十字板剪切试验的综合应用.doc

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10 cm。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 设备类型及使用条件 微型十字板仪 机械式十字板仪 电测式十字板仪 生产厂家 上海金勘 一航院 江苏如皋 仪器型号 YSB20:40 SZ-1 DN-1 十字板头规格 板高H（mm） 40 150 100 板宽D（mm） 20 75 50 板厚l（mm） 1 3 2 轴杆长度s（mm） 20 75 50 轴杆直径Dt（mm） 8 16 13 面积比Ar(%) 16 13 14 厚度比t/D 0.04 0.04 0.04 测力系统及标定 标准砝码 钢环式测力计 电阻应变式扭力传感器 采用标准砝码和标准刻度盘 钢环标定,轴杆摩阻力校正, 跟管钻进,导轮间距≤10m 传感器扭矩标定，水压300kPa恒压1小时绝缘电阻≥20Ω 正常使用条件 室内、室外在土样盒中均能使用 风平浪静,水深5m～6m,水面下≤15m 风力≤4级,浪高≤0.5m 优缺点 受气象条件限制少；需与原位测试结果比对。 操作快，数据自动力化采集；对气象条件和探头绝缘要求高。 直观便捷；对气象条件要求较高，人工干扰数据因素在。 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K 34170.5 647.2 2185.4 标定系数ξ 26806.8 0.5549 0.1016 3.2