关于十字板剪切强度与含水率的相关性研究

韩 鹏

(天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300000)

关于十字板剪切强度与含水率的相关性研究

韩 鹏

(天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300000)

以天津市滨海新区软土及饱和土为研究对象，通过十字板剪切试验和室内土工试验，研究了十字板剪切强度与含水率之间的关系,结果表明，总体上土体含水率与十字板剪切强度之间呈指数关系。

粘土，含水率，十字板剪切试验，剪切强度

十字板剪切仪是由瑞典学者奥尔森(J.Olsson)于1928年发明的。我国于1954年引进这种试验方法。20世纪50年代后半期开始，在沿海地区，我国工程技术人员将十字板剪切试验应用于沿海地区范围软土地区的实际工程中，至今已经积累了60多年工程经验。由于十字板剪切试验设备简单、操作方便、原位测试效果较好，目前十字板剪切试验已成为一种测定土体不排水抗剪强度的便捷、快速和可靠的原位测试方法。

十字板剪切试验的成果主要应用于地基抗滑稳定性分析、地基承载力计算、地基加固效果检验、软土固结历史的判断等方面。目前十字板抗剪强度已成为沿海地区工程计算的主要强度指标之一。在软土地区地基加固效果检测以及地基承载检测和边坡稳定性分析中，综合考虑十字板强度和土的其他指标的相关性，是工程技术人员普遍采用的方法，也是保证工程安全可靠的前提。目前，关于十字板剪切强度与含水率之间关系的研究仍然比较缺乏，主要表现在两个方面：首先，关于两者之间关系的研究主要集中在室内，对实际工程的帮助有限；其次，在研究对象的范围及含水率区间上也较为单一。

本文以多个实际工程为基础，通过进行现场十字板剪切试验和室内土工试验，对滨海软土及饱和粘土的十字板剪切强度与含水率之间的关系进行详细的对比研究，为十字板剪切试验在工程实践中的应用提供参考。

1 试验方案设计

为了做到十字板剪切强度与含水率的完全匹配和一致，以天津滨海地区实际工程项目为基础，在现场布置十字板剪切试验孔和取土孔，进行现场十字板剪切试验和取土，十字板剪切试验孔和取土孔的间距为1.0 m。具体方法如下：

首先，在十字板剪切试验孔中进行十字板剪切试验，试验间距每1.0 m一次，试验完成后，采用取土器在十字板剪切试验孔旁边的取土孔进行取土作业，取土深度和十字板剪切试验的试验深度相同；其次，通过室内土工试验对采取的土样进行含水率、孔隙比、液塑限等试验，获得土样的含水率、孔隙比、液塑限等物理指标；最后，在完成所有原始十字板剪切试验和室内土工试验后，对获得的十字板抗剪强度与对应的含水率进行对比分析，对两者之间的相关性以及两者之间的规律进行研究。

2 试验土层对象

表1 淤泥、淤泥质粘土及饱和粘土的物理指标统计表

3 实验设备

本次十字板剪切试验采用的设备主要包括XY-1型钻机和机械式十字板剪切仪。十字板剪切仪主要包括十字形板头、轴杆、扭矩测量设备及必要的附件等部分。

本次试验采用十字板头规格如表2所示。

表2 十字板剪切仪规格表 mm

4 十字板剪切试验步骤及数据整理

4.1 试验步骤

1)采用回转法进行成孔，将套管下放至预定试验深度以上3倍～5倍的套管直径处。2)再次用提土器进行清孔，使孔内的残余土不超过15 cm。3)将十字板头、轴杆与试验钻杆逐节接好并下入钻孔内，使十字板头与孔底接触，接上导杆。4)装上十字板底座和测力装置，并将底座与套管之间用紧制轴制紧。5)装上测量钢环变形的百分表，并调整百分表至零。6)试验开始就开动秒表，以10 s/r的速率旋转转盘，每转一圈测记钢环变形读数1次，直到土体剪损，仍继续读数1 min。7)在完成上述原状土试验后，拔下连接导杆与测力装置的特制键，套上摇把继续转动导杆、轴杆旋转六圈，使土体完全破坏，再插上特制键，按步骤4)以10 s/r的速率进行试验，并测记百分表读数。8)拔掉特制键将十字板轴杆向上提起3 cm～5 cm，使连接轴杆与十字板头的离合器分离，再插上特制键，仍按步骤4)进行操作，即可测得轴杆和设备的机械阻力Rg值。至此一个试验点的试验工作全部结束。9)进行一下深度的试验，重复上述1)～8)操作步骤，直到预定深度。

4.2 资料整理

土的抗剪强度计算。

原状土体抗剪强度：

Cu=K·C(Ry-Rg)

(1)

重塑土体抗剪强度：

Cu′=K·C(Re-Rg)

(2)

其中，Cu为原状土的不排水抗剪强度；Cu′为重塑土的不排水抗剪强度；K为十字板常数；C为钢环系数；Ry为原状土剪损时百分表最大读数；Re为重塑土剪损时百分表最大读数；Rg为轴杆与土摩擦时百分表最大读数。

5 试验数据分析

5.1 相关性分析

含水率和十字板剪切强度是衡量土质工程性质的两个重要指标，两者之间存在着一定的联系，如果能够建立两者之间的关系，势必将更加有效的帮助工程技术人员掌握土层的物理力学特性，进而为工程的设计和施工提供技术支持。

本次研究共完成试验数据1 600组，剔除不合理的数据，实际有效数据1 300组。以这1 300组试验数据为基础，对十字板剪切强度和含水率进行回归分析。研究发现，淤泥质软土的十字板剪切强度总体上呈随着含水率的降低而增大的趋势；在含水率减小的过程中淤泥质软土的十字板强度与含水率之间并不是呈简单的线性关系，而是呈非线性关系。十字板剪切强度与含水率之间的关系曲线如图1所示。经过拟合获得十字板剪切强度与含水率之间的关系式及相关系数，如表3所示。

表3 十字板剪切强度与含水率之间的指数关系式

从图1中可以看出，含水率位于[65，80]区间时，随着含水率的减小，十字板强度增幅较小；当含水率位于[30,60]区间时，随着含水率的减小，十字板剪切强度迅速增大。对于上述十字板剪切强度与含水率之间的规律，笔者认为出现上述现象的原因是，当含水率大于60%时，土层呈流塑状态，稳定的土体结构尚未形成，土层的应力状态对抗剪强度的影响几乎可以忽略；当含水率小于60%时，随着含水率的减小，土体的结构迅速形成，土层的应力场随之增强；所以含水率减小不大，十字板强度的增幅却较大。

5.2 分区段进行研究

通过对淤泥质软土的含水率进行区段划分，统计各个含水率区间内十字板抗剪强度的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数，分析结果如表4所示。

表4 各含水率区间与十字板强度的统计表

通过分区段统计分析，进一步细化含水率与十字板剪切强度之间的关系，为工程的设计和施工提供依据。

6 结语

1)机械式十字板剪切试验不适用于含水率大于80%的超软土，因为这时十字板头开始出现自沉现象，即超软土已无法托住板头，试验无法进行。2)在一定含水率区间内，土体含水率与十字板剪切强度之间呈指数关系，而非线性关系。3)含水率位于[65，80]区间时，随着含水率的减小，十字板强度增幅较小；当含水率位于[30,60]区间时，随着含水率的减小，十字板剪切强度迅速增大。4)当含水率大于60%时，影响土层的抗剪强度主要因素是含水率，土层的应力状态可以忽略。5)本文中十字板剪切强度与含水率之间的关系适用于天津滨海地区，对于该区域以外的地区的适用性需要进一步验证。

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[4] 常士骠，张苏民.工程地质手册[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，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

韩 鹏(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2016)15-0079-02

TU411

A