十字板剪切试验

（五）十字板剪切试验（VST）

十字板剪切试验于1928年在瑞士奥尔桑（J〃Olsson）首先提出。在我国于1954年开始使用十字板剪切试验以来，在沿海软土地区被广泛使用。十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土层快剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法。这种方法侧得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层的不排水抗剪强度，在理论上它相当于三轴不排水剪的总强度，或无侧限抗压强度的一半（ϕ=0）。由于十字板剪切试验不需采取土样，特别对于难以取样的灵敏性高的粘性土，它可以在现场基本保持天然应力状态下进行扭剪。长期以来十字板剪切试验被认为是一种较为有效的、可靠的现场测试方法，与钻探取样室内试验相比，土体的扰动较小，而且试验简便。

但在有些情况下已发现十字板剪切试验所测得的抗剪强度在地基不排水稳定分析中偏于不安全，对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘性土，十字板剪切试验会有较大的误差。因此将十字板抗剪强度直接用于工程实践中，要考虑到一些影响因素。

1.十字板剪切试验的基本技术要求

(1)十字板尺寸：常用的十字板尺寸十字板尺寸表8-33

十字板尺寸与国内常用的十字板尺寸不

同，见表8-33。

(2)对于钻孔十字板剪切试验，十字

板插入孔底以下的深度应大于5倍钻孔

径，以保证十字板能在不扰动土中进行剪切试验。

(3)十字板插入土中与开始扭剪的间歇时间应小于5min。因为插入时产生的超孔隙水压力的消散，会使侧向有效应力增长。拖斯坦桑(Torstensson(1977))发现间歇时间为1h和7d的，试验所得不排水抗剪强度比间歇时间为5min的，约分别增长9%和19%。

(4)扭剪速率也应很好控制。剪切速率过慢，由于排水导致强大增长。剪切速率过快，对饱和软粘性土由于粘滞效应也使强度增长。一般应控制扭剪速率为1。～2。/10s，并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。

(5)重塑土的不排水抗剪强度，应在峰值强度或稳定值强度出现后，顺剪切扭转方向连续转动6圈后测定。

(6)十字板剪切板试验抗剪强度的测定精度应达到1～2kPa。

(7)为测定软粘性土不排水抗剪强随深度的变化，试验点竖向间距应取为1m，或根据静力触探等资料布置验点。

2.十字板剪切试验的基本原理

十字板剪切试验包括钻孔十字班剪切试验和贯入电测十字板剪切试验，其基本原理都是：施加一定的扭转力矩，将土体剪坏，测定土体对抗扭剪的最大力矩，通过换算得到土体抗剪强度值(假定a =0)。假设土体是各向同性介质，即水平面的不排水抗剪强度(C u )h 与垂直面上的不排水抗剪强度(C u )v 相同：(C u )v =(C u )h 。旋转十字板头时，在土体中形成一个直径为

D ，高为H 的圆柱剪切破坏面。由于假设土体是各向同性的，因此该圆柱剪损面的侧表面及

顶底面上各点的抗剪强度相等，则旋转过程中，土体产生的最大抗扭矩M 由圆柱侧表面的抵抗扭矩M 1和圆柱底面的抵抗扭矩M 2组成。

21M M M += （8－45）

式中：

2

1D DH

C M u π=

απ⎥⎦⎤⎢⎣

⎡=2)41(22

2

D D C M

u

则：

)2

(

2

14

1213

3

2

α

ππαπ+

=

+

=

D

H D C D

C HD

C M u u u （8－46）

所以

⎪

⎭⎫ ⎝⎛+=

22απD

H D M

C u （8－47）

式中 α ――与圆柱顶底面剪应力的分布有关的系数，见表8-34；

M ――十字板稳定最大扭转矩(即土体的最大抵抗扭矩).

影响十字板剪切试验的因素很多，有些因素，如十字板厚度、间歇时间和扭转速率等。已由技术标准加以控制了，但有些因素是无法人为控制的。例如：土的各向异性，剪切面剪应力的非均匀分布，应变软化和剪切破坏圆柱直径大于十字板直径等等。所有这些因素的影响大小，均与土类，土的塑性指数I p 和灵敏度S t 有关。当I p 高，S t 大，各因素的影响也大。故对于高塑性的灵敏粘土，对十字板剪切试验的成果，要做慎重分析。

3.十字板剪切试验的适用范围和目的

十字板剪切试验适用于灵敏度S t <10，固结系数C v <100m 2/年的均质饱和软粘性土。其目的有：

(1)测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度C u ；

(2)估算软粘性土的灵敏度S t 。 4.十字板剪切试验成果的应用

十字板剪切试验成果主要有：十字板不排水抗剪强度C u 随深度的变化曲线，即C u -h 关系曲线。

十字板不排水抗剪强度一般偏高，要经过修正以后，才能用于实际工程问题。其修正方法有：

()fv u f u C C μ=)( (8－48)

式中 f u C )(－－土的现场不排水抗剪强度(kPa)；

()fv u C ――十字板实测不排水抗剪强度(KPa)；

μ ――修正系数，按表8-35选取。

国外约翰逊(johnson 1988)等对墨西哥海湾深水软土的试验：

2

000156.00206.029.1p p I I +-=μ （8－49）

(20<=

p

I <=80)

()

L

098I

.00077.010

+-=μ （8－50）

（3.12.0≤≤L I ）

十字剪板修正系数 表8-35

经过修正后的十字板不排水抗剪强度可用于平定地基土的现场不排水抗剪强度，即式(8－48)确定的()f u C 。

用()f u C 也可以确定软土地基的承载力：

根据中国建筑科学研究院，华东电力设计院的经验，依据()f u C 评定软土地基承载力标准值k f (kPa)的公式为：

()D f C f u k γ+=2 （8－51）

式中:γ――土的重度(kN/m 3)；

D ――基础埋置深度(m)。

也可以利用地基土承载力的理论公式，根据()f u C 确定地基土的承载力. 用十字板实测不排水抗剪强度可以估算软土的液性指数I L

()'

13

lg

fv

u L C I = （8－52）

式中：'

)(fv u C -扰动的十字板不排水抗剪强度(kPa).