十字板剪切试验的综合应用

十字板剪切试验的综合应用1前言十字板剪切试验是适用于测定饱和软粘土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数的测试试验，试验时将十字板头插入土中，以一定速率对板头施加扭力，直到将土剪损，测出十字板旋转时所形成的圆柱体表面处的抵抗力矩，从而换算出土的抗剪强度，其数值相当于在天然状态下的不固结不排水土的抗剪强度。目前使用的十字板剪切试验设备可分为微型十字板仪和十字板试验仪，前者用于对野外所取的土样进行试验，后者用于在原位进行试验。原位测试的十字板剪切仪分电测式十字板剪切仪和机械式十字板剪切仪。无论是微型十字板剪切仪，还是电测式十字板剪切仪和机械式十字板剪切仪，其使用条件和适用范围都有各自的局限性，尤其是水运工程的岩土工程勘察，在水上作业环境下测定饱和软粘土的抗剪强度，是必须的试验，但不是任何时段、任何自然条件都具备原位测试的试验条件。本文结合滨海新区临港工业区三期海域岩土工程勘察实践，通过对微型十字板剪切仪、电测式十字板剪切仪和机械式十字板剪切仪试验结果的综合应用，通过对三种十字板试验结果的分析研究，找其相关关系，基本解决十字板试验受制于自然条件此问题，取得了很好效果。2设备及使用条件在海域进行十字板原位剪切试验时，采用电测式十字板仪时，要求始终保持机座处于水平状态，应有保证试验孔不产生偏斜和探杆不弯曲等措施,探杆弯曲度≤0.05%～0.1%,探杆同轴公差小于φ＜1mm[1]，在300kPa水压下恒压1小时后，绝缘电阻应大于300MΩ；采用机械式十字板剪切仪进行试验时，应采取套管与船分离和预防套管自重下沉措施，孔底残土不应大于10cm。在水上作业环境条件下，满足以上作业条件的自然气象、水文条件很少。由于饱水软粘性土取样困难，且一般具有承载能力低、受压变形大、灵敏性高的结构特点，在取样过程中容易扰动而改变其天然结构，同时在取样、运输、切样及试验的过程中，会受到不同程度的扰动，即使使用长型薄壁取土器，由于饱和软粘性土的高触变性，在开土切样和加压剪切时也容易受到较大的干扰，土体结构也容易受到破坏，导致在应力松弛和再压缩条件下取得的强度指标失真。为此，在风平浪静、水深5m～6m、测点位于水面下深度≤15m条件下，适用电测式十字板仪进行试验；在风力达4级、浪高达0.5m,流速较大、测点深度超过水面下15m的条件下，适用机械式十字板剪切仪进行试验；在风力≥4级,浪高≥0.5m,流速大，原位十字板无法进行，可在钻探船船舱中，现场对土样盒中的土样采用微型十字板剪切仪进行十字板剪切试验。表2-1：设备类型及使用条件设备类型及使用用条件微型十字板仪机械式十字板仪仪电测式十字板仪仪生产厂家上海金勘一航院江苏如皋仪器型号YSB20:440SZ-1DN-1十字板头规格板高H（mm）40150100板宽D（mm）207550板厚l（mm）132轴杆长度s（mmm）207550轴杆直径Dt（mm）81613面积比Ar(%%)161314厚度比t/D0.040.040.04测力系统及标定定标准砝码钢环式测力计电阻应变式扭力力传感器采用标准砝码和和标准刻度度盘钢环标定,轴杆杆摩阻力校校正,跟管钻进,导轮间距≤10m传感器扭矩标定定，水压300kkPa恒压1小时绝缘缘电阻≥20Ω正常使用条件室内、室外在土土样盒中均均能使用风平浪静,水深深5m～6m,水面下≤15m风力≤4级,浪高≤0.5m优缺点受气象条件限制制少；需与与原位测试试结果比对对。操作快，数据自自动力化采采集；对气气象条件和和探头绝缘缘要求高。直观便捷；对气气象条件要要求较高，人人工干扰数数据因素在在。3十字板的标定3.1十字板剪切试验的原理及计算十字板剪切是对压入试验土层中的十字板头施加扭矩，形成圆柱型的H破坏面，测定土剪切破坏时最大的扭矩，即为土的抗剪强度。设剪切破坏时所施加的扭矩为M,则它与剪切破坏圆柱面土的抗剪强度(设侧面为cv、上、下面均为ch)所产生的抵抗力矩应相等，即:(式3-1)式中:D为十字板直径(m),Dt为十字板的轴杆直径(m),H为十字板的高度(m)。应用时，为了简化计算，设Cv=Ch,并统一用Cu(现场十字板测定的土抗剪强度)代替。则式3-1进一步简化为(式3-2)令，K为与十字板形状、尺寸及圆柱体面上的剪应力分布特点相关的板头常数，则有：(式3-3)用表2-1中的各种十字板参数值代入上式3-2,计算出板头常数K。表3-1：板头常数K值表设备类型微型十字板机械式十字板电测式十字板板头常数K34170.55647.22185.4标定系数ξ26806.880.55490.10163.2标定系数的标定3.2.1微型十字板标定系数微型十字板仪的轴杆顶端有一直径d=160mm的刻度盘,可由下列公式进行Cu值的计算(式3-4)式中:Fi为第i次测试时的标准砝码荷重(kg),d/2为十字板规定规格的力臂(其值为0.08m),mi为第i次测试时的标准砝码质量(N)，ζ为标定系数(ζ=0.08*9.80665=0.7845kN●m/kg)。3.2.2电测十字板板头标定系数电测十字板板头标定系数按下列公式计算：(式3-5)(式3-6)式中ξ电测十字板头标定系数（kN·m/με）；Mi十字板头第i级扭矩（kN·m）;第i级扭矩时各次仪表读数平均值。3.2.3机械十字板钢环标定系数机械十字板钢环标定系数按下列公式计算：(式3-7)式中ξ钢环标定系数（kN·m/mm）；平均荷载（kN）;作用下的平均变形量（mm）；L力矩盘的力臂（m）。4十字板试验成果的分析与评价4.1土层物理力学性质在适用十字板试验的深度范围内，土层自上而下为海相沉积的淤泥质粉质粘土、淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土混贝壳，其物理力学性质见表4-1。4.2十字板剪切试验成果对比根据气候条件和现场工程地质条件，在同一场地平行进行了电测式十字板、机械式十字板和微型十字板试验，实测数据见表4-2：十字板剪切试验成果对比表、图表4-1。从表4-2及图表4-1可以看出：(1)饱和软粘性土的十字板强度，包括原状土十字板强度（Su）和重塑土十字板强度（Su’），随测点深度的加深，其强度随之加强。(2)机械式十字板与电测式十字板抗剪强度实测值有所差距，但在测点深度范围内有一定规律：浅部机械十字板实测值小于电测式十字板（本场地-10m以浅）；中部基本一致（本场地-10m～-12m）；深部机械十字板强度实测值则大于电测式十字板强度实测值（本场地-12m以深）。(3)微型十字板强度随测点深度的加深与原位测试的十字板强度差值越来越大，但呈现一定的线性关系。说明在现场土样盒中进行的微型十字板试验对于扰动程度较小的一般饱和软粘性土，其试验指标比较稳定，也具有随测试深度的加深，其强度也随之加强的特点。对一定场地土，通过与原位十字板剪切试验结果的对比，可用现场十字板试验结果比对原位测试结果，达到综合应用的目的。4.3十字板剪切试验成果分析4.3.1十字板原位测试偏差原因分析影响十字板剪切试验的因素很多，各影响因素对Su的影响见下表[2]。十字板剪切试验影响因素及影响程度表表4-3序号影响因素影响程度①十字板厚度-(10～255)%②十字板插入对土土的扰动-(15～255)%③插入后间隙的时时间长于标标准+(10～200)%④土的各向异性比比各向同性性+(5～10))%⑤应变软化+10%⑥剪切面剪应力的的非均匀分分布+(6～9)%%⑦破坏圆柱直径大大于十字板板直径+5%⑧扭转速率：Ipp<19、Ip=440～90(5～20)%、(330～40)%%上表可以看出：影响十字板试验的因素有三方面：一是板头参数；二是操作标准化程度；三是土层的各向异性。其中板头参数（板厚度、轴杆直径、插入土中的深度及扰动力程度）对实测强度的降低至关重要。这也是在饱和软土浅部机械式十字板强度实测值平均小于电测式十字板约23%的主要原因；而随测点深度的增加，土体强度的增强，板面越大，剪应力分布状态越复杂、破坏圆柱直径就越大，同时对土体土的各向异性反应更明显。同时试点深度越深，探杆的内摩擦扭矩作用也大，故深部机械十字板强度实测值反而大于电测式十字板强度实测值，其差值约21%。通过比较机械式十字板与电测式十字板实测强度值，可知二者之间实测数据在深度范围内都有其局限性。为力求合理，按其实测值的大小进行加权平均值。加权平均后，原位测试的差值均控制在15%之内。详见表4-4、图表4-2。4.3.2微型十字板与原位十字板测试结果比对关系本场地微型十字板试验均在船舱中、利用新取土样在土样盒中完成试验，共完成12孔计121件土样的现场微型十字板试验。在土样盒中进行的微型十字板试验对象为水体下利用钻具采取的原状土样，一方面受到钻进、取样、卸样等环节的扰动，另一方面土样从原位取出来后，原位自重压力（γZ）和侧压力（K0γZ）被解除。详见图4-1：原位应力解除后应力状态变化示意图利用残余孔隙水压力法来评价土体扰动的特性，Hvorslev提出饱和土不排水抗剪强度取决于原始有效应力状态和含水量。假如土样从原位取出后，含水量没有变化，根据有效应力原理，原位应力的解除应转化为孔隙水压力的变化[3]。应力损失由下式计算：（式4-1）（式4-2）（式4-3）式中：γ，为土的有效重度；Z为取土深度；K0静止侧压力系数；λd为扰动系数（λd=1为未扰动，λd=0为完全扰动）；Sy为原位强度；Sr扰动后强度；Suw微型十字板强度；Suy原位十字1板强度；St土灵敏度。把残余孔隙水压力比与土的抗剪强度联系起来，就可以对微型十字板试验结果进行修正。本文修正采取二种方法：图解法和应力校正法。4.3.2.1图解法根据微型十字板强度实测值，通过对实测数据的相关分析，利用图解的方法，寻找微型十字板强度损失与原位十字板强度的关系。用Suw表示微型十字板强度，用Suy表示原位十字板强度，用St表示土灵敏度，用H表示测试点高程（m）。根据表4-4的数据，进行相关性分析，并作出图表。详见图表4-3、图表4-4。从上图表可以看出，微型十字板强度与原位十字板强度相比，其强度的损失与土的工程特性、测点埋深相关：土的灵敏度越大，十字板强度损失越大，损失率与灵敏度关系式详见式4-3;测点深度越深，十字板强度损失越大，损失率与测点高程关系式详见式4-4。故可以根据微型十字板实测强度和灵敏度或测点高程，及对应的相关关系式，推算出原位十字板强度。其关系式为：（相关系数R=0.90）（式4-3）（相关系数R=0.92）（式4-4）式4-3中:为微型十字板强度损失率，X为微型十字板实测土的灵敏度St式4-4中:为微型十字板强度损失率，X为微型十字板试验测点高程（m）。4.3.2.2应力校正法土样从原位取出来后，自重压力（γ’和侧压力（K0γ’Z）基本被卸载，卸载的程度，与土样的工程性质和在钻进、取样、卸样等环节的扰动及其埋深相关，可以用扰动系数（λd）表示。从图解法可知，扰动系数与土的灵敏度密切相关，用λd=1-1/St来表示微型十字板强度损失程度。微型十字板强度应力校正结果详见表4-5。校正后的微型十字板强度与原位十字板强度对比见图表4-5。从图表4-5可以看出，应力校正后的微型十字板强度与原位十字板强度的差值很小，原状土十字板强度平均相差9.6%,重塑土十字板强度平均相差1.1%。5结语5.1微型十字板仪、机械式十字板仪和电测式十字板仪均适合于测定饱和软粘性土的抗剪强度。在风平浪静,水深5m～6m,测点深度位于水面下≤15m的条件下，可优选电测式十字板仪；在风力浪较大（≤4级,浪高≤0.5m）时，可优选机械式十字板仪；当不具备上述条件，但可以进行钻探作业时，可选用现场微型十字板试验。5.2机械式十字板仪和电测式十字板仪进行十字板剪切试验时,其抗剪强度实测值都有一定的局限性,应综合应用,必要时