第三章—十字板剪切试验

1、第三章 十字板剪切试验 1 主主 要要 内内 容容 u 一、概述一、概述 u 二、基本测试原理二、基本测试原理 u 三、试验设备与方法三、试验设备与方法 u 四、试验资料整理四、试验资料整理 u 五、试验成果的应用五、试验成果的应用 2 一、概述一、概述 u 1 1、定义定义 u 2、十字板剪切试验的发展、十字板剪切试验的发展 u 3、十字板剪切试验的分类、十字板剪切试验的分类 u 4、十字板剪切试验的应用、十字板剪切试验的应用 u 5、适用范围、适用范围 u 6、十字板剪切试验的优缺点、十字板剪切试验的优缺点 3 4 一、概述一、概述 1、十字板剪切试验：、十字板剪切试验： 十字板剪切试验：

2、十字板剪切试验：全称为野外十字板全称为野外十字板 剪切试验（剪切试验（Field Vane Shear Test，简，简 称称FVST）是用插入软粘土中的十字）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抵抗力矩，换算地基土不排水抗剪强 度的现场试验。度的现场试验。 5 一、概述一、概述 2 2、十字板剪切试验的发展：十字板剪切试验的发展： 此项技术最初由瑞典人在此项技术最初由瑞典人在1919年提出来的，到年提出来的，到40年代有年代有 巨大进展。其间，英国巨大进展。其间，英国Skempton等人结合等人结合=0原理

3、的概念在原理的概念在 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。内获得广泛应用。 在我国，在我国，50年代由南京水利科学院引进，并在沿海诸省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。设备的改进和应用实验方面做了大量工作。 6 一、概述一、概述 3、十字板剪切试验的分类：、

4、十字板剪切试验的分类： p（1）根据十字板剪切仪的传力方式不同，可分为机械）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。式和电测式两种，机械式又称之为普通十字板剪切仪。 p（2）根据贯入方式的不同，又可分为预钻孔十字板剪）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。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。明显的优势。 7 一、概述一、概述 4、十字板剪切试验的应用：、十字板剪切试验的应用： p 1、测定原位应力条

5、件下软粘土的不排水抗剪强度；、测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度； p 2、评定软粘土的灵敏度；、评定软粘土的灵敏度； p 3、计算地基的承载力；、计算地基的承载力； p 4、判断软粘土的固结历史。、判断软粘土的固结历史。 5、十字板剪切试验的适用范围：、十字板剪切试验的适用范围： p 适用范围：适用范围：在沿海软土地区广泛使用，适用于灵敏度在沿海软土地区广泛使用，适用于灵敏度St 10、固结系数、固结系数cv 100(m2/a)的均质饱和软粘土。的均质饱和软粘土。 8 一、概述一、概述 6、十字板剪切试验的优缺点：、十字板剪切试验的优缺点： p 优点：优点： （1 1）试验在原位进行，

6、）试验在原位进行，不用取样；不用取样； （2 2）对无法取样和很难进行室内试验的）对无法取样和很难进行室内试验的极软粘土、岩土极软粘土、岩土 接触面接触面等，可以获得必要的力学指标；等，可以获得必要的力学指标； （3 3）能更好的反映）能更好的反映土的结构、构造特性土的结构、构造特性； （4 4）试验中的边界条件是）试验中的边界条件是实际的边界条件实际的边界条件； （5 5）所测得的强度能较好的反映土的）所测得的强度能较好的反映土的天然强度天然强度； （6 6）设备）设备简单简单、操作方便。、操作方便。 9 一、概述一、概述 6、十字板剪切试验的优缺点：、十字板剪切试验的优缺点： p 缺点：缺

7、点： （1）对于不均匀土层，特别是）对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的夹有薄层粉细砂或粉土的 软粘土软粘土，会有较大误差，使用时必须谨慎。，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仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有，适应范围有 限，对限，对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会，否则会 损伤十字板头。损伤十字板头。 1 1、十字板剪切试验的原理表述：、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，施加扭转力定形状和尺寸的十字板头，施加扭

8、转力 矩，将土体剪切破坏，测定土体抵抗扭矩，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过换算得到土体不排水抗剪强度C Cu u值值( (假假 定定=0=0) )。 二、基本测试原理二、基本测试原理 10 2 2、十字板剪切试验原理基本假定：、十字板剪切试验原理基本假定： 二、基本测试原理二、基本测试原理 十字板头旋转过程中假设在土体中产十字板头旋转过程中假设在土体中产 生生个高度为个高度为H( (十字板的高度十字板的高度) )、直径为、直径为 D( (十字板头的直径十字板头的直径) )的圆柱状剪损面，如右的

9、圆柱状剪损面，如右 图；并假定该剪损面的侧面和上、下底面上图；并假定该剪损面的侧面和上、下底面上 土的土的抗剪强度都相等抗剪强度都相等。在剪损过程中，土体。在剪损过程中，土体 产生的最大抵抗力矩产生的最大抵抗力矩M由圆柱侧表面的抵抗由圆柱侧表面的抵抗 力矩力矩M1和圆柱上下面的抵抗力矩和圆柱上下面的抵抗力矩M2两部分两部分 组成。即组成。即MM1十十M2。其中：。其中： H D M 11 HDc D DHcM uu 2 1 2 1 2 3 u 2 u2 Dc 6 1 2 D 3 2 D 4 1 c2 M H 3 D Dc 2 1 MMM 2 u21 )H 3 D (D 2M c 2 u 则则

10、式中，式中， cu 十字板抗剪强度；十字板抗剪强度； D 十字板头直径；十字板头直径； H 十字板头高度。十字板头高度。 12 （1 1）普通十字板仪）普通十字板仪 对于普通十字板仪，上式中的对于普通十字板仪，上式中的M值应等于试验测得值应等于试验测得 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：力矩，即： pf剪损土体的总作用力；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；时通过使十字板仪与轴杆脱离进行测定； R施力转盘半径。施力转

11、盘半径。 将上式代入将上式代入c cu u表达式，得：表达式，得： 二、基本测试原理二、基本测试原理 R)fp(M f 13 前面的系数对于一定规格的十字板仪来说为一常量，称前面的系数对于一定规格的十字板仪来说为一常量，称 为十字板常数为十字板常数k，即，即 )H 3 D (D 2R k 2 则有：则有： )fp(kc fu )fp( )H 3 D (D 2R c f 2 u 14 （2 2）电测十字板仪）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 有贴电阻应变片的有贴电阻应变片的扭力柱扭力柱连接，扭力柱测定的只是作用连接，扭力柱测定的只

12、是作用 在在十字板头上的扭力十字板头上的扭力。因此，在计算土的抗剪强度时，。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。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、基本测试原理二、基本测试原理 15 三、试验测备与方法三、试验测备与方法 u （一）试验设备（一）试验设备 u （二）试验的技术要求（二）试验的技术要求 u （三）试验方法与步骤（三）试验方法与步骤 16 u 十字板剪切试验所需仪器设备包括：十字板剪切试验所需仪器设备包括：压入主机、十字板压入主机、十字板 头、轴杆、测力装置、扭力装置头、轴杆、测力装置、扭力装置等试验仪器。等试验仪器。

13、 u 目前使用的十字板剪切仪主要有目前使用的十字板剪切仪主要有机械式十字板剪切仪机械式十字板剪切仪， 采用采用开口钢环测力装置开口钢环测力装置；电测式十字板剪切仪电测式十字板剪切仪，采用，采用电阻应电阻应 变式量测装置变式量测装置。 p（1 1）压入主机）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。入设备。 三、试验设备与方法三、试验设备与方法 （一）试验设备（一）试验设备 17 p（2 2）十字板头）十字板头 u 常用的十字板头为矩形，国外使用的十字板板头与国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

14、形、菱形、半圆形等。内不一样，有矩形、菱形、半圆形等。 u 一般十字板是横断面呈十字形、带刃口的金属板，高一般十字板是横断面呈十字形、带刃口的金属板，高 度为度为101012cm12cm，转动直径为，转动直径为5 57.5cm7.5cm，板厚，板厚2 23cm3cm，刃口，刃口 为为6060。 u 对于不同的土类，应选用不同尺寸的十字板头。对于不同的土类，应选用不同尺寸的十字板头。般般 在软粘土中，选择在软粘土中，选择75mm75mm150mm150mm的十字板头较为合适，在的十字板头较为合适，在 稍硬土中，可用稍硬土中，可用50mm50mm100mm100mm的十字板头。的十字板头。 18

15、19 各种规格的十字板头各种规格的十字板头 p（3 3）轴杆）轴杆 般使用的轴杆直径为般使用的轴杆直径为20mm20mm。对于普通十字板仪，。对于普通十字板仪，轴轴 杆与十字板头的连接方式杆与十字板头的连接方式，有国内广泛使用的，有国内广泛使用的离合式离合式，也，也 有有牙嵌式（套筒式）牙嵌式（套筒式）的。的。 十字板装配示意十字板装配示意 20 u离合式轴杆是利用一离合器装置，使轴杆与十字板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。擦校正试验。 u套筒式套筒式轴轴杆是在轴杆外套上一个

16、带有弹子盘、可以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。套筒下端者的摩擦力。套筒下端10 cm10 cm与轴杆间的间隙内涂以黄与轴杆间的间隙内涂以黄 油，上端间隙灌以机油，以防泥浆进入油，上端间隙灌以机油，以防泥浆进入 。 21 p（3 3）轴杆）轴杆 p （4 4）测力装置）测力装置 测力装置有测力装置有开口钢环测力装置开口钢环测力装置和和电阻应变式测力装置电阻应变式测力装置。 u 钢环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是通过钢环的拉伸变形来反映施加扭力的 大小。大小

17、。 u 电阻应变式测力装置电阻应变式测力装置是通过扭力传感器将十字板头与轴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，用来保护传感器的。杆相连接。扭力柱的外围有外套筒，用来保护传感器的。 22 开口钢环测力装置开口钢环测力装置 电阻应变式测力装置电阻应变式测力装置 p （5 5）钢环式十字板剪切仪）钢环式十字板剪切仪 钢环式十字板剪切仪是以钢环式十字板剪切仪是以蜗蜗 轮旋转轮旋转已插入土中的十字板头，已插入土中的十字板头， 借借开口钢环测出抵抗力矩开口钢环测出抵抗力矩，计算，计算 土的抗剪强度。由于十字板头上土的抗剪强度。由于十字板头上 部有探杆插入土中，而测力装置部有探杆

18、插入土中，而测力装置 在地面以上，所以在设备的设计在地面以上，所以在设备的设计 及操作方法等方面要想法消除探及操作方法等方面要想法消除探 杆与土之间的摩擦力。杆与土之间的摩擦力。 23 24 四种消除探干与土摩擦的装置四种消除探干与土摩擦的装置 p （6 6）电测式十字板剪切仪）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，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。在地面上器。在地面上用电子仪器直接测十字扳头的剪切扭力用电子仪器直接测十字扳头的剪切扭力

19、，可不，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，因而应用广泛。操作简单、试验成果比较稳定，因而应用广泛。 25 根据规范，十字板试验应满足以下主要技术要求：根据规范，十字板试验应满足以下主要技术要求： p 1.1.钻孔十字板剪切试验时，十字板头插入孔底以下的深度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不应小 于于5 5倍钻孔直径倍钻孔直径，以保证十字板能在未扰动土中进行剪切试验。，以保证十字板能在未扰动土中进行剪切试验。 p 2. 2.一般，在同一孔内进行不同深度点的剪切试验时，试

20、验点间距一般，在同一孔内进行不同深度点的剪切试验时，试验点间距 不小于不小于1.0m1.0m。 p 3. 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，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， 前前5m5m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，导轮间距不宜大于上、下部各装一导轮，试验深度较大时，导轮间距不宜大于10m10m。 26 （二）试验的技术要求（二）试验的技术要求 p 4.4.十字板头插入土中试验深度后，十字板头插入土中试验深度后，应静置应静置2 2

21、3min3min，方可开始剪，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，切试验。因为插入时在十字板头四周产生超孔隙水压力，静置时间静置时间 过长过长，孔隙压力消散会使有效应力增长，使不排水抗剪强度增大；，孔隙压力消散会使有效应力增长，使不排水抗剪强度增大； 若静置时间过短若静置时间过短，土稍稍被扰动还来不及恢复，测出的强度值可能，土稍稍被扰动还来不及恢复，测出的强度值可能 偏低。偏低。 p 5. 5.扭剪扭剪速率应力求均匀速率应力求均匀，并控制在一定值。剪切速率过慢，由于，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，由于粘滞排水导致

22、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。扭剪速率宜效应，也使强度增长。扭剪速率宜采用采用(1(12 2) )10 s10 s，以此作，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 扭转扭转1 1的扭矩，当扭矩出现峰值或稳定值后要继续测读的扭矩，当扭矩出现峰值或稳定值后要继续测读1min1min以便以便 确认峰值或稳定扭矩。确认峰值或稳定扭矩。 27 （二）试验的技术要求（二）试验的技术要求 p 6. 6.在峰值强度或稳定值测试完毕后，在峰值强度或稳定值测试完毕后，顺时针方向连续转动顺

23、时针方向连续转动6 6圈，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。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。 p 7. 7.对于开口钢环十字板剪切仪、应进行对于开口钢环十字板剪切仪、应进行轴杆与土之间摩擦阻力轴杆与土之间摩擦阻力 影响的修正；影响的修正；对于电测十字板剪切仪，不需进行此项修正。对于电测十字板剪切仪，不需进行此项修正。 p 8. 8.扭力传感器应定期标定扭力传感器应定期标定，一般应三个月标定一次，如使用过，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、导线和测量程中出现异常，也应重新标定。标定时所用的传感器、导

24、线和测量 仪器应与试验时相同。仪器应与试验时相同。 28 （二）试验的技术要求（二）试验的技术要求 （三）试验方法与步骤（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：剪强度和残余强度等的基本方法和要求如下： p 1.1.先钻探开孔，下直径为先钻探开孔，下直径为127mm127mm套管至预定试验深度以上套管至预定试验深度以上75cm75cm再再 用提土器逐段清孔至套管底部以上用提土器逐段清孔至套管底部以上15cm15cm处，并在套管内灌水，以防止处，并在套管内灌水，以防止 软土在孔底涌起

25、及尽可能保持试验土层的天然结构和应力状态。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。 p 2. 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。各杆件要直，各接头必须拧紧以减少不孔内至十字板与孔底接触。各杆件要直，各接头必须拧紧以减少不 必要的扭力损耗。必要的扭力损耗。 30 （三）试验方法与步骤（三）试验方法与步骤 p 3. 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，并静置徐压入土中至

26、预定试验深度，并静置2 23min3min。 p 4. 4.装好底座和加力、测力装置，以约装好底座和加力、测力装置，以约110 s速度旋转转盘，速度旋转转盘，每转每转 1 1，测记钢环变形读数一次，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以钢环变形值乘以钢环变形系 数算得数算得) )就是就是把原状土剪损的总作用力把原状土剪损的总作用力pf值值。 p 5. 5.拔下连接导杆与测力装置的特制键，套上摇把，按顺时针方向连续拔下连接导杆与测力装置的

27、特制键，套上摇把，按顺时针方向连续 转动导杆、轴杆和十字板头转动导杆、轴杆和十字板头6 6转，使土完全扰动，再按步骤转，使土完全扰动，再按步骤4 4以同样的剪以同样的剪 切速度进行试验，切速度进行试验，可得重塑土的总作用力可得重塑土的总作用力pf值值。 31 （三）试验方法与步骤（三）试验方法与步骤 p 6. 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 3 35cm5cm，使连接轴杆与十字板头的离合器处于离开状态，然后仍按，使连接轴杆与十字板头的离合器处于离开状态，然后仍按 步骤步骤4 4可测可测得轴杆与土间的摩擦力和仪器机

28、械阻力值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：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重型土不排水抗剪强度( (或称残余强度或称残余强度) )为：为： 土的灵敏度土的灵敏度StSt为：为： fpkc fu fpkc fu u u t c c S 32 （三）试验方法与步骤（三）试验方法与步骤 7 7完成上述基本试验步骤后，拔出十字板，继续钻进至下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深度的 试验。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

29、板头压入到试验深度，则不存在下套管和钻孔护壁问题。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。按岩土岩土 工程勘察规范工程勘察规范（GB50021GB5002120012001）的技术要求，在原状土峰值强度）的技术要求，在原状土峰值强度 测试完毕后，应连续转动测试完毕后，应连续转动6 6圈，使十字板头周围土体充分扰动。但由圈，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，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，

30、 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。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（三）试验方法与步骤 四、试验资料的整理四、试验资料的整理 u （一）试验资料整理的内容（一）试验资料整理的内容 u （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 u （三）试验结果修正方法（三）试验结果修正方法 34 u（1 1）计算各试验点原状土的不排水抗剪强度、重塑土）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；抗剪强度和土的灵敏度； 35 四、试验资料的整理四、试验资料的整理 （一）试验资料整理的内容（一）试验资

31、料整理的内容 计算土的抗剪强度计算土的抗剪强度 Cu： )fp(kc fu 计算重塑土的抗剪强度计算重塑土的抗剪强度Cu： 计算土的灵敏度计算土的灵敏度St： )fp(kc fu u u t C C S u（2 2）绘制各个单孔土的不排水抗剪强度、重塑土抗剪）绘制各个单孔土的不排水抗剪强度、重塑土抗剪 强度和灵敏度强度和灵敏度随深度的变化曲线随深度的变化曲线。 u（3 3）根据需要绘制各试验点土的）根据需要绘制各试验点土的抗剪强度与扭转角的抗剪强度与扭转角的 关系曲线关系曲线； u（4 4）应根据地区经验和土层条件，对实测的不排水抗）应根据地区经验和土层条件，对实测的不排水抗 剪强度剪强度进行

32、必要的修正进行必要的修正。 36 四、试验资料的整理四、试验资料的整理 （一）试验资料整理的内容（一）试验资料整理的内容 u 一般，饱和软粘土的十字板一般，饱和软粘土的十字板 抗剪强度存在随深度的增加而增抗剪强度存在随深度的增加而增 长的规律。长的规律。 u 对于同一土层，可以采用统对于同一土层，可以采用统 计分析的方法对试验数据进行统计分析的方法对试验数据进行统 计。计。在统计中应剔除个别的异常在统计中应剔除个别的异常 数据。数据。 37 （一）试验资料整理的内容（一）试验资料整理的内容 十字板剪切试验的影响因素表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在十

33、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，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（二）试验影响因素的分析 p 1. 1.十字板头的旋转速率十字板头的旋转速率 旋转速率对测试结果影响很大。由于颗粒之间存在粘滞旋转速率对测试结果影响很大。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，国内外大多采用质的土体影响也不同。目前，国内外大多采用1 11

34、0 10 s s的旋转速率，此时基本属于不排水状态。的旋转速率，此时基本属于不排水状态。 （1 1）对高塑性粘土）对高塑性粘土( (IpIp40403030) )，剪切速率越大，剪切速率越大 抗剪强度越大，增长的很快；抗剪强度越大，增长的很快； （2 2）对低塑性粘土）对低塑性粘土( (IpIp2020) )变化幅度不大。变化幅度不大。 39 （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 高高IpIp粘土，转速对现场十字板强度的影响粘土，转速对现场十字板强度的影响 40 低低IpIp粘土，转速对现场十字板强度的影响粘土，转速对现场十字板强度的影响 41 p 2 2十字板头的规格十字板头的规

35、格 十字板头的规格是指十字板的高度十字板头的规格是指十字板的高度H H、径宽、径宽D D、板厚、板厚 及轴杆直径。这些尺寸对总扭矩测值、对周围土体扰动及轴杆直径。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。程度有直接影响。目前，国内外已有较统一的规格。H H D D2 2，板厚，板厚t t2 23mm3mm、十字板的面积比、十字板的面积比12121313 。此外，十字板及轴杆都采用高强度钢，以保证十字。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。板头具有足够的刚度。 42 （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 p3 3土

36、的各向异性土的各向异性 u所谓所谓土的各向异性土的各向异性是指抗剪强度在土体空间的变化规律。是指抗剪强度在土体空间的变化规律。 u产生各向异性的原内产生各向异性的原内在于：土的成层性和土中应力状态在于：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。在均匀等向的前提下推导出来的。 u对各向异性的影响应如何考虑，曾有不少学者进行过研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究，其中最具代表性的测试技术为英国发展的钻石型十字钻石型十字 板头板

37、头( (或称三角形十字板或称三角形十字板) )，使用时可求出不同方向上土的，使用时可求出不同方向上土的 抗剪强度。抗剪强度。 43 （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 钻石型十字板头钻石型十字板头 44 p 4 4插入土层的扰动影响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。一般用十字板面积比来衡量这种扰动的大扰动愈大。一般用十字板面积比来衡量这种扰动的大 小：小： RAAv/Ac 式中：式中：Av十字板头十字板头(包括轴杆包括轴杆)的横截面积；的横截面积； Ac受剪土圆柱体的横截面积。受剪土圆柱体的横截面积

38、。 所以在实用上，总是在不影响十字板的刚度和强所以在实用上，总是在不影响十字板的刚度和强 度的前提下，尽可能使度的前提下，尽可能使RA取较小值。取较小值。 45 （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 p 5 5逐渐破坏的影响逐渐破坏的影响 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，而且位移不均匀，而且圆柱体侧向剪切力和剪应变也不均匀圆柱体侧向剪切力和剪应变也不均匀。所。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

39、中，出现局部破出来。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，柱体侧圆形成完整的圆柱形剪损面。因此，试验所得的扭矩试验所得的扭矩 峰值并不能反映土的真正峰值强度，仅仅是一种平均抗剪强峰值并不能反映土的真正峰值强度，仅仅是一种平均抗剪强 度。度。 46 （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 p 6 6剪切时排水的可能性与土的触变性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，实际上是在十字板剪切试验虽被认为是不

40、排水抗剪试验，实际上是在 规定的规定的0.1/s的剪切速率下，的剪切速率下，存在着排水的可能性存在着排水的可能性，因此测，因此测 得的抗剪强度通常偏大。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，这与会偏大，这与土的触变性和孔隙水压力的消散有关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（二）试验影响因素的分析 p 7 7内摩擦角的影响内摩擦角的影响 十字板剪切试验在理论上假定十字板剪切试验在理论上假定0，但天然状态下饱和软，但天然状态下饱和软 土的土的角并不等于角并不等于0，因此测

41、得的抗剪强度通常偏大。因此测得的抗剪强度通常偏大。 p 8 8圆柱破坏面假定的影响圆柱破坏面假定的影响 十字板剪切试验的十字板剪切试验的实际破坏面为带状实际破坏面为带状，其直径比十字板叶，其直径比十字板叶 片直径大片直径大5，因此测得的抗剪强度偏大。因此测得的抗剪强度偏大。 48 （二）试验影响因素的分析（二）试验影响因素的分析 p 9 9试验方式的影响试验方式的影响 采用采用不同的试验设备，钻进方式和操作方法不同的试验设备，钻进方式和操作方法也会影响测试也会影响测试 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

42、测，这是由于电测式式消除了机械安装、钻杆弯曲、轴消除了机械安装、钻杆弯曲、轴 杆摩擦等因素的影响。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。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：下式进行修正： 式中，式中，为修正系数为修正系数。 （1）我国）我国铁路工程地质原位测试规程铁路工程地质原位测试规程（TB10041 2003）的建议，当）的建议，当Ip20时，取时，取1；当；当20 Ip40， 取取0.9。 u)u( cc 使使用用值值 49

43、 （三）试验结果修正方法（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）发现土的十字板抗剪强度受土的 稠度的影响，稠度的影响，可依据下图取值。可依据下图取值。 修正系数修正系数（Bjerrum，1973） 50 （三）试验结果修正方法（三）试验结果修正方法 （3）Johnson等等(1988)根据墨西哥海湾的深水软土十字根据墨西哥海湾的深水软土十字 板剪切试验的经验，板剪切试验的经验，取值如下：取值如下： 当当20Ip80时，时， 或当或当0.2IL1.3时，时， 式中，式中，Ip塑性指数；塑性指数； IL液性指数。液性指数。 2 pp I000150I0

44、2060291. )I.( L 09800770 10 51 （三）试验结果修正方法（三）试验结果修正方法 2安全系数选值的修正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。度、无侧限抗压强度或三轴不固结不排水强度。 在在20世纪世纪5060年代，国内外都以破坏工程实例年代，国内外都以破坏工程实例 总结使用十字板强度的经验。总结使用十字板强度的经验。 （1）1953年，瑞典的年，瑞典的Cadling和和Od

45、enstad根据根据11处滑处滑 坡工程，以十字板强度计算安全系数，其平均值为坡工程，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。建议设计时应选取更高的安全系数。 52 （三）试验结果修正方法（三）试验结果修正方法 （2）南京水利科学研究院在）南京水利科学研究院在20世纪世纪5060年代曾积累破年代曾积累破 坏工程实例，有些是破坏试验，在试验前测十字板强度，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，以之后分级加荷直到破坏，以0分别估算安全系数；有些分别估算安全系数；有些 是处于临界状态的工程是处于临界状态的工程(即土坡多处裂缝

46、，或局部塌坍的即土坡多处裂缝，或局部塌坍的 工程工程)，以十字板强度计算安全系数，列下表。建议设计，以十字板强度计算安全系数，列下表。建议设计 时取值时取值1.3。 （3）交通部港口工程规范：）交通部港口工程规范：1978年版本规定，当采用快年版本规定，当采用快 剪指标选剪指标选K1.01.2，采用十字板强度选，采用十字板强度选 K 1.11.3。 TJT25098版，笼统提版，笼统提K1.11.3，仍意味着对不同强度，仍意味着对不同强度 选不同的选不同的K值。值。 53 （三）试验结果修正方法（三）试验结果修正方法 以十字板强度计算的安全系数以十字板强度计算的安全系数 54 五、试验成果的应

47、用五、试验成果的应用 u （一）评价软土的地基承载力（一）评价软土的地基承载力 u （二）估算单桩极限承载力（二）估算单桩极限承载力 u （三）评价地基土的原位状态（三）评价地基土的原位状态 u （四）确定地基土强度的变化规律（四）确定地基土强度的变化规律 u （五）检测地基加固效果（五）检测地基加固效果 55 （一）评定软土地基承载力（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：国建筑科学研究院的经验： 式中，式中，fk地基承载力标准值；地基承载力标准值； 土的重度；土的重度； h基础埋置深度。基础埋置深度。 hc2f uk （使使用用值值） 56 五、试验成果的应用五、试验成果的应用 注意事项：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。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该法主要适用于饱和软粘土，砂性土或粉性土要慎重使 用，用，对含有夹层的地基应剔除偏大的数值对含有夹层的地基应剔除偏大的数值，之后分层取之后分层取 平均值。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