十字板剪切试验成果的应用探讨

十字板剪切试验成果的应用探讨

王翔

深圳市勘察测绘院（集团）有限公司深圳518028

摘要：笔者主要从事勘察方面的工作。本文通过从十字板剪切试验原理出发，对十字板剪切试验成果的部分应用提出了自己的见解，并提出了应用十字板剪切试验成果间接求取土体的静止侧压力系数，对室内试验进行辅助和补充，更好的为设计服务。

关键词：十字板剪切试验、正常固结土、抗剪强度指标、静止侧压力系数

Abstract：Theauthorismainlyengagedintheworkofinvestigation.Basedontheprincipleofcrosssheartest，thispaperputsforwardsomeopinionsontheapplicationoftheresultsofcrosssheartest，andputsforwardthatthestaticlateralpressurecoefficientofsoilcanbeobtainedindirectlybyusingtheresultsofcrosssheartest，whichcansupplementandsupplementtheindoortestandservethedesignbetter.

Keywords：Vanesheartest，normalconsolidatedsoil，shearstrengthindex，Staticlateralpressurecoefficient

伴着经济和社会的发展，大部分沿海城市的建设规模在迅猛的增加，随着建筑物的不断增加以及陆域面积的有限，人类的建筑活动开逐渐的向海域扩张，围海造陆，海底隧道，人工岛等不断涌现。滨海地带受海陆沉积的作用分布有大面积深厚的饱和软粘土，随着沿海建筑尤其是地下建筑活动如地下室、地铁、地下道路、地下商场等的日益频繁，人们对软粘土的关注和利用也越来越多，于是在工程的前期勘察阶段如何采用正确有效的手段去查明和评价饱和软黏土的物理力学性质，提出更加可靠工程设计所需的参数，以保证工程设计与施工的安全、节约工程造价，便成为沿海地下工程建设的首要难题。目前行之有效的办法就是对软粘土取样进行室内试验、进行现场原位测试等，其中十字板剪切试验便是有效的原位测试方法之一。

1、十字板剪切试验原理

十字板剪切试验是野外剪切试验的一种，其原理是将具有一定高径比的十字板头插入层中，量测钻杆对十字板头施加扭矩，根据土体在破坏时产生的最大抵抗力矩，测定土的原位应力状态下的不排水抗剪强度和土体完全扰动后的重塑土的残余剪切强度，从而评价土体的力学性质及土体在受扰动后的性质变化情况。所以十字板剪切试验的成果主要为得到土体原位应力状态下的不排水抗剪强度、受扰动后的残余剪切强度以及土体的灵敏度。

而对于十字板剪切试验成果的应用，不同工程类型、不同的规范手册也都不尽相同，本文将对主要的成果处理和应用进行分析，并对其适用性及局限性进行探讨。

2、试验成果的应用探讨

2.1、统计分析

在现在很多的原位测试报告或者勘察成果报告中，将十字板剪切试验得到某层土体的所有不排水抗剪强度值进行平均值及标准值的统计，然后用统计平均值或者标准值作为该层土的不排水抗剪强度值，然后根据相关经验公式进一步评价土体的力学性质。

我们知道，抗剪强度不是土体的固有指标，它的大小决定于土体的抗剪强度指标c、φ值，是随着土体埋藏深度逐渐增大的，那么采用统计平均值作为土体的固有指标直接进行应用是否合理呢？

根据库伦抗剪强度理论公式τ=σtanφ+c可知，土体的抗剪强度可分为σtanφ和c两部分，其大小分别取决于土体的抗剪强度指标φ、c值，而对于饱和软黏土尤其是淤泥来说，土体的内摩擦角φ值极小，多小于5°，这样就使得σtanφ部分的值很小，土体的抗剪强度大小主要来自于c值部分，即当σ变化时，对抗剪强度τ影响很小，而根据σ=可知，σ的变化主要取决于土层埋藏深度，所以饱和软黏土尤其是淤泥的抗剪强度受土层的埋藏深度的影响很小。下面以某工程为例。

某工程位于沿海，原始地貌为滨海滩涂，分布有海陆交互沉积相的淤泥层，层厚一般不大，室内试验测得土体的内摩擦角φ值为3°，饱和重度为16.6kN/m3，于是我们可以试算各深度处相对于淤泥表面的抗剪强度的变化，如下表：

表2.1-1抗剪强度随深度变化表

由表中数据可见，深度变化对抗剪强度的影响是很小的。

另一方面，对于滨海滩涂的淤泥尤其是海陆交互沉积相的淤泥层，常夹有细砂或贝壳残留体等，同时近陆或滨海滩涂的淤泥层，由于人工填海造陆活动频繁，受到不同程度扰动和处理，使得淤泥层出现明显的不均匀特点，其原位十字板剪切试验得到的不排水抗剪强度随深度增大的规律不明显，甚至出现随深度减小的情况。

所以根据以上分析可知，对于近陆或滨海滩涂的淤泥层，由于其埋藏较浅，沉积年代较新，厚度不大，受人工填海造陆活动活动影响，不均匀特点明显，淤泥的不排水抗剪强度受深度变化影响较小，随深度增加的规律不明显，采用统计的方法对淤泥层的抗剪强度值进行统计分析，用平均值或者标准值来评价土体的力学性质是合理可行的，在统计时因土层中的硬质体导致的试验异常值应剔除。

但是对于埋藏深度较大，厚度较大的饱和软黏土层，由于其沉积年代较久，自重固结程度较高，性质较好，受人工扰动或处理影响小，土质均匀，其原位十字板剪切试验不排水抗剪强度值受深度变化影响较大，随深度呈现明显增大的变化规律，此时采用统计分析的方法，对抗剪强度值进行统计，用平均值或标准值作为土层的抗剪强度值，将不再合理。

2.2、判定软土的固结历史

在《工程地质手册》（第五版）中有提到，绘制抗剪强度与十字板剪切试验深度的关系曲线，根据曲线可判定试验土层的固结性质，即

（1）由于抗剪强度与试验深度成正比，可根据抗剪强度值绘制一条直线，当直线通过原点时，可认为该土属正常固结土；

（2）由于抗剪强度与试验深度成正比，可根据抗剪强度值大致绘制一条直线，直线不通过原点，而与纵轴（深度轴）的向上延长线相交，可认为该土属超固结土；

但是本文认为上述的判定原则存在不合理性，具体分析如下：

分析之前，我们以黏性土为例，再了解一下什么是正常固结土，正常固结土是在某有效压力下完成了固结，达到固结稳定状态，且历史上均未受到过其他更大的压力，且现在受到有效压力与固结压力相等的土。

所以正常固结土是完成了固结，达到固结稳定的土，是具有一定抗剪强度的，即抗剪强度随深度的变化曲线是不通过原点的，应该是与横轴（抗剪强度轴）的正方向上存在交点的，交点显示的抗剪强度就是黏土的粘聚力，这就是为什么黏性土开挖一定深度能够自稳的缘故。根据库伦抗剪强度理论公式τ=σtanφ+c可知，当深度为零时，黏性土的抗剪强度不为零，而是等于粘聚力c值，与上述分析是吻合的。这对于砂土也是同样的道理，砂土不具有粘聚力，当埋藏深度为零时，其抗剪强度为零，随深度变化曲线过原点，这就是为什么干燥的砂土开挖不能自稳，地表的干燥砂粒风都能吹动原因。

相反，按《工程地质手册》（第五版）中判定原则（1）表述的如果正常固结土的抗剪强度随深度变化曲线过原点，表明地表处黏性土的抗剪强度为零，这只有粘稠度很稀的泥浆才会有这样的强度，而泥浆尚未开始固结，属于欠固结土，并非正常固结土，所以判定原则存在矛盾。

所以综上论述，无论是正常固结土还是超固结图，甚至欠固结土（除完全未开始固结的土），其抗剪强度随深度变化的曲线均不会经过原点，而是与横轴（抗剪强度轴）的正方向上存在交点，交点显示的抗剪强度值的大小，与土体的承受的固结压力和固结程度有关，根据抗剪强度与十字板剪切试验深度的关系曲线与原点的关系来判定软土的固结历史的方法，是不合理的。

2.3、推求静止侧压力系数

（1）理论推导

在进行十字板剪切试验时，被剪切的软弱土体可看做是圆柱体，设试验土体柱侧面所受到剪力为τ1，上下面受到的抗剪强度τ2，柱体高度为十字板头的高度H，柱体直径为十字板头的宽度D，于是根据库伦抗剪强度理论公式可得：

τ1=σk0tanφ+c2.1-1

τ2=σtanφ+c2.1-2

式中σ为试验点深度处的土体应力，这里等于试验点深度以上所有土体的自重应力，即σ=γh。其中k0为土体的静止侧压力系数；γ为试验点以上土体的重度，地下水位以下取浮重度，地下水位以上取天然重度。

试验时，土体对板头的产生的力矩为M，它就等于试验时试验机上施加的力矩，可用下式表示：

2.1-3

将上述式2.1-1、2.1-2代入2.1-3中可得：

根据十字板剪切试验机操作原理及读数原理，M=RC（RY-Rg），于是代入上式可得：

由此可见十字板剪切试验的抗剪强度和试验点深度呈线性关系，命一个常数δ，使它等于

cu可表示为：

δ是一个常数，其值大小取决于十字板头的尺寸和土体的静止侧压力系数k0。

根据抗剪强度与深度的关系式，以深度为自变量，以抗剪强度为因变量，可以对所有的十字板剪切试验数据采用最小二乘法得到抗剪强度随深度变化的回归直线，从而求得土体的φ值：

式中分别为每次试验的抗剪强度值及对应的该试验深度处上覆土体的自重应力。为参与计算的试验数据的组数。

进一步可以得到：

最后根据δ便可反算出土体的静止侧压力系数k0值。

（2）工程实例

现以某沿海线路工程为例，对通过十字板剪切试验求取静止侧压力系数k0值进行演算。本工程为市重点工程，为沿海区的海底通道，分为陆域段及海域段，陆域段原始地貌为海域及滨海滩涂，分布有较厚的淤泥层，后经人工围海堆填形成港口及码头。海域段位于珠江入海口，广泛分布有淤泥层。

勘察期间对海域段淤泥层均进行了原位十字板剪切试验，海域段数据28组，试验数据可见下表2.3-1。

表2.3-1十字板剪切试验原始数据表

试验点上覆土层主要为淤泥层，根据室内试验成果淤泥的重度可取16.6kN/m3。

采用最小二乘法可绘制抗剪强度随上覆土自重应力变化的回归线，回归时应剔除部分离散性较大的数据，不参与绘制，如下图：

图2.3.1海域段回归线

上图中回归线的信息如下表3.1-3。

表2.3-3回归线信息表

根据以上结论可得试验土体的c、φ值：

同时根据本工程海域段淤泥进行的室内直接剪切试验试验得到的淤泥的抗剪强度指标φ值为：

于是可算出0.687，然后根据下式：

可算出该淤泥的静止侧压力系数

根据本工程的室内试验成果，淤泥的静止侧压力系数统计平均值为0.60，与上述推算结果较为接近，由此可见上述方法是较为可靠的。但是由于本次在试验土层进行的试验数据有限，且淤泥层为海陆交互沉积相淤泥，位于近陆，层厚薄，受人工活动影响较大，存在不均匀性，数据离散型较大，该方法的适用性需进一步实践证明。

五、结束语

十字板剪切试验是岩土工程勘察中的重要手段，其成果的应用根据不同的规范、手册也是各有不同，具体采用什么方法去处理和利用成果数据，更有效、直观的评价土体的力学性质，为设计及工程评价提供更可靠的依据，需要我们根据项目特点、岩土性质、工程需要等综合考虑，同时在选用应用方法时，应根据土体受力原理，分析各种方法的适用性和局限性，以免进入误区或得出错误结论。

本文针对个别的应用进行了粗浅的分析，作出了个人的判断，并提出了新的应用方法，无论是理论分析还是实例计算都不是很成熟，需要更多的实践来验证。

参考文献：

[1]常士骠，张苏民等.工程地质手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]徐超，石振明等.岩土工程原位测试[M].上海：同济大学出版社，2005.

[3]高大钊.土力学与基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[4]袁聚云。土质学与土力学（第三版）[M].上海：上海交通出版社，2006.