十字板剪切试验.ppt

2．钢环式十字板剪切仪
钢环式十字板剪切仪见图6－5所示。此仪器是以蜗 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。由于十字板头上部尚有探杆插 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。大 致曾用过四种探头，见图6－6：
理 度和灵敏度随深度的变化曲线。
及 （3）根据需要绘制各试验点土的抗剪强度与扭转角的关 因 系曲线；
素 分 析
（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。
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。
二、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。各杆件要直，各 接头必须拧紧．以减少不必要的扭力损耗。
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3～5cm，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：
cu k p f f
重型土不排水抗剪强度(或称残余强度)为：
cu k pf f
（2）轴杆 —般使用的轴杆直径为20mm。对于普通十字板仪，
轴杆与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。见图6－2所示：
图6－2 十字板装配示意
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。
套筒式铀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 。
第四节 试验资料整理及 影响因素分析
一、试验资料的整理 二、试验影响因素分析 三、试验结果修正方法
第 四
一、试验资料的整理
节 十字板剪切试验的资料整理应包括以下内容：
资 （1）计算各试验点原状土的不排水抗剪强度、重塑土抗 料 剪强度和土的灵敏度；
整 （2）绘制各个单孔土的不排水抗剪强度、重塑土抗剪强
R——施力转盘半径。 将上式代入cu表达式，得：
cu
2R
D2( D H
( )
pf
f
)
3
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：
k
2R
D2( D H )
3
cu k( p f f )
（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。
与 验间距不小于0.75～1.0m。
技 术 要
3．为保证十字极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，
求 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。
4．十字板头插入土中试验深度后，应静置2~3min，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。
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。
一、试验的技术要求 二、试验方法与步骤
一、试验的技术要求 第
三
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001），
节 十字板试验应满足以下主要技术要求：
试 1．钻孔十字板剪切试验时，十字板头插入孔底以下的深
验 度不应小于3～5倍钻孔直径，以保证十字板能在未扰动
方 土中进行剪切试验。
法 2．一般，在同一孔内进行不同深度点的剪切试验时，试
第 一、十字板剪切试验的定义
一
（Vane Shear Test ，VST）
节
十字板剪切试验（Vane Shear Test）是一种通过对插
入地基土中的规定形状和尺寸的十字板头施加扭矩，使
概 十字板头在土体中等速扭转形成圆柱状破坏面，通过换
算、评定地基土不排水抗剪强度的现场试验。
述
该试验所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天
（3）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。
四、优缺点及适用性
适用土性：被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。 优点：（1）避免取土扰动的影响；
（2）所测得的强度能较好的反映土的天然强度； （3）设备简单、操作方便。 缺点：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。
然土层在原位压力下固结的不排水抗剪强度，由于十字
板剪切试验不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应
力状态的改变，是一种有效的现场测试方法。
二、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。其间，英国Skempton等人结合φ=0原理 （φ=0 theory）的概念及应用上作了很大贡献。此后， 在世界范围内获得广泛应用。
3．用手摇套在导杆上向右转动，使十字板离合齿啮合。 再将十字板徐徐压入土中至预定试验深度，并静置2～ 3min。
4．装好底座和加力、测力装置，以约1°／10 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持制键，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p’f值。
五、十字板剪切试验的应用（目的）
十字板剪切试验可用于以下目的： （1）测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度； （2）评定软粘性土的灵敏度； （3）计算地基的承载力； （4）判断软粘土的固结历史。
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第二节 试验原理及仪器设备
一、试验的基本原理 二、试验的仪器设备
第 一、试验基本原理
二 十字板剪切试验的原理表述： 节
3．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，因而应用广泛。
第三节 试验方法及技术要求
二、试验的仪器设备
十字板剪切试验所需仪器设备包括：十字板头、试 验用探杆、贯入主机、测力与记录等试验仪器。
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，电测式十字板剪切仪，采 用电阻应变式量测装置。 1．仪器组成部件 其主要部件有：
（1）十字板头 常用的十字板头为矩形，高径比(H/D)为2。国外推
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(1°～2°)／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。
2
D 3
H
则
cu
2M
D2( D
H
)
3
式中，cu—— 十字板抗剪强度； D—— 十字板头直径； H—— 十字板头高度。
（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：
M ( p f f )R
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；
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。
三、十字板剪切试验的分类
（1）根据十字板仪的不同，十字板剪切试验可分为普通十 字板和电测十字板； （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。
第6章 十字板剪切试验
第一节 概述 第二节 试验的原理与仪器设备 第三节 试验方法及技术要求 第四节 试验资料整理及影响因素分析 第五节 试验成果应用
第一节 概 述
一、十字板剪切试验的定义 二、十字板剪切试验的发展 三、十字板剪切试验的分类 四、十字板剪切试验的优缺点及适用性 五、十字板剪切试验的目的
二、试验影响因素分析
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．可归结为表 6－2中。
表6－2 十字板剪切试验的影响因素
1．十字板头的旋转速率 旋转速率对测试结果影响很大。 （1）对高塑性粘土(Ip＝40％～30％)，剪切速率越大抗 剪强度越大，增长的很快； （2）对低塑性粘土(Ip<20％)变化幅度不大，见图6-7及 图6-8。
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
H
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M＝ M1十M2。其中：
D
M1
cuDH
D 2
1 2
cuD2 H
M2
2cu
1 4
πD 2
2 3
D 2
1 6
cu πD 3
M
M1
M2
1 2
cuD
（3）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。
a. 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。如图6－3。
b. 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。如图6－4，扭力柱的外围有外套筒，用 来保护传感器的。
图6－3 开口钢环测力装置 图6－4 电阻应变式测力装置
土的灵敏度St为：
St
cu cu
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》（GB50021－2001）的技 术要求，在原状土峰值强度测试完毕后，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。
荐使用的十字板板头与国内不一样，见表6－1。
表6－1 国内外常用的十字板头尺寸
十字板头尺寸 国外
国内
H（mm） 125±25
100 150
D（mm） 62.5±12.5
50 75
板厚t（mm） 2
2~3 2~3
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75mm×150mm的十字板头较为合 适，在稍硬土中，可用50mm×100mm的十字板头。
在钻孔某深度的软粘土中插入规定形状和尺寸的十字
试 验
板头，施加扭转力矩，将土体剪切破坏，测定土体抵抗
原 扭损的最大力矩，通过换算得到土体不排水抗剪强度q值
理 (假定φ=0)。
及
设
备
十字板头旋转过程中假设在土
M
体中产生—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，如图6－1；并假定