第五章  十字板剪切试验  

5.1  概    述  

十字板剪切试验（Field Vane Shear Test，缩写成FVST）是原位测试技术中一种发展较早、较成熟的方法，主要用于测定饱和软粘土的不排水抗剪强度和灵敏度，即φ≈0时的内聚力c值。测试深度一般在   30米   以内，国内最大测试深度已超过   50米   。  

十字板剪切试验具有很多优点：(1)原位测试，可避免取土扰动的影响，特别是对难以取样的高灵敏度的粘性土； (2)可以对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪，所测得的强度能较好的反映土的天然强度，所求软土抗剪强度指标比其它方法都可靠；(3)试验设备简单、操作方便，测试速度较快，效率高，成果整理简单。由此，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，特别适用于江、河、湖、海的沿岸地带的软土，但对硬塑粘性土和混有砾石、杂物的土不宜采用。  

十字板原位测试技术最先由瑞典在1919年提出，到40年代取得了巨大进展。1950年Cading和Odenstad研制成现代的测试设备，并将其测试结果与室内试验结果联系起来。1954年我国南京水科所引进了这种测试技术，并在沿海诸省及多条河流的冲积平原软粘土地区，结合多项工程项目和现场破坏试验的研究，摸索十字板剪切试验技术及试验指标的应用经验。此后，很多单位在试验设备的改进和应用试验方面做了大量的工作。电测十字板的研制与推广，使此方法更快速、可靠。

5.2  十字板剪切试验设备  

试验设备按其测量方式可分为两类：开口钢环式、轻便式及电测式。

5.2.1   开口钢环式十字板剪切仪  

开口钢环式十字板剪切仪是以蜗轮旋转已插入土中的十字板头，借开口钢环测出抵抗力矩，计算土的抗剪强度。其设备如图5-1所示，主要部件有：十字板头及上部轴杆连接部件；轴杆、钻杆、套管；施测扭力装置。  

（1）十字板头及上部轴杆连接部件    

十字板头，如图5-2所示，是由断面呈十字形的相互直交的四个翼片组成。十字板高度H和直径D的比值范围为1～5，常用值为2。我国常采用的几种十字板规格如表5-1。  

为防止十字板插入土层后引起过大扰动，除板头顶端做成刃口外，翼片也不宜过厚，一般2～3mm。在软土层中，常采用大尺寸的板头；对稍硬土层，采用50×     100mm   规格板头。  

   

图5-1  开口钢环式十字板剪切仪  

1—手柄；2—齿轮；3—蜗轮；4—开口钢环；5—导杆；6—特制键；7—固定夹；8—量表；  

9—支座；10—压圈；11—平衡弹子轮；12—锁紧轴；13—底座；14—导轮；15—制紧轴；16—固定套  

       

   

图5-2 十字板头  

       

轴杆与十字板头连接，为测出与十字板头一起插入土层中的轴杆部分消耗的扭力，常在板头上端与轴杆相接处加一个离合式接头，也可采用牙嵌式接头。

（2）轴杆、钻杆和套管    

轴杆直径为Φ   20mm   ，上接钻杆下连十字板头。钻杆的直径一般用Φ   42mm   。轴、钻杆是扭力的传力杆，要求直而不弯。  

套管起护壁和反扭力作用，常用Φ   127mm   的套管。  

（3）施、测扭力装置  

十字板剪切仪是借助于固定在底板(固定于套管上)的蜗轮转动，带动蜗杆、钻杆和轴杆，使插入土层中的十字板头扭转，所施扭力的大小，通过蜗轮上开口钢环变形计算得出。其主要的组成部件有：  

   

图5-3  开口钢环测力装置  

       

a) 传动部分：由蜗轮、蜗杆(带齿轮导杆)、开口钢环、转盘、底盘和固定套等组成。固定套有锁紧装置，与底板钮紧。  

b) 底座部分：由底座和压圈等组成，系将传动部分固定在套管上的连接装置。  

c) 其它还有特制键、接头、导轮、扳手、百分表等。  

5.2.2   电测式十字板剪切仪  

电测式十字板剪切仪与钢环式十字板剪切仪的主要区别在于，其测力设备不用钢环，而是在十字板头上方连接贴有电阻应变片的受扭力的传感器。通过电缆将传感器信号传至地面的电阻应变仪或数字测力仪，然后换算十字板剪切的扭力大小。传感器能反映十字板头的受力情况，消除了轴杆与土体之间、传力机械等的阻力以及塌孔对土层的扰动，可不必进行钻杆和轴杆校正。相对而言，电测式十字板剪切仪操作简单、试验成果也比较稳定，因而得到广泛应用。  

电测式十字板剪切仪的设备由以下几部分组成：

(1) 压入主机：能将十字板头垂直压入土层中。

(2) 十字板头：十字板的直径D＝     50mm   ，高H＝l     00mm     ，板厚     2mm   ，刃口为60°，轴杆直径为     13mm   ，轴杆长度为     500mm   。

(3) 扭力传感器：如图5-4所示。传感器(电阻式)应具有良好的密封和绝缘性能，对地绝缘电阻不应小于200 MΩ。传感器应事先率定。

   

图5-4  电测式十字板头结构示意图  

1－十字板；2—扭力柱；3—电阻应变片；4—套筒；5—出线孔；  

6—钻杆；7—胶垫  

(4) 量测扭力仪表：静态电阻应变仪(精度为5με)或数字侧力仪(精度5N)。

(5) 施加扭力装置：由蜗轮蜗杆、变速齿轮、钻杆夹具和手柄等组成。手摇柄转动一圈正好使钻杆转动一度。

(6) 其它：钻杆、水平尺和管钳等。

5.2.3   轻便式十字板剪切仪  

轻便式十字板剪切仪是一种在开口钢环十字板剪切仪基础上改造简化的设备。不用钻探设备钻孔和下套管，只用人力将十字板压入试验深度，人力施加扭力。靠固定在旋转把手上的拉力钢环测定扭力矩。设备全重只有     20kg   ，便于携带，容易使用，适用于饱和软土地区中小型工程地质勘察。

十字板头的规格常用H×D=50×     100mm   ，板厚     2mm   ，刃口60º。采用离合式连接方式。施测扭力装置有铝盘、钢环、旋转手柄、百分表等。

经南京水利科学研究所等单位进行的对比试验表明，测试结果与开口钢环式十字板剪力仪基本按近。    

5.3  试验原理与试验技术要点  

5.3.1   试验原理  

原位十字板剪切试验是对压入粘土中的十字板头施加扭力，使十字板头以一定的速率旋转，在土层中形成圆柱形的破坏面，测定土剪切破坏时的最大扭矩，即可得到土的抗剪强度。  

在分析计算时，假定土为各向同性的，即水平面与垂直向不排水抗剪强度相同，在十字板头扭转时，在土体中形成一个直径为D、高度为H的圆柱剪切破坏面，其不排水抗剪强度由最大扭矩M计算得到。施加于板头的最大扭力矩M等于圆柱体的顶、底面和侧面上土体抵抗力矩之和，即

 

                             （5-1）

对于开口钢环式和轻便式十字板剪切仪，轴杆与土之间有摩察，仪器转动也有机械阻力，使地面上施加的扭力没有全部加到圆柱形剪切面上，因此与土受剪时相平衡的最大扭力矩应为

                              （5-2）

式中  P——地面量测的总扭力；

f——轴杆及仪器机械消耗的扭力；

R——钢环力臂。

将式（5-2）代入式（5-1），并令

                         （5-3）

有

                           （5-4）

已知钢环率定系数               ，并统一单位，则有

                         （5-5）

对于重塑土，抗剪强度为

                         （5-6）

式中    ——原状土的抗剪强度，kPa，相当于饱和土得不排水强度；

  ——重塑土的抗剪强度，kPa；

K——十字板常数，cm^-2，可据式（5-3）计算，对开口钢环式也可由表5-1查得。

c——钢环率定系数，N/mm；

  ,               ,               ——分别为原状土、重塑土剪切破坏时和轴杆校正时的百分表读数，     0.01mm   。

对于电测式十字板剪切仪，因不存在轴杆与土及机械消耗的阻力，又常把扭力臂R设计成     1cm   ，故有

                               （5-7）

                               （5-8）

                         （5-9）

一般               ，则有

                             （5-10）

式中  K——与十字板尺寸有关的常数，cm^-3；

    ——传感器率定系数，N·cm/με；

  ,               ——分别为原状土、重塑土剪切破坏时电阻应变仪的读数，     0.01mm   。

其它符号含义同上。

按式（5-11）可计算土的灵敏度S_t：

                            （5-11）

根据测试的结果，可以需要绘制土的抗剪强度随深度变化曲线（图5-5）和各试验点抗剪强度与转动角度的关系曲线（图5-6）。

   

图5-5  抗剪强度随深度变化曲线  

1—原状土；2—扰动土  

   

图5-6  抗剪强度与转角关系曲线  

1—原状土；2—扰动土  

       

5.3.2   试验步骤及技术要点  

(1) 开口钢环式十字板剪切试验主要步骤    

① 成孔钻至预定测试深度，清孔，随之下入Φ127套管至预定测试深度     75cm   或套管直径的3～5倍以上处，固定套管。

② 连接十字板头、轴杆、钻杆，拧紧接头，要求其总长度等于或略小于套管口顶面至孔底距离)，然后将其下入孔内，使十字板头到达孔底。

③ 接上导向杆，将底座穿过导向杆，固定在套管上，用制紧螺丝拧紧；然后把摇柄套在导向杆上，使导杆顺时针方向徐徐转动，让十字板头离合齿吻合；然后将十字板头压入至测试深度。测试深度应在钻孔底(或套管底)以下至少3～5倍孔径(或套管直径)处。

④ 逆时针徐徐摇动摇柄，上提杆2～     3cm   ，使离合齿脱离。合上支爪(阻止钻杆下沉)，快速转动摇把十余圈，使轴杆与土间摩察阻力减至最小。

⑤ 扳开支爪，顺时针方向转动摇柄，再使十字板头离合齿吻合，然后合上支爪。

⑥ 套上传动部件，转动底盘，使导杆镀槽与钢环固定键槽对正；用锁紧螺丝将固定套与底座锁紧，再转动摇柄使特制键自由落入键槽内；将刻度盘指针对准任一刻度，装上百分表，并调整零位。

⑦ 测试开始，开动秒表，同时以每10秒1度的均匀转速转动手摇柄(顺时针方向)，每转1度测记一次百分表读数。当读数出现峰值或稳定值后，再继续1min。一般这个过程需3～10min。峰值或稳定值的百分表读数，即为原状土剪切破坏时的               。

⑧ 拔出特制键，在导杆上套上摇柄，顺时针方向转动6圈，使十字板头周边土充分扰动；然后插入特制键，重复步骤⑦，测定重塑土剪切破坏时百分表读数               。

⑨ 拔出特制键，上提导杆2～     3cm   ，使离合齿脱离，再插上特制键，转动手摇柄，按步骤⑦测定铀杆与土之间摩察及机械消耗阻力的百分表读数               。

⑩ 在测试深度内测试结束后，卸下传动部分和底座，将钻杆、轴杆和十字板头提出，清洗十字扳头、轴杆，并检查是否弯曲。如系最后一次试验，应进行涂油、装箱和保管等。

试验深度按工程要求决定。测试段间距选择，可根据地层情况确定，对一般均质土，每隔0.75～     1m   测定一次，同层土不少于2～3次，最好在不同孔同一深度测定。当试验深度超过     10m   时，为防止钻杆弯曲，可装导轮。

当孔内土层太软时，为防止底部塌孔和孔底土上涌，除护壁外，可向孔内注水。

(2) 试验技术要求    

① 为保证十字板头旋转时不发生摆动，试验所用探杆必须平直，前     5m   的探杆要求更高些。对钢环式十字板试验，探杆上应装导轮，在上、下部各装一导轮，试验深度较大时，导轮间距不宜大于l     0m     。

② 十字板头的尺寸：十字板形状宜为矩形，径高比(D/H)为1:2。板厚与材质要保证十字头有足够刚度，旋转时不变形，厚度宜为2～3mm。

③ 在钻孔十字板剪切试验时，为保证试验在不扰动土中进行，十字板头插入深度应大于孔径的5倍。一般，试验间距应不小于0.75~     1.0m     。

④ 十字板插入土中至少静止2～3min开始扭剪。因为插入时在十字板头四周产生超孔隙压力，静置时间过长，孔隙压力消散会使有效应力增长，使不排水抗剪强度增大。

⑤ 扭剪速率应力求均匀。剪切速率过慢，由于排水导致强度增长；剪切速率过快，对软粘土由于粘滞效应也使强度增长。一般剪切速率为（1°～2°）/l0s，当扭矩出现峰值或稳定值后，要继续测读lmin，以便确认峰值或稳定值。

⑥ 在峰值强度或稳定值测试完后，顺时针快速连续转动6圈，使十字板头周围土体充分扰动，然后测重塑土的不排水剪强度。

⑦ 对开口钢环式十字板剪切仪，应修正轴杆与土间的摩阻力的影响。

⑧ 扭力传感器应定期标定，一般应三个月标定一次，如使用过程中出现异常，也应重新标定。标定时所用的传感器、导线和测量仪器应与试验时相同。

5.4 试验的影响因素  

影响十字板剪切试验的因素很多，各项因素对不排水抗剪强度的影响，可归结为表5-2。

(1) 十字板头的规格    

十字板头的规格是指十字板的高度H、径宽D、板厚及轴杆直径。这些尺寸对总扭矩测量值、对周围土体扰动程度有直接的影响。国内外已有较统一的规格，               ，板厚=2～     3mm   、十字板的面积比约为12~13％。此外，十字板和轴杆都采用高强度钢，以保证十字板头具有足够的刚度。  

(2) 十字板头的旋转速率    

测试实践表明，旋转速率对测试结果影响很大，对高塑性粘土(I_p= 40％~30％)，剪切速率越大抗剪强度越大，增长的很快；对低塑性粘土(I_p <20％)变化幅度不大。目前，国内外大多采用               的旋转速率。对于一般软粘土，其最大抗剪强度多出现在十字板转角为20&deg;~30&deg;之间，所用时间相应为3~5min，基本上属于不排水剪切试验，所求出的抗剪强度为不排水抗剪强度。

 (3) 土的各向异性    

土的各向异性是指抗剪强度在土体空间的变化规律。产生各向异性的原因在于土的成层性和土中应力状态的不同。对实际土体是各向异性，有不少学者进行过研究，其中最具代表性的测试技术为英国发展的钻石型十字板头(或称三角形十字板)，可求出不同方向上土的抗剪强度。

(4) 插入土层的扰动影响    

十字板厚度愈大、轴杆愈粗，则插入土中引起的扰动愈大。一般用十字板的面积比R_A来衡量这种扰动的大小：

 

式中  A_v&mdash;&mdash;十字板头(包括轴杆)的横截面积；

  A_c&mdash;&mdash;受剪土圆柱体的横截面积。

因此，在实用上总是在不影响十字板的刚度和强度的前提下，尽可能使R_A取较小值。

(5) 逐渐破损的影响    

当十字板在土中旋转时，不但板头上下两端面上应力和位移不均匀，而且圆柱体侧向剪应力和剪应变也不均匀。所以，在剪切面上各点土的峰值强度不可能在同一转角时发挥出来，会在翼板外缘前方先产生应力集中出现局部破坏，随着扭矩增大，剪损面逐渐向前方扩展，最终在整个圆柱体侧面形成完整的圆柱形剪损面。因此，试验所得的扭矩峰值并不能反映土的真正峰值强度，仅仅是一种平均抗剪强度。

总的来说，影响十字板剪切试验的因素很多，所有这些因素的影响程度都与土类、土的塑性指数和灵敏度有密切关系。试验时应尽量采用标准化的设备、统一的操作方法，使一些影响因素能加以控制；对另一些无法控制的因素，则从实用角度出发，与其它方法对比，综合加以考虑。

5.5  资料整理及成果应用  

由试验测记的百分表读数               ,               和               ，根据式（5-5）、（5-6）可求出饱和粘性土的原状和重塑状态的不排水剪强度               和               。若采用电测式十字板剪切仪资料可用式（5-7）、（5-8）计算强度               和               值。根据               和               值据式（5-11）可计算处出土的灵敏度。  

5.5.1 十字板强度与室内三轴强度的比较  

十字板测得的不排水剪强度，与室内三轴不排水强度相比，能更好反映土的天然结构和应力状态。国内外学者曾将十字板资料与室内试验资料进行对比。    

(1) 国内对饱和软粘土所做的比较试验    

我国曾在东南沿海一带做过大量的比较试验，以比较十字板强度与无侧限抗压强度及三轴不排水强度之间的差异。所用的试样都是以薄壁取土器钻取的高质量的未扰动土样。所有土样的塑性指数I_p=15～24，粘粒(d<     0.005mm     )含量为9％~50％。由54个土样整理得               －               关系线，其关系用下式表示：

                              （5-12）

由34个土样整理出三轴不固结不排水剪强度C_uu-C_u关系式：

                          （5-13）

之后，在进行福建莆田北洋海堤，浙江舟山大成塘海堤及温岭东海塘海堤现场试验时，都曾比较三轴固结不排水剪的C_cu与十字板试验的C_u、q_u的试验(十字板试验的C_u、&phi;_u指标的取得是将十字板强度沿深度的变化换算为十字板强C_u与垂直固结压力的关系线确定出来)。所得结果如表5-4所列。

 (2) 国外对灵敏软粘土所做的比较试验    

1972年，Bjerrum提出对填土工程地基，根据假设滑动面所通过的方向分别采用三轴压缩、单剪、三轴拉伸三种试验测定不排水抗剪强度，以三者的平均值代表整个滑动面的平均抗剪强度，如图5-7所示。

   

图5-7  现场不同位置的抗剪强度与室内剪切试验的关系  

       

80年代后期，在两个场地做了十字板试验与室内强度试验的比较。室内试验为K₀结状态下的不排水三轴压缩及拉伸试验、单剪不排水剪切试验。此外，还测定了有效上覆压力               及先期固结压力               等值。

两个场地为高灵敏度的海相粘土，其灵敏度由浅层的S_t=30至深处的近于400。静止侧压力系数K₀=0.55，I_p=10％～17％。两处的十字板强度C_u(FV)、三轴压缩               、三轴拉伸               、单剪               及平均强度               ，以相应深度的先期固结压力               对上述各种强度进行归一化。在5.5~     12.5m     范围内算出各种归一化不排水抗剪强度的平均值，列于表5-5。

由表可以看出，两个场地的               与               平均值是相等的，与               也相当一致。这说明，如室内的固结不排水试验是在现场应力条件下进行固结的，则十字板试验强度与室内归一化不排水抗剪强度是相同的。

研究资料表明，十字板抗剪强度随剪切速率的增大而增大，而一般加荷速率比工程实际的加荷速率大。Bjerrum依据软基上筑堤的破坏实例，绘出理论的破坏安全系数与地基土的塑性指数的关系，如图5-8所示。在综合分析比较实测的十字板强度与实际破坏工程反算的平均强度的基础上提出了综合的修正系数&mu;，以修正后的十字板不排水抗剪强度作为设计值，即

C_u(设计值) = &mu;&bull;S_u(实测值)                      （5-14）

式中  C_u&mdash;&mdash;设计采用的不排水抗剪强度；

      S_u&mdash;&mdash;十字板试验的实测强度；

      &mu;&mdash;&mdash;修正系数，随土的塑性指数而变。

   

图5-8  软基上筑堤的理论破坏安全系数与地基土塑性指数的关系  

       

图5-9为&mu;－I_p关系。由图可见：I_p越低，&mu;值越高。其后，一些研究结果进一步验证Bjerrum公式的合理性。

   

图5-9  修正系数与I_p的关系曲线  

5.5.2   成果应用  

十字板剪切试验成果可按地区经验，确定地基承载力、单桩承载力，计算边坡稳定，判别软粘土的固结历史。    

(1) 计算软土地基承载力    

根据中国建筑科学研究院、华东电力设计院的经验，地基容许承载力可按式（5-15）估算：

                             （5-15）

式中    &mdash;&mdash;地基承载力标准值，kPa；

C_u&mdash;&mdash;修正后的十字板强度，kPa；

       &gamma;&mdash;&mdash;土的重度，kN/m³；

       h&mdash;&mdash;基础埋深，m。

   

图5-10  C_u－h关系  

       

日本中濑明男（1963）利用图5-10给出地面处条形荷载下地基极限极限承载力公式：

                       （5-16）

式中  &lambda;&mdash;&mdash;C_u－h直线的斜率；

      B&mdash;&mdash;条形荷载的宽度。

根据式（5-16），结合荷载、上部结构和地质条件，取安全系数1.5～2.0，计算地基容许承载力。

(2) 软土地基抗滑稳定性分析    

用十字板能较准确圈定滑动面位置，并为复核和采取工程措施提供可靠的抗剪强度指标。

对饱和软粘土地基施工期的稳定问题，采用&phi; = 0分析方法，其抗剪强度应选天然强度，可选十字板强度、无侧限抗压强度或三轴不固结不排水强度。在20世纪50～60年代，国内外都以破坏工程实例总结使用十字板强度的经验。瑞典的Cadling和Odenstad(1950)根据11处滑坡工程，以十字板强度计算安全系数，其平均值为1.03。南京水利科学研究院根据多年的经验积累认为，以十字板强度用总应力分析方法进行稳定分析时，稳定安全系数选用1.30左右。交通部港口工程规范（1978年版）规定，当采用快剪指标时，选K=1.0~1.2，而采用十字板强度选K=1.1～1.3；JTJ250-98版中，笼统提到K=1.1～1.3，仍意味着对不同强度选不同的K值。

 (3) 估算桩的端阻力和侧阻力    

桩端阻力 

                             （5-17）

桩侧阻力

                            （5-18）

式中  &alpha;&mdash;&mdash;与桩类型、土类、土层顺序等有关的参数。

根据桩端阻力               和桩侧阻力               可以估算单桩极限承载力。  

(4) 检验软土地基的加固效果    

实践表明，十字板强度能十分敏感的反映出地基强度增长的状态，故已经成为检验加固效果的主要手段。

例如浙江杜湖土坝地基加固效果的检验，时间的跨度长达10年，有很好的规律性，见图5-11。

   

图5-11  1970~1980年杜湖土坝地基加固效果检验  

(5) 判定软土的固结历史    

根据C_u－h曲线可以判定饱和软土的固结历史。如果C_u－h曲线大致呈一通过地面原点的直线，可以判定为正常固结土；若C_u－h直线不通过原点，而与纵坐标的向上延长轴线相交，则可判定为超固结土。

       

       

       

       

参考文献    

[1] 张喜发 刘超臣 栾作田 张文殊.《工程地质原位测试》，[M].地质出版社，1984，第一版  

[2] 孟高头.《土体原位测试机理、方法及其工程应用》[M].北京:地质出版社。1997年03月，第1版  

[3] 南京水利科学研究院土工所，土工试验技术手册，北京：人民交通出版社，2003  

[4] 中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001，北京：中国建筑工业出版社，2002  

[5] 王锺琦 孙广忠 刘双光等.《岩土工程测试技术》，北京.中国建筑工业出版社，1986年02月第1 版  

[6] 林宗元主编　《简明岩土工程勘察设计手册》中国建筑工业出版社，2003年07月第1版