關于十字板剪切強度與含水率的相關性研究

韓 鵬

(天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300000)

關于十字板剪切強度與含水率的相關性研究

韓 鵬

(天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300000)

以天津市濱海新區軟土及飽和土為研究對象，通過十字板剪切試驗和室內土工試驗，研究了十字板剪切強度與含水率之間的關系,結果表明，總體上土體含水率與十字板剪切強度之間呈指數關系。

粘土，含水率，十字板剪切試驗，剪切強度

十字板剪切儀是由瑞典學者奧爾森(J.Olsson)于1928年發明的。我國于1954年引進這種試驗方法。20世紀50年代后半期開始，在沿海地區，我國工程技術人員將十字板剪切試驗應用于沿海地區范圍軟土地區的實際工程中，至今已經積累了60多年工程經驗。由于十字板剪切試驗設備簡單、操作方便、原位測試效果較好，目前十字板剪切試驗已成為一種測定土體不排水抗剪強度的便捷、快速和可靠的原位測試方法。

十字板剪切試驗的成果主要應用于地基抗滑穩定性分析、地基承載力計算、地基加固效果檢驗、軟土固結歷史的判斷等方面。目前十字板抗剪強度已成為沿海地區工程計算的主要強度指標之一。在軟土地區地基加固效果檢測以及地基承載檢測和邊坡穩定性分析中，綜合考慮十字板強度和土的其他指標的相關性，是工程技術人員普遍采用的方法，也是保證工程安全可靠的前提。目前，關于十字板剪切強度與含水率之間關系的研究仍然比較缺乏，主要表現在兩個方面：首先，關于兩者之間關系的研究主要集中在室內，對實際工程的幫助有限；其次，在研究對象的范圍及含水率區間上也較為單一。

本文以多個實際工程為基礎，通過進行現場十字板剪切試驗和室內土工試驗，對濱海軟土及飽和粘土的十字板剪切強度與含水率之間的關系進行詳細的對比研究，為十字板剪切試驗在工程實踐中的應用提供參考。

1 試驗方案設計

為了做到十字板剪切強度與含水率的完全匹配和一致，以天津濱海地區實際工程項目為基礎，在現場布置十字板剪切試驗孔和取土孔，進行現場十字板剪切試驗和取土，十字板剪切試驗孔和取土孔的間距為1.0 m。具體方法如下：

首先，在十字板剪切試驗孔中進行十字板剪切試驗，試驗間距每1.0 m一次，試驗完成后，采用取土器在十字板剪切試驗孔旁邊的取土孔進行取土作業，取土深度和十字板剪切試驗的試驗深度相同；其次，通過室內土工試驗對采取的土樣進行含水率、孔隙比、液塑限等試驗，獲得土樣的含水率、孔隙比、液塑限等物理指標；最后，在完成所有原始十字板剪切試驗和室內土工試驗后，對獲得的十字板抗剪強度與對應的含水率進行對比分析，對兩者之間的相關性以及兩者之間的規律進行研究。

2 試驗土層對象

表1 淤泥、淤泥質粘土及飽和粘土的物理指標統計表

3 實驗設備

本次十字板剪切試驗采用的設備主要包括XY-1型鉆機和機械式十字板剪切儀。十字板剪切儀主要包括十字形板頭、軸桿、扭矩測量設備及必要的附件等部分。

本次試驗采用十字板頭規格如表2所示。

表2 十字板剪切儀規格表 mm

4 十字板剪切試驗步驟及數據整理

4.1 試驗步驟

1)采用回轉法進行成孔，將套管下放至預定試驗深度以上3倍～5倍的套管直徑處。2)再次用提土器進行清孔，使孔內的殘余土不超過15 cm。3)將十字板頭、軸桿與試驗鉆桿逐節接好并下入鉆孔內，使十字板頭與孔底接觸，接上導桿。4)裝上十字板底座和測力裝置，并將底座與套管之間用緊制軸制緊。5)裝上測量鋼環變形的百分表，并調整百分表至零。6)試驗開始就開動秒表，以10 s/r的速率旋轉轉盤，每轉一圈測記鋼環變形讀數1次，直到土體剪損，仍繼續讀數1 min。7)在完成上述原狀土試驗后，拔下連接導桿與測力裝置的特制鍵，套上搖把繼續轉動導桿、軸桿旋轉六圈，使土體完全破壞，再插上特制鍵，按步驟4)以10 s/r的速率進行試驗，并測記百分表讀數。8)拔掉特制鍵將十字板軸桿向上提起3 cm～5 cm，使連接軸桿與十字板頭的離合器分離，再插上特制鍵，仍按步驟4)進行操作，即可測得軸桿和設備的機械阻力Rg值。至此一個試驗點的試驗工作全部結束。9)進行一下深度的試驗，重復上述1)～8)操作步驟，直到預定深度。

4.2 資料整理

土的抗剪強度計算。

原狀土體抗剪強度：

Cu=K·C(Ry-Rg)

(1)

重塑土體抗剪強度：

Cu′=K·C(Re-Rg)

(2)

其中，Cu為原狀土的不排水抗剪強度；Cu′為重塑土的不排水抗剪強度；K為十字板常數；C為鋼環系數；Ry為原狀土剪損時百分表最大讀數；Re為重塑土剪損時百分表最大讀數；Rg為軸桿與土摩擦時百分表最大讀數。

5 試驗數據分析

5.1 相關性分析

含水率和十字板剪切強度是衡量土質工程性質的兩個重要指標，兩者之間存在著一定的聯系，如果能夠建立兩者之間的關系，勢必將更加有效的幫助工程技術人員掌握土層的物理力學特性，進而為工程的設計和施工提供技術支持。

本次研究共完成試驗數據1 600組，剔除不合理的數據，實際有效數據1 300組。以這1 300組試驗數據為基礎，對十字板剪切強度和含水率進行回歸分析。研究發現，淤泥質軟土的十字板剪切強度總體上呈隨著含水率的降低而增大的趨勢；在含水率減小的過程中淤泥質軟土的十字板強度與含水率之間并不是呈簡單的線性關系，而是呈非線性關系。十字板剪切強度與含水率之間的關系曲線如圖1所示。經過擬合獲得十字板剪切強度與含水率之間的關系式及相關系數，如表3所示。

表3 十字板剪切強度與含水率之間的指數關系式

從圖1中可以看出，含水率位于[65，80]區間時，隨著含水率的減小，十字板強度增幅較小；當含水率位于[30,60]區間時，隨著含水率的減小，十字板剪切強度迅速增大。對于上述十字板剪切強度與含水率之間的規律，筆者認為出現上述現象的原因是，當含水率大于60%時，土層呈流塑狀態，穩定的土體結構尚未形成，土層的應力狀態對抗剪強度的影響幾乎可以忽略；當含水率小于60%時，隨著含水率的減小，土體的結構迅速形成，土層的應力場隨之增強；所以含水率減小不大，十字板強度的增幅卻較大。

5.2 分區段進行研究

通過對淤泥質軟土的含水率進行區段劃分，統計各個含水率區間內十字板抗剪強度的最小值、最大值、平均值、標準差、變異系數，分析結果如表4所示。

表4 各含水率區間與十字板強度的統計表

通過分區段統計分析，進一步細化含水率與十字板剪切強度之間的關系，為工程的設計和施工提供依據。

6 結語

1)機械式十字板剪切試驗不適用于含水率大于80%的超軟土，因為這時十字板頭開始出現自沉現象，即超軟土已無法托住板頭，試驗無法進行。2)在一定含水率區間內，土體含水率與十字板剪切強度之間呈指數關系，而非線性關系。3)含水率位于[65，80]區間時，隨著含水率的減小，十字板強度增幅較小；當含水率位于[30,60]區間時，隨著含水率的減小，十字板剪切強度迅速增大。4)當含水率大于60%時，影響土層的抗剪強度主要因素是含水率，土層的應力狀態可以忽略。5)本文中十字板剪切強度與含水率之間的關系適用于天津濱海地區，對于該區域以外的地區的適用性需要進一步驗證。

[1] DB 29—20—2000，巖土工程技術規范[S].

[2] GB 50021—2001，巖土工程勘察規范[S].

[3] 徐小明，楊鴻鈞.關于十字板剪切試驗成果分析中主要問題的探討[J].港工技術,2012,49(4):71-73.

[4] 常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

Abstract: Taking soft soil and saturated soil in new Binhai region of Tianjin city as the research targets, through vane shear test and indoor soil test, the paper studies the relationship between vane shear strength and moisture content. Results show that: generally speaking, there is exponential relationship between vane shear strength and moisture content.

Key words: clay, moisture content, vane shear test, shear strength

Study on the relativity of vane shear strength and moisture content

Han Peng

(TianjinBeiyangWaterTransportationandWaterConservancySurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Tianjin300000,China)

2016-03-19

韓 鵬(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2016)15-0079-02

TU411

A