十字板剪切试验
岩土工程测试第六章十字板剪切试验
对于自钻式电测十字板剪切仪．可以采用静力触探的贯入 机具将十字板头压入到试验深度，则不存在下套管和钻孔护 壁问题。 电测式十字板剪切仪在进行重塑土剪切试验时也存在问题。 按《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）的技术要求， 在原状土峰值强度测试完毕后，应连续转动6圈，使十字板 头周围土体充分扰动。但由于电测法中电缆的存在，当探杆、 扭力柱与十字板头一起连续转动时，电缆的缠绕，甚至接头 处被扭断，使该项技术要求难以很好地执行。
五、十字板剪切试验的应用
测定原位应力条件下软粘土的不排水抗剪强度；
评定软粘性土的灵敏度； 计算地基的承载力； 判断软粘土的固结历史。
第二节 试验的原理与仪器设备
一、试验基本原理 十字板剪切试验的原理表述： 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
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＝ M1十M2。其中：
D
H
D 1 M 1 cuDH cuD 2 H 2 2
1 2 D 1 2 M 2 2cu πD cu πD 3 4 3 2 6
1 D M M 1 M 2 cuD 2 H 2 3
2M cu 则 2 D D ( H ) 3 式中，cu—— 十字板抗剪强度； D—— 十字板头直径； H—— 十字板头高度。
（1）普通十字板仪 对于普通十字板仪，上式中的M值应等于试验测得 的总力矩减去轴杆与土体间的摩擦力矩和仪器机械摩阻 力矩，即：
M ( p f f )R
pf——剪损土体的总作用力； f——轴杆与土体间的摩擦力和仪器机械阻力，试验时通 过使十字板仪与轴杆脱离进行测定； R——施力转盘半径。 将上式代入cu表达式，得：
十字板剪切试验方案
十字板剪切试验方案
一、试验目的
十字板剪切试验是为了测定土壤的抗剪强度，评估土壤在承受剪切力作用下的稳定性。
这对于地基设计、边坡稳定分析以及土壤加固等领域具有重要的意义。
二、试验原理
十字板剪切试验基于库仑定理，即剪切力与剪切位移之间的关系。
试验时，将十字板插入土壤中，施加垂直荷载，使十字板与土壤产生相对运动，从而使土壤发生剪切变形。
在试验过程中，测量剪切力和位移数据，计算出土壤的抗剪强度参数。
三、试验设备
1.十字板：通常为钢板制成，形状如十字，插入土壤中以产生剪切力。
2.千斤顶：用于施加垂直荷载，使十字板插入或拔出土壤。
3.位移计：测量十字板的剪切位移。
4.加载装置：包括压力传感器和测力计，用于测量施加在十字板上的力。
5.稳压电源及控制单元：用于提供电源和控制加载速率。
四、试验步骤
1.选择试验场地，清理表面杂物，平整地面。
2.将十字板插入土壤中，确保其稳定不动。
3.将千斤顶置于十字板上方，通过压力传感器和测力计测量施加
的垂直荷载。
4.启动稳压电源及控制单元，以恒定的速率增加垂直荷载，使十字板发生剪切位移。
5.记录试验过程中的剪切力和位移数据。
6.试验结束后，将十字板拔出，清理现场。
7.根据记录的数据，计算土壤的抗剪强度参数。
五、注意事项
1.在试验过程中，应确保十字板垂直，避免倾斜或晃动。
2.施加垂直荷载时应保持匀速，避免突然加速或减速。
3.在试验过程中，应注意观察土体的变形情况，如发现异常应立即停止试验。
十字板剪切试验
十字板剪切试验简介十字板剪切试验是一种常用的材料试验方法，主要用于评估材料的剪切性能。
该试验通过施加剪切力，在材料断裂前后测量其剪切应变和剪切应力，从而得出材料的剪切模量、极限剪切强度等参数。
本文将介绍十字板剪切试验的原理、实施步骤和数据分析方法。
原理十字板剪切试验使用一种称为十字板（shear test fixture）的装置来施加剪切力。
该装置通常包括一对夹具，材料被夹在夹具之间，施加的力使材料发生剪切变形。
通过在剪切试验中测量应变和应力，可以推导出材料的力学性能。
实施步骤1.样品准备：首先，准备试样，根据需要的尺寸和形状进行切割或制备。
2.安装样品：将试样夹在十字板装置的夹具之间，确保夹具均匀施加力。
3.施加力：通过机械装置或手动操作，在试样上施加剪切力，并同时记录施加的力大小。
4.测量应变和应力：使用应变计等传感器测量试样的应变，同时测量力的大小以计算应力。
5.记录数据：在试验过程中，要定期记录应变、应力和时间，以便后续分析。
6.分析数据：使用得到的数据，计算剪切模量、极限剪切强度等参数，评估材料的剪切性能。
数据分析方法在十字板剪切试验中，常用的数据分析方法包括：1.计算剪切模量：通过斜率方法或应变能方法计算材料的剪切模量。
2.确定极限剪切强度：在应力-应变曲线上找到最高点，即可确定材料的极限剪切强度。
3.绘制剪切应力-应变曲线：将应力与应变的关系绘制成曲线，直观展示材料的剪切性能。
结论通过十字板剪切试验，可以全面评估材料的剪切性能，为工程设计和材料选择提供重要参考。
本文介绍了十字板剪切试验的原理、实施步骤和数据分析方法，希望可以帮助读者更加深入了解这一常用的材料试验方法。
十字板剪切试验
十字板剪切试验1.适用范围十字板剪切试验可用于检测软黏性土及其预压处理地基的不排水抗剪度和灵敏度。
2.仪器设备十字板剪切仪根据其测力方式，主要分为机械式和电测试。
机械式十字板剪切仪是利用蜗轮旋转插入土层中的十字板头，由开口钢环测出抵抗力矩，计算土的抗剪强度。
电测试十字板剪切仪是通过在十字板头上连接一贴有电阻片的受扭力矩的传感器，用电阻应变仪测剪切扭力。
3.十字板形状宜为矩形，宽高比1:2，板厚宜为2-3mm；其规格宜为表的规格5.十字板剪切仪的性能指标应符合下列规定:(1)实验前，十字板探头应连同量测仪器，电缆进行率定，室内探头率定测力传感器的非线性误差，重复性误差，滞后误差，归零误差均应小于1%FS，现场归零误差应小于3%，温度漂移应小于0.01%FS/℃，绝缘电阻不小于500MΩ。
(2)十字板剪切仪的测量精度应达到1kPa.(3)仪器应能在温度-10-45℃的环境中工作。
5.1十字板剪切试验的测量仪器宜采用专用的试验记录仪。
5.2十字板剪切试验的信号传输线应采用屏蔽电缆。
5.3触探管应顺直，每节触探杆相对弯曲宜小于0.5%，丝扣完好无裂纹。
6.现场检测平整场地和安装仪器设备应符合下列规定：1.检测孔应避开地下电缆，管线及其他地下设施；2.当检测附近处地面不平时，应平整场地；3.设备安装应平稳。
6.1机械式十字板剪切仪试验操作应符合下列规定：1.利用钻孔辅助设备成孔，将套管下至预测深度以上3-5倍套管直径处，并清除孔内残土。
2.将十字板头，轴杆与探杆逐节连接并拧紧，然后放下孔内至十字板头与孔底接触。
3.接上导杆，将底座插过导杆固定在套管上，用制紧螺钉拧紧，然后将十字板头压入土内预测深度处；当试验深度处为较硬层时，应穿过该层在进行试验。
十字板插入至试验深度后，至少应静止3min，方可开始试验。
4.先提升导杆2-3mm，使离合器脱离，用旋转手柄快速旋转导杆十余圈，使轴杆摩擦减至最低值，然后在合上离合器。
十字板剪切试验原理及技术讲义
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。
二、测试原理
图中所示为板头侧 面的剪切阻力分布
Cv
CH
图中所示为在板
头上、下面的剪
切阻力分布。
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。
四、测试步骤
（一）扭力传感器率定
将板头与传感器连接， 拧紧后，把板头插入率 定仪的规定座内；
逐级施加扭矩，并记录 仪表的读数，直到传感 器的最大容许扭矩；
绘制扭矩与读数的关系 曲线，确定传感器的率 定系数。
M P
（二）现场十字板剪切测试
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
Cu 10 K Ry K 0.00218cm3 64.11N cm / 单位读数
十字板剪切试验记录表
转角
原状土
重塑土
灵敏度
（度） 应变仪读数 剪应力（kPa） 应变仪读数 剪应力（kPa） St
5
10
14.0
20
28.0
10
22
30.8
25
35.0
15
47
65.8
十字板剪切试验报告
十字板剪切试验1.1试验的目的及意义（1）测定原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。
1.2试验的适用范围原位测定饱水软粘土的抗剪强度，所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处于天然土层，在原位压力下固结的不排水抗剪强度。
1.3试验的仪器设备本次实验采用的是机械式十字板剪切仪（1）十字板头：矩形，高度为10公分，直径为5公分。
（2）轴杆：使用的轴杆直径为20mm，轴杆与十字板头连接的采用离合器装置，使轴杆和十字板头能够离合，以便分别作十字板总剪应力试验和轴杆摩擦校正试验。
（3）测力装置：采用开口钢环测力装置。
1.4实验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u c 值（假定0≈ϕ）。
十字板头旋转过程中假定在土体产生一个高度为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1M 和圆柱上、下底面的抵抗力矩2M 两部分组成，即21M M M +=。
其中：21DDH c M u ⨯=π32261232412D c D D c M u u ππ=⨯⨯⨯=)3(2161223H DD c D c D DH c M u u u +=+⨯=πππ式中 —十字板抗剪强度；—u c —十字板头直径；—D —十字板头高度。
—H对于普通十字板仪，上式中的M 值应等于试验测得的总力矩减去轴杆与土体间的摩擦力矩和仪器机械摩阻力矩，即Rf p M f ）（-=式中 剪损土体的总作用力；——f p—施力转盘半径。
—R 代入得：上式右端第一个因子，对一定规格（D 和H 均为十字板几何尺寸）的十字板仪为一常数，称为十字板常数k 即）（H D D Mc u +=322π杆脱离进行测定；与轴试验时通过使十字板仪力和仪器机械阻力，在—轴杆与土体间的摩擦—f )()3(22f p H D D Rc f u -+=π)3(22H DD Rk +=π则有)(f p k c fu -=即为十字板剪切试验换算土的抗剪强度的计算公式。
第六章 十字板剪切试验
§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。
§6.4 试验资料的整理与应用
一、试验资料的整理与成果分析 十字板剪切试验资料的整理应包括以下内容： （1）计算各试验点原状土的不排水抗剪强度、 重塑土抗剪强度和土的灵敏度； （2）绘制各个单孔十字板剪切试验土的不排水 抗剪强度、重塑土抗剪强度和土的灵敏度随深度的变 化曲线，根据需要可绘制各试验点土的抗剪强度与扭 转角的关系曲线； （3）可根据需要，依据地区经验和土层条件， 对实测的土的不排水抗剪强度进行必要的修正。
§6.3 试验方法与技术要求
一、十字板剪切试验的技术要求
§6.3 试验方法与技术要求
二、试验方法与步骤（电测十字板剪切试验） 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。
十字板
第四节十字板剪切试验十字板剪切试验是将插入软土中的十字扳头，以一定的速率旋转，在土层中形成圆柱形的破坏面，测出土的抵抗力矩，从而换算其土的抗剪强度。
十字板剪切试验可用于原位测定饱和软粘土(φb=0)的不排水抗剪强度和估算软粘土的灵敏度。
试验深度一般不超过30m。
为测定软粘土不排水抗剪强度随深度的变化，十字板剪切试验的布置，对均质土试验点竖向间距可取1m，对非均质或夹薄层粉细砂的软粘性土，宜先作静力触探，结合土层变化，选择软粘土进行试验。
一、试验仪器和设备目前我国使用的十字板有机械式和电测式两种。
机械十字板每作一次剪切试验要清孔，费工费时，工效较低；电测十字板克服了机械式十字板的缺点，工效高，测试精度较高。
机械式十字板力的传递和计量均依靠机械的能力，需配备钻孔设备，成孔后下放十字板进行试验。
电测式十字板是用传感器将土抗剪破坏时力矩大小转变成电信号，并用仪器量测出来，常用的为轻便式十字板、静力触探两用，不用钻孔设备。
试验时直接将十字板头以静力压入土层中，测试完后，再将十字板压入下一层上继续试验，实现连续贯入，可比机械式十字板测试效率提高5倍以上。
见图4﹣12。
试验仪器主要由下列四部分组成： 1.测力装置。
开口钢环式测力装置。
2.十字板头。
国内外多采用矩形十字板头，径高比为1:2的标准型。
板厚宜为2～3mm。
常用的规格有50mm×100mm和75mm×l50mm两种。
前者适用于稍硬粘性土。
图4﹣13为十字板头。
3.轴杆。
一般使用的轴杆直径为20mm。
4.设备。
设备主要有钻机、秒表及百分表等。
二、试验要求及试验要点（一）试验的—般要求为：1.钻孔要求平直，不弯曲，应配用Φ33mm和Φ42mm专用十字板试验探杆。
2.钻孔要求垂直。
3.钢环最大允许力矩80kN·m。
4.钢环半年率定一次或每项工程进行前率定。
率定时应逐级加荷和卸荷，测记相应的钢环变形。
至少重复3次,以3次量表读数的平均值(差值不超过0.005 mm)。
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• 而十字板剪切试验可以解决这一问题。十
字板剪切试验是一种土的抗剪强度的原位 测试方法，这种试验方法适合于在现场测 定饱和粘性土的原位不排水抗剪强度，特 别适合于均匀饱和软粘土。
试验步骤：
实验时，先把套管打到要 求测试的深度以上75cm， 并将套管内的土清除，然 后通过套管将安装在钻杆 下的十字板压入土中至测 试的深度。由地面上的扭 力装置对钻杆施加扭矩， 使埋在土中的十字板扭转， 直至土体剪切破坏，破坏 面为十字板旋转所形成的 圆柱面。
十字板剪切试验
• 直接剪切试验与三轴压缩试验都是室内测 定土的抗剪强度的方法，这些试验方法都 要求事先取得原状土洋，但由于试样在采 取、运送、保存和制备过程中不可避免地 会受到扰动，土的含水量也难以保持天然 状态，特别是对于高灵敏度的粘性土，因 此，室内试验结果对土的实际情况的反映 就会受到不同程度的影响。
• 试验原理： 设土体剪切破坏时所施加的扭矩为M，则它应该 与剪切破坏圆柱面（包括侧面和上下面）上土 的抗剪强度所产生的抵抗力矩相等，即
D D2 D M DH v 2 H 2 4 3 1 1 2 D H v D 3 H 2 6
式中 M——剪切破坏时的扭矩，kN•m
• 预钻式旁压试验适用于粘性土、粉土、砂 土、碎石土、残积土、极软岩和软岩。 • 自钻式旁压试验适用于粘性土、粉土、砂 土，尤其适用于软土。
预钻式旁压仪
自钻式旁压仪
试验原理
• 旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，为轴对 称平面应变问题。典型的旁压曲线(压力P-体积变 化量V曲线或压力p-测管水位下降值S)可分为三 段， • I段〔曲线AB):初步阶段，反映孔壁受扰动土的压 缩; • II段(直线BC):似弹性阶段，压力与体积变化量大 致成直线关系; • III段(曲线CD):塑性阶段，随着压力的增大，体积 变化量逐渐增加，最后急剧增大，达到破坏。
验，不必取土样，故土体所受的扰动较小，
被认为是比较能反映土体原位强度的测试
方法，但如果在软土层中夹有薄层粉砂，
则十字板试验结果就可能会偏大。
思 考
• 1 在进行试验时，出现哪种情况时，
可认为土体发生了剪切破坏？ • 2 怎么定量解释试验原理？
旁压试验
• 旁压试验是在现场钻孔 中进行的一种水平向荷 载试验。具体试验方法 是将一个圆柱形的旁压 器放到钻孔内设计标高， 加压使得旁压器横向膨 胀，根据试验的读数可 以得到钻孔横向扩张的 体积-压力或应力-应变 关系曲线，据此可用来 估计地基承载力，测定 土的强度参数、变形参 数、基床系数，估算基 础沉降、单桩承载力与 沉降。
v H
——分别为剪切破坏时圆柱体侧面和
上下面土的抗剪强度，kpa；
H——十字板的高度，m； D——十字板的直径，m； 天然状态的土体是各向异性的，但实用上为了简化计算， 假定土体为各向同性体，即剪切破坏时圆柱体侧面和上
下面土的抗剪强度相等，则有
式中
——十字板测定的土的抗剪强度，kpa
• 十字板剪切试验由于是直接在原位进行试
• I-II段的界限压力相当于初始水平压力po,II-III段的 界限压力相当于临塑压力pf, III段末尾渐近线的压 力为极限压力Pl。 D
V
C B I A po II pf III
pl
p
P种，国内国外都 是以预钻式为主 • 预钻式旁压仪的原理是预先用钻具钻出一个符合 要求的垂直钻孔，将旁压器放入钻孔内的设计标 高，然后进行旁压试验。 • 自钻式旁压仪是将旁压仪设备和钻机一体化，将 旁压器安装在钻杆上，在旁压器的端部安装钻头， 钻头在钻进时，将切碎的土屑从旁压器(钻杆)的 空心部位用泥浆带走，至预定标高后进行旁压试 验。自钻式旁压试验的优越性就是最大限度地保 证了地基土的原状性。