第5章-十字板剪切试验

第5章十字板剪切试验主讲：崔德山目录•1.概述•2.十字板测试原理•3.电测式十字板剪切试验•4.影响测试成果的主要因素•5.成果的应用•6.新产品介绍•7.试验总结与要求•8.下节预告1.概述•十字板剪切试验(VaneShearTest,简称VST)适用于原位测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天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。•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;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(Self-BoringVaneShearTest,简称SBVST)。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。•十字板剪切试验在我国沿海软土地区被广泛使用。它可在现场基本保持原位应力条件下进行扭剪。适用于灵敏度小于10的均质饱和软粘土。对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘土。十字板剪切试验会有较大的误差，使用时必须谨慎。试验项目测定参数主要试验目的十字板剪切试验不排水抗剪强度峰值cu(kPa)和残余值c’u(kPa)1测求饱和粘性土的不排水抗剪强度和灵敏度；2估算地基土承载力和单桩承载力；3计算边坡稳定性；4判断软粘性土的应力历史。优点和缺点•VST主要用于测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。它具有下列优点：•(1)不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪。所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。•(2)野外测试设备轻便，操作容易。•(3)测试速度较快，效率高，成果整理简单。•其缺点是仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十字板头。2.十字板测试原理•十字板剪切试验的原理，即在钻孔某深度的软粘土中插入规定形状和尺寸的十字板头，施加扭转力矩，将土体剪切破坏，测定土体抵抗扭损的最大力矩，通过换算得到土体不排水抗剪强度。十字板头旋转过程中假设在土体中产生一个高度为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，并假定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+M2。图中所示为板头侧面的剪切阻力分布图中所示为在板头上、下面的剪切阻力分布。CvCHHHHHCDCDDHMMMMDDDHDCDDMCDCDDCDDHMvv3321113133322162)(,121234M2杆的直径为和十字板头接触处轴为板头的直径和高度。顶面的抗扭矩为：：圆柱体底面的抗扭矩为：圆柱体侧面的抗扭矩为就可确定出来。由此读数传感器的率定系数，如下可以通过电测仪表测出uDuHvvCRRMHDMCCCCDCDDHMMMMH-,-M262323321VST是对压入粘土中的十字板头施加扭矩，使十字板头以一定速率旋转，在土层中形成圆柱形的破坏面，测定土剪切破坏时的最大扭矩，即可得到土的抗剪强度。3.十字板剪切试验分类•开口钢环式十字板剪切仪•轻便式十字板剪切仪•电测式十字板剪切仪3.电测式十字板剪切试验1.压入主机2.十字板头3.扭力传感器4.量测扭力的仪表5.施加扭力装置6.其它（探杆等）试验步骤1.平整场地，安装机架，并固定2.把板头压至测试深度3.卡住钻杆，并调零4.转动手柄，旋转钻杆，使板头产生扭矩(每10秒使摇柄转动一圈，每转动一圈测记应变读数一次。)5.测量扭矩直至峰值出现6.松动钻杆7.完全扰动测试土体，重复2-5测量扰动土的剪切强度。注意事项•应先将电缆穿过施加扭力装置的中心孔，然后再穿入探杆；•在扭剪前，应读取初始读数或将仪器调零；•匀速转动手摇柄，摇柄每转一圈，十字板头旋转一度。•测试重塑土时，用扳手或管钳快速将探杆顺时针方向旋转6圈，使十字板头周围的土充分扰动后，立即拧紧钻杆夹具4.试验条件和影响因素•4.1主要适用于饱和软粘性土层，但若土层含有砂层、砾石、贝壳、树根及其他未分解有机质时不宜采用。测试深度一般在30m以内，目前陆上最大测试深度已超过50m。•1、十字板头的旋转速率（1）剪切（旋转）速率越大，抗剪强度越大，应规定一个统一的旋转速率（1°/10s）（2）对一般粘性土，最大的抗剪强度出现在20-30之间，所用时间为3-5min，属不排水抗剪强度•2、土的各向异性（1）在板头范围内，土的非均一性（2）天然土层的抗剪强度的非等向性4.2影响因素•3、十字板头的规格指十字板头的形状、板厚及轴杆直径板厚及轴杆直径越大，板头插入土中对土的扰动越大，抗剪强度越小75mm×150mm，厚3mm，轴径16mm，6050mm×100mm，厚2mm，轴径13mm，60•4、排水条件测定的结果为土的不排水抗剪强度（=0时的C值），但实际测试中，已有部分排水，所测Cu值偏大，应修正•5、剪应力的分布•土体扭剪破坏时，破坏面上剪应力的分布并不是均匀的，剪应力近边缘处(水平面及垂直面上)均有应力集中现象。Jackson(1969)提出，对计算抗剪强度Cu的公式进行修正，表示为:•6、圆柱破坏面的形成•Leblane(1975)通过室内十字板试验发现，抗剪强度峰值发生在扭剪角不大时。随着扭剪角增大，强度降低，直至达到残余强度为止。当扭剪角超过45度时，才发展成完整的圆柱破坏面，而且剪切破坏面实际为带状，其直径比十字板叶片直径大5%，这使计算所得抗剪强度值偏大。•7、触变效应•Flaate(1966)首先提出，试验前十字板头插人土中静置的时间延长时，测得的抗剪强度往往会增加。这与插人十字板头所产生的孔隙压力的消散和勃性土触变强度的恢复有关。为增加资料的可比性，有必要对十字板插入土中和试验之间规定一个统一的延迟时间。•8、试验方法•采用不同的试验设备、钻进方式或操作方法也都会影响所测试土层的抗剪强度。电测式十字板比非电测式的试验结果往往偏小15-20%(当控制剪切速率等条件相同时)。这是由于电测装置从根本上消除了机械安装、钻杆弯曲、轴杆摩擦等因素的影响。5.数据的处理与应用•计算土的抗剪强度•计算土的灵敏度•绘制抗剪强度与试验深度的关系曲线•绘制抗剪强度与回转角的关系曲线•计算土的抗剪强度Cu数。原状土剪损时表最大读—单位读数）传感器率定系数（—）；传感器率定系数（—十字板常数yuyuRCcmHDHDKRKC;/cmNkPa00218.03121032•计算重塑土的抗剪强度Cu′•计算土的灵敏度St'uutCCS重塑土剪坏时表的读数—e'R10euRKC5.2资料应用•国内外研究均表明，十字板剪切试验所测得的抗剪强度值偏高;应用于实际工作时应作修正。Bjerrum(1972）建议的修正式为:•(1)计算地基承载力•(2)分析饱和软粘性土填、挖方边坡的稳定性•十字板抗剪强度较为普遍地用于软土地基及软土填、挖方斜坡工程的稳定性分析与核算。根据软土中滑动带强度显著降低的特点，用十字板能较准确地确定滑动面的位置，并根据测得的抗剪强度来反算滑动面上土的强度参数，为地基与边坡稳定性分析和确定合理的安全系数提供依据。据南京水科院、浙江水科院等单位对海堤、水库堤坝所作的大量验算，表明十字板抗剪强度一般偏大，建议在设计中安全系数不小于1.3—1.5为宜。••(3)检验地基加固改良的效果•在软土地基堆载预压(或配以砂井排水)处理过程中，可用十字板剪切试验测定地基强度的变化，用于控制施工速率及检验地基加固的效果。•(4)其他•软粘性土的灵敏度是一个重要指标，用它可以来判断土的成因、结构性，并了解扰动因素(如打桩、活荷载变化剧烈等)对软土强度的影响；根据抗剪强度与深度的关系曲线来判定土的固结性质；根据不排水抗剪强度确定软土路基的临界高度等。•估算地基容许承载力对于内摩擦角为零的饱和软粘土，可以用下式估算地基容许承载力[R][R]=2Cu+h式中：—基础底面以上土的容重；h—基础埋深。•预估单桩承载力在饱和软粘土中，单桩的极限端阻力qp和极限侧摩阻力qf可由下式计算)5.01(9；超固结粘土软粘土ufupCqhCq•求软粘土灵敏度野外十字板剪切实验是确定软粘土灵敏度的最可靠的方法uutCCS十字板剪切试验记录表转角（度）原状土重塑土灵敏度St应变仪读数剪应力（kPa）应变仪读数剪应力（kPa）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082单位读数/cmN11.6400218.0103cmKRKCyu14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.8十字板剪切试验记录表转角（度）原状土重塑土灵敏度St应变仪读数剪应力（kPa）应变仪读数剪应力（kPa）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082单位读数/cmN11.6400218.0103cmKRKCeu14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.0十字板剪切试验记录表转角（度）原状土重塑土灵敏度St应变仪读数剪应力（kPa）应变仪读数剪应力（kPa）510201022251547322074362510135301083535101354096354589355082uutCCS14.030.865.8103.6141.4151.2141.4134.4124.6114.828.035.044.850.449.049.049.049.049.03.06.新产品介绍•1、电动室内十字板剪切仪•符合ASTMD4648规范•标准型电动十字板剪切仪旋转速度恒定，10°/分钟，包含有标准的12.7x12.7mm十字板头。•ASTM特殊版S2301，旋转速度更快，60°-90°/分钟，带有可选择的十字板头，直径12.7mm，高度25.4mm。设备由四个弹簧中的一个进行加载。•S2302型为室内手动十字板剪切仪。•手动便携式十字板剪切仪•用于初步测试软粘土和中等强度硬粘土的天然不排水抗剪强度•使用快速简单，重量轻•手动直接钻孔，深度可达3米•三种十字板尺寸：量程从0到200kPa微型十字板剪切仪•标准十字板基座刻度范围0-1kg/cm2，最小刻度为0.05kg/cm2，这样目视精度接近0.01kg/m2，除了标准十字板头外，另外两个十字板头范围分别为0-2.5和0-0.2kg/cm2。•十字板剪切仪和贯入仪同时使用，可以快速对土体的内摩擦角进行评估，或者用来判定土体是否是粘性的。•重量：0.5公斤E-286十字板剪切•E-286十字板剪切仪紧凑小巧，可放置于携带箱中，能快速测试土体的基础、掘进、坑槽的稳定性。总范围0-260kPa。手柄上的刻度读数能保持最大值，直到重新复位。精度10%。•包含有三种尺寸的十字板头：16x32mm,20x40mm,25.4x50.8mm。•有效测试范围•0-260kPa；•0-130kPa；•0-65kPa。•可选50.8x101.6mm十字板头用来测试非常敏感性土体，测试范围：0-8.125kPa，一个模拟板头用来标定延长杆和土体摩擦。•延长杆共6根，每根长0.5米。•分隔放置携带箱并带有两个小扳手•重量：3公斤序号产品规格单位数量单价金额RE:MARTEST（意大利）19154元（人民币）（人民币）便携式十字板剪切试验1S057现场勘查便携式十字板。配备多种十字板剪切头，及安装工具。贯入深度：60mm，可通过500cm的延伸杆