十字板剪切试验( VST) 是用插入土中的标准十字板探头,以一定的速率扭转,量测土破坏时的抵抗力矩,测定土的不排水的抗剪强度和残余强度。在围堰、防波堤等海洋工程设计中需要采用土的抗剪强度指标进行稳定性计算。由于十字板抗剪强度指标客观真实地反映了软土地基的真实强度。
简介
十字板剪切试验( VST) 是用插入土中的标准十字板探头,以一定的
速率扭转,量测土破坏时的抵抗力矩,测定土的不排水的抗剪强度和残余强度。在围堰、防波堤等海洋工程设计中需要采用土的抗剪强度指标进行稳定性计算。由于十字板抗剪强度指标客观真实地反映了软土地基的真实强度。所以设计者越来越多地选择采用十字板抗剪强度指标进行软土地基的稳定性计算。全面地掌握十字板抗剪强度的影响因素,对客观合理地评价软土地基的抗剪强度,具有十分重要的实用价值。
工程实例分析
在大连花园口经济区建设一期工程勘察中,对上部存在的第四系海相沉积( Qm4) 淤泥质土进行了十字板剪切试验。试验方法采用电阻应变式十字板剪切试验。为保证试验段地层与钻孔揭露地层对应一致,便于钻孔地层及土工试验指标与十字板试验指标进行分析与比对,十字板试验点布置在勘探钻孔附近1 ~ 2m 处。试验方法及步骤,严格按有关规范规定执行。
影响因素分析
十字板试验深度与抗剪强度的关系
对十字板抗剪强度试验数据,在直角坐标中做折线图进行相关分析,分析结果表明: 原状土及重塑土抗剪强度与试验深度均呈高度线性相关,土的抗剪强度随试验深度的加大而加大,反之亦反。
重塑土与原状土与抗剪强度的关系
在直角坐标中做原状土与重塑土抗剪强度散点图进行相关分析,分析结果表明: 重塑土抗剪强度与原状土抗剪强度呈高度线性相关,重塑土抗剪强度随原状土抗剪强度的增大而增大,反之亦反。
土工试验指标与十字板抗剪强度的关系
根据库仑定律,土的抗剪强度由两部分组成,即土在剪切破坏面上的摩擦力与土的粘聚力。其中土的摩擦力= 正压力× 摩擦系数。上覆土层的正压力可以近似地采用土的自重压力代替,剪切面的摩擦系数为土的内摩擦角的正切值。所以原状土的抗剪强度与土的物理力学指标间的近似计算公式为:
Cu = γ × h × tanφ + c
式中,
Cu为原状土的抗剪强度,kPa;
γ 为土的重度,kN/m3 ;
h 为试验深度,m; φ 为土的内摩擦角;
c为土的粘聚力,kPa。
根据上述计算公式,将对应
十字板剪切试验段的土工试验指标按四种情况取值: 快剪指标、固快指标、固快与快剪平均指标、固快与快剪差值指标进行计算。
原状土抗剪强度理论计算值,采用快剪指标计算的最低,固快指标计算的最高,固快与快剪均值及固快与快剪差值指标计算的居中。由此可以说明,原状土抗剪强度,介于快剪指标与固结快剪指标理论计算值之间。土工试验抗剪强度指标越大,原状土的抗剪强度越大,反之则越小。
土质均匀程度与十字板抗剪强度的关系
实测土的抗剪强度并不是按照一条直线随着深度的增大而增大,而是呈折线变化。通过对钻孔岩芯现场鉴定,土中含有大量贝壳及粉土粉砂部位,土的抗剪强度就会突然增大,当土质均匀时,土的抗剪强度就会变小。
土的塑性指数与十字板抗剪强度的关系
一般认为十字板测得的不排水抗剪强度是峰值强度,其值偏高,长期强度只有峰值强度的60% ~70%。因此,十字板的峰值强度需要进行修正后才能用于设计计算。
《铁路工程地质原位测试规程》( TB10018 -2003) 规定,当塑性指数IP≤20 时,采用修正系数μ = 1进行修正,当20 < IP≤40 时采用修正系数μ =0. 9 进行修正。说明软土的塑性指数越大,其实测的峰值强度越大,反之亦反。
总结
综合上述工程实例分析,软土十字板试验抗剪强度实测值,主要受下列因素影响:
1) 实测十字板抗剪强度与土层的深度有关,随着土层深度的加大而增大;
2) 重塑土的抗剪强度与原状土的抗剪强度有关,重塑土的抗剪强度随着原状土的抗剪强度的增大而增大;
3) 土的抗剪强度与土工试验抗剪强度指标有关,土工试验抗剪强度指标越大,土的抗剪强度越大,反之亦反。原状土抗剪强度实测值介于快剪指标与固结快剪指标理论计算值之间,并且与采用固结快剪与快剪均值及差值指标理论计算抗剪强度接近;
4) 软土的抗剪强度与土质的均匀程度有关,当土中混有贝壳、粉砂及碎石等强度较大的包含物时,土的抗剪强度指标会突然增大;
5) 软土的抗剪强度与土质的塑性指数有关,土的塑性指数越大,其抗剪强度越大。
基于上述十字板抗剪强度的影响因素,提交设计计算的十字板抗剪强度指标建议如下:
1) 提供按深度分层统计的试验指标;
2) 对由包含物引起抗剪强度突然变大数据进行合理修正或剔除,然后再进行数据统计;
3) 十字板抗剪强度统计指标应按土的塑性指数进行修正;
4) 若为永久性工程,十字板抗剪强度设计计算指标,建议设计者采用对实测值做进一步修正的长期强度。