河南城建學院巖土工程測試技術第五章十字板剪切實驗第一節概述第二節實驗的原理與儀器設備第三節實驗方法與技術要求第四節實驗資料整理第五節實驗成果運用河南城建學院巖土工程測試技術第一節概述一、定義十字板剪切實驗〔VaneShearTest簡稱VST〕是一種經過對插入地基土中的規定外形和尺寸的十字板頭施加扭矩，使十字板頭在土體中等速改動構成圓柱狀破壞面，經過換算評定地基土不排水抗剪強度的現場實驗。河南城建學院巖土工程測試技術二、十字板剪切實驗的開展此項技術最初由瑞典人在1919年提出來的，到40年代有宏大進展。其間，英國Skempton等人結合φ=0原理〔φ=0theory〕的概念及運用上作了很大奉獻。以后，在世界范圍內獲得廣泛運用。在我國，50年代由南京水利科學院引進，并在沿海諸省及多條河流的沖積平原軟粘土地域得到廣泛運用。歷時十余年的任務奠定了在我國的運用根底。以后，我國很多單位在設備的改良和運用實驗方面做了大量任務。河南城建學院巖土工程測試技術三、十字板剪切實驗的分類〔1〕根據十字板儀的不同，十字板剪切實驗可分為普通十字板和電測十字板；〔2〕根據貫入方式的不同，又可分為預鉆孔十字板剪切實驗和自鉆式十字板剪切實驗。〔3〕從技術開展和運用方便的角度，自鉆式電測十字板儀具有明顯的優勢。河南城建學院巖土工程測試技術四、優缺陷及適用性適用土性：被沿海軟土地域廣泛運用，適用于均質飽和軟粘土。優點：〔1〕不用取樣，特別是對難以取樣的靈敏度高的粘性土，可以在現場對根本上處于天然應力形狀下的土層進展扭剪。所求軟土抗剪強度目的比其他方法都可靠；〔2〕所測得的強度能較好的反映土的天然強度；〔3〕設備簡單、操作方便。缺陷：對于不均勻土層，特別是夾有薄層粉細砂或粉土的軟粘土，會有較大誤差，運用時必需謹慎。僅適用于江河湖海的沿岸地帶的軟土，順應范圍有限，對硬塑粘性土和含有礫石雜物的土不宜采用，否那么會損傷十字板頭。

河南城建學院巖土工程測試技術五、十字板剪切實驗的運用測定原位應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；判別軟粘土的固結歷史。河南城建學院巖土工程測試技術第二節實驗的原理與儀器設備十字板剪切實驗的原理表述：在鉆孔某深度的軟粘土中插入規定外形和尺寸的十字板頭，施加改動力矩，將土體剪切破壞，測定土體抵抗扭損的最大力矩，經過換算得到土體不排水抗剪強度Cu值(假定φ=0)。一、實驗根本原理河南城建學院巖土工程測試技術圖中所示為板頭側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河南城建學院巖土工程測試技術十字板頭旋轉過程中假設在土體中產生一個高度為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，如下圖；并假定該剪損面的側面和上、下底面上土的抗剪強度都相等。在剪損過程中，土體產生的最大抵抗力矩M由圓柱側外表的抵抗力矩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：河南城建學院巖土工程測試技術那么式中，cu——十字板抗剪強度；D——十字板頭直徑；H——十字板頭高度。河南城建學院巖土工程測試技術〔1〕普通十字板儀對于普通十字板儀，上式中的M值應等于實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，實驗時經過使十字板儀與軸桿脫離進展測定；R——施力轉盤半徑。將上式代入cu表達式，得：河南城建學院巖土工程測試技術前面的系數對于一定規格的十字板儀來說為一常量，稱為十字板常數k，即那么有：河南城建學院巖土工程測試技術〔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變片的扭力柱銜接，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，不用進展軸桿與土體間的摩擦力和儀器機械摩阻力修正。河南城建學院巖土工程測試技術二、實驗的儀器設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安裝其它〔探桿等〕河南城建學院巖土工程測試技術常用的十字板頭為矩形，高徑比(H/D)為2。普通在軟粘土中，選擇75mm×150mm的十字板頭較為適宜，在稍硬土中，可用50mm×100mm的十字板頭。運用的軸桿直徑為20mm。對于普通十字板儀，軸桿與十字板頭的銜接方式，有國內廣泛運用的離合式和套筒式。測力安裝有開口鋼環測力安裝和電阻應變式測力安裝。電測式十字板剪切儀與鋼環式的主要區別在于，其測力設備不用鋼環，而是在十字板頭上方銜接貼有電阻應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，可不用進展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、實驗成果比較穩定，因此運用廣泛。河南城建學院巖土工程測試技術第三節實驗方法及技術要求一、實驗的技術要求根據<巖土工程勘察規范>〔GB50021－2001〕，十字板實驗應滿足以下主要技術要求：鉆孔十字板剪切實驗時，十字板頭插入孔底以下的深度不應小于3～5倍鉆孔直徑，以保證十字板能在未擾動土中進展剪切實驗。普通，在同一孔內進展不同深度點的剪切實驗時，實驗間距不小于0.75～1.0m。為保證十字極頭旋轉時不發生擺動，實驗所用探桿必需平直，前5m的探桿要求更高些。對鋼環式十字板實驗，探桿上應裝導輪，在上、下部各裝一導輪，實驗深度較大時，導輪間距不宜大于10m。河南城建學院巖土工程測試技術十字板頭插入土中實驗深度后，應靜置2～3min，方可開場剪切實驗。由于插入時在十字板頭周圍產生超孔隙水壓力，靜置時間過長，孔隙壓力散失會使有效應力增長，使不排水抗剪強度增大；假設靜置時間過短，土稍稍被擾動還來不及恢復，測出的強度值能夠偏低。扭剪速率應力求均勻，并控制在一定值。剪切速率過慢，由于排水導致強度增長。剪切速率過快，對于飽和軟粘性土，由于粘滯效應，也使強度增長。扭剪速率宜采用(1°～2°)／10s，以此作為一致的規范速率，以便能在不排水條件下進展剪切實驗。測記每改動1°的扭矩，當扭矩出現峰值或穩定值后．要繼續測讀1min．以便確認峰值或穩定扭矩。河南城建學院巖土工程測試技術在峰值強度或穩定值測試終了后，順時針方向延續轉動6圈，使十字板頭周圍土體充分擾動，然后測定重塑土的不排水強度。對于開口鋼環十字板剪切儀、應進展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，不需進展此項修正。扭力傳感器應定期標定，普通應三個月標定一次，如運用過程中出現異常．也應重新標定。標定時所用的傳感器、導線和丈量儀器應與實驗時一樣。河南城建學院巖土工程測試技術二、十字板剪切實驗方法與步驟河南城建學院巖土工程測試技術本卷須知：應先將電纜穿過施加扭力安裝的中心孔，然后再穿入探桿；在扭剪前，應讀取初始讀數或將儀器調零；勻速轉動手搖柄，搖柄每轉一圈，十字板頭旋轉一度。測試重塑土時，用扳手或管鉗快速將探桿順時針方向旋轉6圈，使十字板頭周圍的土充分擾動后，立刻擰緊鉆桿夾具。河南城建學院巖土工程測試技術對于自鉆式電測十字板剪切儀．可以采用靜力觸探的貫入機具將十字板頭壓入到實驗深度，那么不存在下套管和鉆孔護壁問題。電測式十字板剪切儀在進展重塑土剪切實驗時也存在問題。按<巖土工程勘察規范>〔GB50021－2001〕的技術要求，在原狀土峰值強度測試終了后，應延續轉動6圈，使十字板頭周圍土體充分擾動。但由于電測法中電纜的存在，當探桿、扭力柱與十字板頭一同延續轉動時，電纜的纏繞，甚至接頭處被扭斷，使該項技術要求難以很好地執行。河南城建學院巖土工程測試技術第四節實驗資料整理一、實驗資料的整理十字板剪切實驗的資料整理應包括以下內容：〔1〕計算各實驗點原狀土的不排水抗剪強度、重塑土抗剪強度和土的靈敏度；〔2〕繪制各個單孔土的不排水抗剪強度、重塑土抗剪強度和靈敏度隨深度的變化曲線。〔3〕根據需求繪制各實驗點土的抗剪強度與改動角的關系曲線；

河南城建學院巖土工程測試技術普通，飽和軟粘土的十字板抗剪強度存在隨深度的添加而增長的規律。對于同一土層，可以采用統計分析的方法對實驗數據進展統計。在統計中應剔除個別的異常數據。河南城建學院巖土工程測試技術二、測試數據處置1、計算土的抗剪強度Cu2、計算重塑土的抗剪強度Cu′3、計算土的靈敏度St河南城建學院巖土工程測試技術十字板剪切實驗記錄表轉角（度）原狀土重塑土靈敏度St應變儀讀數剪應力（kPa）應變儀讀數剪應力（kPa）51020102225154732207436251013530108353510135409635458935508214.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.8河南城建學院巖土工程測試技術十字板剪切實驗記錄表轉角（度）原狀土重塑土靈敏度St應變儀讀數剪應力（kPa）應變儀讀數剪應力（kPa）51020102225154732207436251013530108353510135409635458935508214.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.0河南城建學院巖土工程測試技術十字板剪切實驗記錄表轉角（度）原狀土重塑土靈敏度St應變儀讀數剪應力（kPa）應變儀讀數剪應力（kPa）51020102225154732207436251013530108353510135409635458935508214.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.03.0河南城建學院巖土工程測試技術繪制抗剪強度與轉角的關系曲線繪制抗剪強度與深度的關系曲線河南城建學院巖土工程測試技術第五節實驗成果運用一、評定軟土地基承載力承載力的計算主要取決于土的不排水抗剪強度。如中國建筑科學研討院的閱歷：式中，fk——地基承載力規范值；γ——土的重度；h——根底埋置深度。河南城建學院巖土工程測試技術十字板剪切實驗主要用途就是確定天然不排水抗剪強度。該法主要適用于飽和軟粘土，砂性土或粉性土要慎重運用，對含有夾層的地基應剔除偏大的數值，之后分層取平均值。十字板實驗的最大優點是強度值比較穩定，數值的可靠性較大。在運用時，可按第四節引見的方法進展修正。河南城建學院巖土工程測試技術二、估算單樁極限承載力按美國石油協會(1980)相關規程，樁側極限摩阻力pf，可按下式估計：pf＝αcu式中α為折減系數．根據以下條件取值：當cu＜=25kPa時，α＝1.0；當cu>=75kPa時，α＝0.5；當25kPa<cu＜75kPa時，α在0.5~1.0之間線性插值。樁端極限端承力pb近似取為：pb＝9cu根據這兩式，可估算單樁的極限承載力。河南城建學院巖土工程測試技術三、評價地基土的原位形狀1、估算地基土的液性指數Johnson〔1988〕對大量實驗結果進展了統計，得到如下閱歷關系式：式中，cu——原狀土的十字板抗剪強度；σ’v——土中豎向有效應力。河南城建學院巖土工程測試技術2、評價地基土的應力歷史〔1〕利用十字板不排水抗剪強度與深度的關系曲線，可判別土的固結應力歷史。如下圖。土的十字板不排水抗剪強度隨深度的變化河南城建學院巖土工程測試技術〔2〕我國<鐵路工程地質原位測試規程>〔TB10041－2003〕建議的方法a)按回歸直線交于d軸的截距Δd的正負進展判別：Δd>0，為超固結土；Δd＝0，為正常固結土；Δd<0，為欠固結土；b)土的超固結比采用Mayne〔1988〕提出的關系式進展估算：m——與土質地域特性有關的閱歷系數；可取－0.48；σ’nc——正常固結土的有效自重應力。河南城建學院巖土工程測試技術3、測定飽和粘土的靈敏度