岩土工程实验计划书

研究生课程考核试卷

科目：岩土工程试验技术教师：

姓名：学号：

专业：建筑与土木工程类别：（专业）上课时间：2015 年 6 月至20 15 年7 月考生成绩：

阅卷评语：

阅卷教师(签名)

重庆大学研究生院制

原位十字板剪切试验计划书

试验目的

为了研究现场原状土的抗剪性能，进行十字板剪切试验。它适用于测定饱和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的固结不排水抗剪强度；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。其中为了研究现场原状土的抗剪性能，进行原位十字板剪切试验。并能为以下的分析计算提供依据。

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。

科学原理

1.土的抗剪强度指标

土的抗剪强度指标c 和φ是通过试验得出的。它们的大小反映了土的抗剪强度的高低。

tan φ=f 为土的内摩擦系数，σtan φ为土的内摩擦力,通常由两部分组成:一部分是剪切面上颗粒与颗粒接触面所产生的摩擦力;另一部分则是由颗粒之间的相互嵌入和联锁作用产生的咬合力。粘聚力c 是由于粘土颗粒之间的胶结作用、结合水膜以及分子引力作用等形成的,按照库伦定律,对于某一种土,它们是作为常数来使用的。实际上,它们的均值随试验方法和土样的试验条件等的不同而发生变化,因此,即使是同一种土,c 和φ值也不是常数。 根据库仑定律（1776），有

?στ tan f +=C

式中 f τ——剪切破坏面上的剪应力（kPa ），即土体的抗剪强度； σ——破坏面上的法向应力（kPa ）； C ——土体的内聚力（kPa ）； ?——土体的内摩擦角（°）。 依据测得的f τ就可以相应的C 、?值。 2.十字板剪切的试验原理

野外十字板剪切试验是一种原位测定饱和软黏性土抗剪强度的方法。所得的抗剪强度值，相当于天然土层试验深度处，在天然压力下固结的不排水抗剪强度；在理论上相当于室内三轴不排水剪总强度，或无侧限抗压强度的一半（?=0）。

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。其中：

12u D

M c DH π=?

23

212124326u u D M c D c D ππ=???=

3211()2623u u u D D

M c DH c D c D H πππ=+=+

22()

3

u M

c D

D H π=+

式中 u c ─十字板抗剪强度； D ─十字板头直径； H ─十字板头高度

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。

试验方法

用普通十字板剪切仪于现场测定软粘土的不排水抗剪强度和残余强度等的基本方法和要求如下：

1.先钻探开孔，下直径为127cm 套管至预定试验深度以上75cm ，再用提土

器逐段清空至套管底部以上15cm 处，并在套管内灌水，以防止软土在孔底涌起及尽可能保持实验土层的天然结构和应力状态。

关于下套管问题，已有一些勘察单位只在孔口下套一3~5m 长的套管，只要保持满水，可同样达到维护孔壁稳定的效果，而这样则可大大节省试验工作程序。

2.将识字班头，离合器，轴杆与试验钻杆及导杆等逐节接好下入孔内至十字板与孔底接触。各杆要直，各接头必须拧紧，以减少不必要的扭力损耗。

3.用摇把套在杆上向右转动，使十字板离合齿咬合。再将十字板徐徐压入土中至预定试验深度。

4.装好底座和加力、测力装置，以约1/10s ?速度旋转转盘，每转1?，测计钢环变形读数一次，直至读数不再增大或开始减小时，即表示土体已被减损，此时，施于钢环的作用力就是把原状土减损的总作用力f p 值。

5.拔下连接导杆与测力装置的特制键，套上摇把，连续转动导杆、轴杆和十字板头6转，使土完全扰动，再按步骤4以同样的剪切速度进行试验，可得重塑土的总作用力'f p 值。

6.拔下控制轴杆与十字板头连接的特制键，将十字板轴杆向上提3~5cm ，使连接轴杆与十字板头的离合器处于离开状态，然后仍按步骤4可测得轴杆与土间的摩擦力和仪器机械阻力值f 。

则试验深度处原状土不排水抗剪强度为

f ()u c k p f =-

重塑土不排水抗剪强度为

''

f ()u c k p f =-

土的灵敏度

'u

t u

c S c =

7.完成上述基本试验步骤后，拔出十字板，继续钻进至下一深度试的验。 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。电测十字板剪切仪在进行重塑土剪切试验时存在问题，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。

试验点间距的选择，可根据工程需要及土层情况来确定，一般每隔0.5~1m 测定一次。在极软的土层中，也可以不必拔出十字板，而连续压入十字板至不同的深度进行试验。

试件准备

本实验不需要制备试件，根据现场测试需要，合理选择测点进行测试。

加载仪器设备

十字板剪切试验设备主要为压入主机、十字板头、扭力传感器、量测扭力仪表、施加扭力装置。电测式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。加载仪器为施加扭力装置。

扭力装置由回旋系统和加压系统组成，转动摇杆使十字板齿轮咬合，十字板开始转动，使十字板获得一定的扭矩。

加载方案

十字板头插入土中试验深度后，应至少静止2~3min，方可开始剪切试验。扭剪速率应很好控制。剪切速率慢，由于排水，导致强度增长。扭剪速率应当控制在(1°~2°)/10s，以此作为统一的标准速率，一边能在不排水条件下进行剪切试验。测计没扭转1°的扭矩，当扭矩出现峰值或稳定值后，要继续测读1min，以便确认峰值或扭矩。在峰值强度或稳定值测试完毕后，顺时针方向连续转动6圈，使十字板头周围土体充分扰动，然后在测定重塑土的不排水强度。

测量方案

1．十字板头传感器率定。

2．按照一定程序安装好十字板头及传感器，注意接头之间要拧紧防水，并将电缆线及探杆穿过施加扭力装置。

3．将压入主机安装好。

4．将施加扭力装置放在压入主机上。

5．将测量电缆接到测量仪上。

6．然后将十字板头垂直压入土中预定深度，并用卡盘卡住钻杆，记录测量仪上的读数或调零，然后摇动施加扭力装置上的手把，每转动一圈，地下的十字板头旋转一度，并记录一次测量仪上的读数，测得峰值后，再摇动6圈并记录相应读数。

7．松开钻杆夹具，用扳手或管钳快速将探杆按顺时针方向旋转3－6圈，使十字板头周围的土充分拢动后，立即拧紧钻杆夹具，然后摇动手把，重复步骤6和7。

8．完成某深度测试后，可将十字板头压入下一深度继续进行测试，重复步

骤6和7。

9．终止试验，当完成预定的几点测试后，应立即逐节起拔探杆和十字板头，清洗干净，并拆除压入主机。

测量仪器设备

电阻应变式测力装置是在十字板头上端的轴杆部位安装测量扭力传感器，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°的电阻应变片，组成全桥解法。扭力柱的上部与轴杆相接。套筒主要用以保护传感器，他的上端螺纹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。这样，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、钻杆弯曲及塌孔等因素的影响，提高了测试精度。

包括：

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）

测点布置

根据场地地层岩性报告，初始测点选定-3m处，试点竖向间隔规定为1m。共测7点。直至-10m标高处。

试验组织

3人1组，1人测试，1调整仪器；1人读数并记录。试验前每个人应当熟悉岩土勘察规范，了解仪器的使用和维护。用试验中记录的数据，求出原状土的抗剪强度，并撰写实验报告。

安全措施

1、实验设备的使用

(1)应先将电缆穿过施加扭力装置的中心孔，然后再穿入探杆；

(2)在扭剪前，应读取初始读数或将仪器调零；

(3)匀速转动手摇柄，摇柄每转一圈，十字板头旋转一度；

(4)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。

2、实验人员注意事项

(1)注意现场的安全，一旦发生危险及时撤离现场。

(2)试验过程中，尽量减少对原状土的扰动，测试范围内不得大面积堆载。

(3)控制好施加扭矩的摇杆转动速率，不宜过快，需匀速平稳的转动。

(4)在野外进行测试，试验人员必须配备防护用品，医疗应急物品，已有意外情况发生，立即进行施救。

3、实验完成后应注意事项

(1)由于圆柱侧面和顶面达到剪切破坏不是同时的，因此强度并不是真正的峰值，而是一种平均抗剪强度。

(2)试验数据应及时进行处理，提交试验成果。

记录表格及附录材料

1、现场试验技术要求

2、十字板剪切试验的成果分析说明

3、设备清单

4、实验记录表格

十字板剪切试验记录表

5、数据处理与应用 计算土的抗剪强度u C

10u y C K R α=???

十字板常数K = 322

0.00218(1)3K cm D D H H

π-=

=+

u C —传感器率定系数(kPa )；

α—传感器率定系数(N ?cm/单位读数)；

y R —原状土剪损时表最大读数。

￣计算重塑土的抗剪强度'u C

'10u e C K R α=???

e R —重塑土抗剪坏时表的读数。

计算土的灵敏度t S

'

u

t u C S C =

结果的运用

(1)估计地基容许承载力

对于内摩擦角为零的饱和土和软粘土，可以用下式估算地基容许承载力[]R 。

[]2u R C h γ=+

式中：γ—基础底面以上土的容重； h —基础埋深。 (2)预估计单桩承载力

在饱和软粘土中，单桩的极限端阻力p q 和极限侧摩阻力f q 可由下式计算。

9p u q C h γ=+ f u q C α=

(3)求软粘土灵敏度

野外十字板剪切试验是确定软粘土灵敏度的最可靠的方法。

'

u

t u C S C =

。

参考文献：

[1]宰金珉.岩土工程测试与监测技术[M].中国建筑工业出版社,2008.

[2]缘聚云,徐超,赵春风.土工试验与原位测试[M].同济大学出版社,2004,4.

[3]中华人民共和国建设部.GB 50021-2001岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版

社,2009 .

[4]侍倩.土工试验与测试技术[M].北京化学工业出版社.2005 .

[5]程瑾.十字板剪切试验的综合运用.[J]工程勘察,2008.