第六章 十字板剪切试验.ppt

岩土工程测试技术 资环学院 吴道祥 第六章 十字板剪切试验 §6.1 概述 十字板剪切试验（Vane Shear Test，简称VST）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，使十字板头在土体中等速扭转形成圆柱状破坏面，经过换算评定地基土不排水抗剪强度的现场试验。 十字板剪切测试被认为是一种有效的可靠的土的原位测试方法，国内、外应用很广。这种方法在软土地区得到了广泛应用，主要用其测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。 在我国沿海地区，十字板剪切试验得到了广泛的应用，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St≤10，固结系数cv ≤ 100（m2/a）的均质饱和软粘土。 §6.1 概述 根据十字板仪的不同可分为普通十字板仪和电测十字板仪；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。 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性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）判断软粘性土的固结历史。 §6.1 概述 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。 §6.2 试验的原理与仪器设备 一、十字板剪切试验的仪器设备 十字板剪切试验所需仪器设备包括十字板头、试验用探杆、贯入主机和测力与记录装置仪器等。 目前使用的十字板剪切仪主要有两种：机械式十字板剪切仪和电测式十字板剪切仪。机械式十字板剪切试验需要用钻机或其他成孔机械预先成孔，然后将十字板头压入至孔底以下一定深度进行试验；电测式十字板剪切试验可以采用静力触探贯入主机将十字板头压入指定深度进行试验。 §6.2 试验的原理与仪器设备 1.十字板头 常用的十字板头为矩形，高径比为2。对于不同的土类应选用不同尺寸的十字板头，一般在软粘土中选用75mm×150mm的十字板头，而在稍硬一点的土中可选用50mm×100mm的十字板头。 §6.2 试验的原理与仪器设备 2.轴杆 一般使用的轴杆直径为20mm。对于机械式十字板仪，按轴杆与十字板头的连接方式，国内广泛使用离合式，也有采用套筒式的。 离合式连接方式是利用一离合器装置，使轴杆与十字板头能离合，以便分别作十字板总剪力试验和轴杆摩擦校正试验。 套筒式轴杆是在轴杆外套上一个带有弹子盘的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。 §6.2 试验的原理与仪器设备 3.测力装置 对于普通十字板，一般采用开口钢环测力装置；而电测十字板则采用电阻应变式测力装置，并配备相应的读数仪器。 开口钢环测力装置（图6-2）是通过钢环的拉伸变形来反应施加扭力的大小。这种装置使用方便，但转动时有摇晃现象，影响测力的精度。 §6.2 试验的原理与仪器设备 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（6-3）。在高强弹簧钢的扭力柱上贴有两组正交的、并与轴杆中心线成45度的电阻应变片，组成全桥接法。扭力柱的上下端分别与十字板头和轴杆相连。 扭力柱的外套筒主要用以保护传感器，它的上端丝扣与扭力柱接头用环氧树脂固定，下端呈自由状态，并用润滑防水剂保持它与扭力柱的良好接触。应用这种装置就可以通过电阻应变传感器直接测读十字板头所受的扭力，而不受轴杆摩擦、钻杆弯曲及坍孔等因素的影响，提高了测试精度。 §6.2 试验的原理与仪器设备 二、十字板剪切试验的基本原理 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cu值（假定φ≈0）。 十字板头旋转过程中假设在土体中产生一个高度为H（十字板头的高度）、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每一点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和圆柱上下底面的抵抗力矩M2两部分组成，即M=M1+M2。 §6.2 试验的原理与仪器设备 公式（6-5）就是普通十字板剪切试验换算土的抗剪强度的计算公式。 对于电测十字板仪，由于在十字板头和轴杆之间的扭力柱上贴有电阻应变片，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阻