中试验深度后，应静置23min，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
11、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。 5.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(12)10 s，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。,27,（二）试验的技术要求,6.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。7.对于开口钢环十字板剪切仪、应进行轴杆与土之
12、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。8.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。,28,（二）试验的技术要求,（三）试验方法与步骤,用普通十字板剪切仪于现场测定软粘性土的不排水抗剪强度和残余强度等的基本方法和要求如下：1.先钻探开孔，下直径为127mm套管至预定试验深度以上75cm再用提土器逐段清孔至套管底部以上15cm处，并在套管内灌水，以防止软土在孔底涌起及尽可能保持试验土层的天然结构和应力状态。2.将十字板头、离合器、轴杆与试验钻杆及导杆等逐节接好下入孔内至十字板与孔底接触
13、。各杆件要直，各接头必须拧紧以减少不必要的扭力损耗。,30,（三）试验方法与步骤,3.用手摇套在导杆上向右转动，使十字板离合齿咬合。再将十字板徐徐压入土中至预定试验深度，并静置23min。4.装好底座和加力、测力装置，以约110 s速度旋转转盘，每转1，测记钢环变形读数一次，直至读数不再增大或开始减小时即表示土体己被剪损。此时，施于钢环的作用力(以钢环变形值乘以钢环变形系数算得)就是把原状土剪损的总作用力pf值。5.拔下连接导杆与测力装置的特制键，套上摇把，按顺时针方向连续转动导杆、轴杆和十字板头6转，使土完全扰动，再按步骤4以同样的剪切速度进行试验，可得重塑土的总作用力pf值。,31,（三）
14、试验方法与步骤,6.拔下控制轴杆与十字板头连接的特制键，将十字板轴杆向上提35cm，使连接轴杆与十字板头的离合器处于离开状态，然后仍按步骤4可测得轴杆与土间的摩擦力和仪器机械阻力值f。则试验深度处原状土不排水抗剪强度为：重型土不排水抗剪强度(或称残余强度)为：土的灵敏度St为：,32,（三）试验方法与步骤,7完成上述基本试验步骤后，拔出十字板，继续钻进至下深度的试验。 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（GB500212001）的技术要求，在原状土峰值
15、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。,33,（三）试验方法与步骤,四、试验资料的整理,（一）试验资料整理的内容（二）试验影响因素的分析（三）试验结果修正方法,34,（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；,35,四、试验资料的整理,（一）试验资料整理的内容,计算土的抗剪强度 Cu：,计算重塑土的抗剪强度Cu：,计算土的灵敏度St：,（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）
16、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； （4）应根据地区经验和土层条件，对实测的不排水抗剪强度进行必要的修正。,36,四、试验资料的整理,（一）试验资料整理的内容,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。,37,（一）试验资料整理的内容,十字板剪切试验的影响因素表,在十字扳剪切试验方法及成果计算公式的推导中做了些人为的假定。实际上影响十字板剪切试验的因素很多，各项因素对不排水抗剪强度的影响,38,（二）试验影响因素的分析,1.十字板头的旋转速率 旋转速率对测试结果影响很大。
17、由于颗粒之间存在粘滞阻力，旋转越快，测得的强度越高；旋转速率对不同性质的土体影响也不同。目前，国内外大多采用110 s的旋转速率，此时基本属于不排水状态。 （1）对高塑性粘土(Ip4030)，剪切速率越大抗剪强度越大，增长的很快； （2）对低塑性粘土(Ip20)变化幅度不大。,39,（二）试验影响因素的分析,高Ip粘土，转速对现场十字板强度的影响,40,低Ip粘土，转速对现场十字板强度的影响,41,2十字板头的规格十字板头的规格是指十字板的高度H、径宽D、板厚及轴杆直径。这些尺寸对总扭矩测值、对周围土体扰动程度有直接影响。目前，国内外已有较统一的规格。HD2，板厚t23mm、十字板的面积比12
18、13。此外，十字板及轴杆都采用高强度钢，以保证十字板头具有足够的刚度。,42,（二）试验影响因素的分析,3土的各向异性 所谓土的各向异性是指抗剪强度在土体空间的变化规律。 产生各向异性的原内在于：土的成层性和土中应力状态的不同。前面所讲的圆柱剪切面的标准试验计算公式，是在均匀等向的前提下推导出来的。 对各向异性的影响应如何考虑，曾有不少学者进行过研究，其中最具代表性的测试技术为英国发展的钻石型十字板头(或称三角形十字板)，使用时可求出不同方向上土的抗剪强度。,43,（二）试验影响因素的分析,钻石型十字板头,44,4插入土层的扰动影响十字板厚度愈大、轴杆愈粗，则插入土中引起的扰动愈大。一般用十字
19、板面积比来衡量这种扰动的大小： RAAv/Ac 式中：Av十字板头(包括轴杆)的横截面积；Ac受剪土圆柱体的横截面积。所以在实用上，总是在不影响十字板的刚度和强度的前提下，尽可能使RA取较小值。,45,（二）试验影响因素的分析,5逐渐破坏的影响当十字板在土中旋转时，不但板头上下两端面上应力和位移不均匀，而且圆柱体侧向剪切力和剪应变也不均匀。所以，在剪切面上各点土的峰值强度不可能在同一转角时发挥出来。会先在板缘土体薄弱位置产生应力集中，出现局部破坏。随着扭矩增大，剪损面逐渐向前方扩展，最终在整个圆柱体侧圆形成完整的圆柱形剪损面。因此，试验所得的扭矩峰值并不能反映土的真正峰值强度，仅仅是一种平均抗
20、剪强度。,46,（二）试验影响因素的分析,6剪切时排水的可能性与土的触变性十字板剪切试验虽被认为是不排水抗剪试验，实际上是在规定的0.1/s的剪切速率下，存在着排水的可能性，因此测得的抗剪强度通常偏大。试验前十字板头在土中静置的时间较长时，测得的强度值会偏大，这与土的触变性和孔隙水压力的消散有关。,47,（二）试验影响因素的分析,7内摩擦角的影响 十字板剪切试验在理论上假定0，但天然状态下饱和软土的角并不等于0，因此测得的抗剪强度通常偏大。,8圆柱破坏面假定的影响十字板剪切试验的实际破坏面为带状，其直径比十字板叶片直径大5，因此测得的抗剪强度偏大。,48,（二）试验影响因素的分析,9试验方式的
21、影响 采用不同的试验设备，钻进方式和操作方法也会影响测试土层的抗剪强度，比如电测式比机械式的试验结果往往偏小1520，这是由于电测式消除了机械安装、钻杆弯曲、轴杆摩擦等因素的影响。,按解决问题的形式人为的分为两种方法。 1不排水抗剪强度修正将现场实测土的十字板抗剪用于工程设计时，可按下式进行修正：式中，为修正系数。 （1）我国铁路工程地质原位测试规程（TB100412003）的建议，当Ip20时，取1；当20 Ip40，取0.9。,49,（三）试验结果修正方法,（2）Bjerrum（1973）发现土的十字板抗剪强度受土的稠度的影响，可依据下图取值。,修正系数（Bjerrum，1973）,50,
22、（三）试验结果修正方法,（3）Johnson等(1988)根据墨西哥海湾的深水软土十字板剪切试验的经验，取值如下：当20Ip80时，或当0.2IL1.3时，式中，Ip塑性指数；IL液性指数。,51,（三）试验结果修正方法,2安全系数选值的修正对饱和软粘土地基施工期的稳定问题，采用o分析方法，其抗剪强度应选天然强度，可选十字板强度、无侧限抗压强度或三轴不固结不排水强度。在20世纪5060年代，国内外都以破坏工程实例总结使用十字板强度的经验。 （1）1953年，瑞典的Cadling和Odenstad根据11处滑坡工程，以十字板强度计算安全系数，其平均值为1.03。建议设计时应选取更高的安全系数。,
23、52,（三）试验结果修正方法,（2）南京水利科学研究院在20世纪5060年代曾积累破坏工程实例，有些是破坏试验，在试验前测十字板强度，之后分级加荷直到破坏，以0分别估算安全系数；有些是处于临界状态的工程(即土坡多处裂缝，或局部塌坍的工程)，以十字板强度计算安全系数，列下表。建议设计时取值1.3。 （3）交通部港口工程规范：1978年版本规定，当采用快剪指标选K1.01.2，采用十字板强度选 K 1.11.3。TJT25098版，笼统提K1.11.3，仍意味着对不同强度选不同的K值。,53,（三）试验结果修正方法,以十字板强度计算的安全系数,54,五、试验成果的应用,（一）评价软土的地基承载力（
24、二）估算单桩极限承载力（三）评价地基土的原位状态（四）确定地基土强度的变化规律（五）检测地基加固效果,55,（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；土的重度；h基础埋置深度。,56,五、试验成果的应用,注意事项： 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，可按前述方法进行修正。,57,（一）评定软土地基承载力,（二）估算单桩极限承载力,
25、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：pfcu式中为折减系数根据下列条件取值：当cu 25kPa时，1.0；当cu 75kPa时，0.5；当25kPacu75kPa时，在0.51.0之间线性插值。 桩端极限端承力pb近似取为：pb9cu+h 根据这两式，可估算单桩的极限承载力。,58,（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；v土中竖向有效应力。,59,（三）评价地基土的原位状态2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
26、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圈，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。,60,（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，强度又会恢复，并且将随土的固结而逐渐增长。若采用十字板剪力仪测定地基强度的这种变化情况，可以很方便地为控制施工加荷速率提供依据。,61,（五）检测地基加固效果在对软土地基进行预压加固(或配以砂井排水)处理时，可用十字板剪切试验探测加固过程中的强度变化，用于控制施工速率和检验加固效果。另外，对于振冲加固饱和软粘性土的小型工程，可用桩间十字板抗剪强度来计算复合地基承载力的标准值：,62,式中，fpsk复合地基承载力的标准值；nc桩土应力比，无实测资料时，可取24，原状土强度高时取低值，反之取高值；mc面积置换率；cu现场十字板剪切试验的不排水强度。,
