十字板剪切试验实测指标的修正方法及应用

十字板剪切试验实测指标的修正方法及应用
王晓峰
【摘要】针对现场十字板剪切试验实测指标的修正问题,阐述了目前中国与欧洲所采用的各种修正方法.通过工程实例,对中欧修正方法进行了应用介绍,并且对各种方法确定的修正指标进行对比与分析.结果表明:欧洲采用的固结状态分区图法,所确定的修正指标为实测指标的55%~75%,在各种评价方法中最低,并且与土的长期强度与峰值强度的数值关系基本吻合.固结状态分区图法指标安全可靠、方便快捷且易于操作,建议在实际应用中采用.%In view of the correction of the measured indicators of the field vane shear tests, this paper expounds the various kinds of correction methods adopted in China and Europe. By the engineering examples, the various kinds of correction methods are compared and analyzed in detail. The results show that: the correction indicator is 55%~75%of the measured values using the European consolidation partition graph method which is the lowest among various correction methods, and it is generally conform with the numerical relationship between the long-term strength and peak strength of the soil. The indicator of consolidation partition graph method is safe and reliable, and the method is convenient and easy to operate, so it is recommended in practice.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2017(000)009
【总页数】6页(P181-185,196)
【关键词】十字板现场实测值;峰值强度;长期强度;固结状态分区图;修正系数;不排水抗剪强度
【作者】王晓峰
【作者单位】大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司, 辽宁大连116023【正文语种】中文
【中图分类】U656.1+3;TU43
我国现行的《岩土工程勘察规范》[1]《工程地质手册》[2]以及众多的行业标准一致认为：十字板剪切试验所测得的不排水抗剪强度是峰值强度，其值偏高，土的长期强度只有峰值强度的60%～70%。

关于土的长期强度，《地基与基础》[3]指出：黏性土的抗剪强度与剪切作用的时间有关。

作用时间越长，土的抗剪强度愈低。

如荷载作用时间为无限长，最后导致土样破坏，则相应的强度称为长期强度极限或持久强度极限。

上海某软土在固定的剪切荷载作用下的长期变形性质(流变性)见图1。

由图1看出，剪应力越大者破坏时问越早。

根据图1中每条曲线的土样最后破坏时间，绘出长期抗剪强度曲线(图2)。

由图2可以直观地看出，荷载作用时间越长，土的抗剪强度愈低。

影响土的长期强度的因素很多，土中的黏粒含量愈多、塑性指数愈大；土的原始含水量愈高，则土的流变性愈明显，长期强度也就愈低。

长期强度与标准强度之比，黏性土约为0.4～0.7(土的塑性大者，这个比值就小)；我国西北黄土约为0.64～0.67。

因此在工程中，直接采用十字板现场实测的峰值强度是不安全的，根据土质条件和当地经验对十字板测定的值进行修正是十分必要的。

欧洲标准EN1997-2：2007及我国第四版《工程地质手册》中提供了对十字板现
场实测指标的修正方法。

其中，欧洲标准推荐的方法，主要基于土的界限含水率与土的固结状态，充分考虑了土的固结状态对修正系数的影响；我国第四版《工程地质手册》推荐的方法主要考虑土的状态与塑性指数。

目前，我国主要通过土的前期固结压力试验指标及土的有效自重压力确定超固结比，判定土的固结状态。

然而，由于取样及试验方法等条件的限制，在实际工作中土的前期固结压力试验做得并不多，因此，在对现场十字板实测指标的修正中，未充分考虑固结状态的因素。

1.1 欧洲标准推荐的修正方法[4]
欧洲标准EN1997-2：2007《地基勘察与试验》附录中，提供了确定不排水剪抗
剪强度值Cu的方法，是对现场十字板测量值Cfv采用修正系数μ进行修正。

式中：Cu为不排水剪抗剪强度值(kPa)；Cfv为现场十字板剪切试验实测的抗剪强度值(kPa)；μ为修正系数。

1.1.1 已知固结状态
1)利用液限WL确定正常固结黏土的修正系数μ。

对于软弱、正常固结的黏土，修正系数μ应当与液限或者塑性指数相关。

样本纠
偏曲线见图3。

当修正系数大于1.2时，如果没有补充调查，不得使用。

对于裂隙黏土，修正系数应小于0.3，除了十字板剪切试验之外，还应进行其他试验以确定不排水抗剪强度，如荷载试验。

2)利用Ip及Cfv关系确定超固结黏土的修正系数μ。

超固结黏土Cfv的修正系数μ与土体的塑性指数Ip和有效竖向应力相关。

样本曲线见图4。

3)公式法确定修正系数μ。

①对于正常固结与轻微超固结黏土，修正系数μ可以确定为：
式中：WL为土的液限，用小数表示。

②对于超固结比率Roc超过1.3的黏土，修正系数μ可以确定为：
1.1.2 未知固结状态
1.1.
2.1 利用固结状态分区图确定修正系数μ
1)首先运用图5中所示关系评估黏土的固结状态。

如果相应参数落入新土与陈土
曲线之间的区域，可以认为黏土为正常固结状态(NC)；如果黏土落入陈土曲线上
方的区域，可以认为黏土为超固结状态(OC)。

2)再根据图6曲线修正正常固结土体、超固结土体。

1.1.
2.2 利用经验公式计算确定修正系数μ
如果超固结比率Roc无法确定，可以根据经验公式进行估计。

1.2 我国推荐的修正方法
我国第四版《工程地质手册》推荐的修正方法，对现场十字板测得的强度Cfv(实
际手册中用的是Su，本文将符号统一为Cfv)按折减系数μ来折减，评估公式如下：式中：Cu为不排水剪抗剪强度值(kPa)；Cfv为现场十字板剪切试验不排水剪抗剪强度(kPa)；μ为折减系数。

折减系数μ按图7取值，曲线1适用于液性指数大于1.1的土，曲线2适用于其
他软黏土。

《铁路工程地质原位测试规程》[5]规定：当塑性指数Ip≤20时，折减系数μ=1.0；当塑性指数20< Ip≤40时，折减系数μ=0.9。

1.3 我国与欧洲修正方法对比
欧洲标准推荐的修正方法分两种情况：1)已知土的固结状态情况。

利用液限(WL17)关系(图3)确定正常固结黏土的修正系数μ；利用塑性指数(Ip17)及Cfv关系(图4)确定超固结黏土的修正系数μ；利用经验公式确定修正系数μ。

对于正常固结与轻微超固结黏土，采用式(2)，对于超固结比率Roc超过1.3的黏土，采用式(3)。

2)
未知土的固结状态情况。

利用固结状态分区图(图5)，根据Cfv与塑性指数(Ip17)
确定土的固结状态，再根据土的固结状态及Cfv确定修正系数μ；利用式(5)确定
修正系数μ。

我国《工程地质手册》推荐了两种修正方法：1)根据液性指数(IL10)及塑性指数(Ip10)，查修正系数图确定折减系数μ；2)直接根据塑性指数(Ip10)确定折减系数μ。

二者的主要区别，欧洲标准推荐的修正方法均考虑了土的固结状态，而我国推荐的修正方法只考虑了土的塑性指数与液性指数。

2.1 场地地层
以中国石油大连石化公司长兴岛炼化项目(一期)工程某典型钻孔为例，水深4.0 m，地层如下：1)细砂。

0～3.5 m，灰色，稍密，饱和。

含少量贝壳及黏性土。

2)淤
泥质土。

3.5～8.6 m，灰色，流塑。

含贝壳碎屑及少量有机质，夹粉土、粉砂，
有腥臭味。

3)粉质黏土。

8.6～20.0 m，灰色，流塑。

含少量贝壳碎屑，夹粉土、粉砂。

4)黏土。

20.0～27.4 m，灰黑色，软塑。

含少量有机质，夹粉土、粉砂。

2.2 土的物理指标及十字板现场实测指标
修正现场十字板实测指标所需要的土的物理指标见表1，现场十字板实测指标见表2。

表中数值均按统计规则做了异常值的剔除，具有良好的代表性。

2.3 现场十字板指标修正
2.3.1 欧洲标准推荐方法修正
1)利用固结状态分区图确定修正系数μ。

①有效应力按土层中间深度计算，各层有效密度均采用浮密度。

②对于超固结状态土，由式(4)得：
根据经验公式Roc 得到：
淤泥质土，查图5确定属超固结状态土，根据式(8)估算确定Roc=2.3，再查图6，
μ=0.55；修正值Cu=10.9 kPa。

粉质黏土，查图5确定属超固结状态土，根据式(6)估算确定Roc=2.1，再查图6，μ=0.60；修正值Cu=24.2 kPa。

黏土，查图5确定属正常固结状态土，根据式(8)估算确定Roc=1.5，再查图6，
μ=0.75；修正值Cu=46.7 kPa。

2)经验公式计算。

①对于正常固结与轻微超固结黏土，采用式(2)定修正系数μ进行修正。

淤泥质土，求得μ=1.03；修正值Cu=20.4 kPa。

粉质黏土，求得μ=1.06；修正值Cu=42.8 kPa。

黏土，求得μ=0.92；修正值Cu=57.2 kPa。

②对于超固结比率Roc> 1.3的黏土，按式(3)确定修正系数μ。

淤泥质土：Cfv=19.8 kPa，CfvRoc=2.3，求得μ=2.43；修正值Cu=48.1 kPa。

粉质黏土：Cfv=40.4 kPa，Cfv，求得μ=2.18；修正值Cu=88.1kPa。

黏土：Cfv=62.2 kPa，Cfv，Roc=1.5，求得μ=1.14；修正值Cu=70.9 kPa。

③当超固结比率Roc无法确定，采用式(5)确定修正系数μ。

淤泥质土，WL17= 40.0，求得μ=1.17；修正值Cu=23.2 kPa。

粉质黏土，求得μ=1.22；修正值Cu=49.3 kPa。

黏土，求得μ=0.84；修正值Cu=52.2 kPa。

2.3.2 我国推荐方法修正
1)采用液性指数IL及塑性指数Ip确定折减系数μ的修正。

①淤泥质土： IL=1.59> 1.1，Ip10=14.2，查图7曲线1，μ=1.1；修正值
Cu=21.8 kPa。

②粉质黏土：IL=1.1，Ip10=13.4，查图7曲线1，μ=1.1；修正值Cu=44.4 kPa。

③黏土：IL=0.82，Ip10=19.2，查图7曲线2，μ=0.79；修正值Cu=49.1 kPa。

2)按《铁路工程地质原位测试规程》规定修正。

①淤泥质土：Ip10=14.2< 20，折减系数μ=1.0；修正值Cu=19.8 kPa。

②粉质黏土：Ip10=13.4< 20，折减系数μ=1.0；修正值Cu=40.4 kPa。

③黏土：Ip10=19.2< 20，折减系数μ=1.0；修正值Cu=62.2 kPa。

2.3.3 修正系数比较
将上述修正系数计算结果进行汇总，见表3。

由表3可见，采用固结状态分区图法所确定的修正系数最低；采用已知固结状态Roc> 1.3时的经验公式计算的修正系数偏大；采用正常固结状态经验公式、未知
固结状态经验公式及我国《工程地质手册》推荐的两种方法修正系数接近。

1)考虑土的固结状态进行现场十字板实测指标的修正，在国际上是一种广泛应用的方法，在我国现行标准中未推荐该种方法，现实工作中应用很少。

2)目前我国岩土工程领域土的固结状态的评估方法，是通过土的前期固结压力试验确定超固结比进行判定。

在实际操作过程中，由于取样及试验条件的限制，用这种方法判定土的固结状态很难实现。

3)利用我国推荐方法采用的指标为10 mm液限(WL10)及对应10 mm塑性指数(Ip10),欧洲推荐方法采用的指标为17 mm液限(WL17)及对应17 mm塑性指数(Ip17)。

根据图3～7，超固结土修正系数μ在计算值大于1.0的情况下，建议按1.0取值；正常固结状态修正系数μ在计算值大于1.2的情况下，建议按1.2取值；在固结状态无法确定的情况下，采用经验公式计算的修正系数μ，在计算值大于1.0时，建议按1.0取值。

4)通过对比分析，欧洲标准中推荐的固结状态分区图法确定的修正系数μ最低，
与长期强度为峰值强度的60%～70%基本吻合。

指标安全可靠，方法方便快捷，
易于操作，建议在实际应用中采用。

【相关文献】
[1] 建设部综合勘察研究设计院.岩土工程勘察规范(2009年版)：GB 50021—2001[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[2] 常士骠,张苏民.工程地质手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2007:246-251.
[3] 顾晓鲁.地基与基础 [M].3版.北京:中国建筑出版社,2003:214-215.
[4] GB-BSI.Eurocode7.Geotechnical design.Ground investigation and testing：BS EN1997-2[S].UK:GB-BSI,2007.
[5] 铁道部第四勘察设计院.铁路工程地质原位测试规程：TB 10018—2003[S].北京:中国铁道出版社,2003.
[6] 大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司.中国石油大连石化公司长兴岛炼化项目(一期)工程岩土工程勘察报告[R].大连:大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司,2014.。