十字板剪切试验.ppt

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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

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

(Vane Shear Test ,VST)

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。

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

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)。



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
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