水运工程勘察中十字板剪切试验的应用研究

王宇杰 广东省航运规划设计院有限公司

十字板剪切试验方法于中国南京水利科学院在五十年代所引入使用，而且于沿海各个省市和很多江河所影响，平原区域软黏土场地获得一定范围的运用。作为一种快速测定饱和软黏土层抗剪强度的原位测试方法，在实际应用中具有设备简单、操作方便的特点。其测定的是土层在原位压力下固结的不排水抗剪强度，有效避免了土体扰动及天然应力状态的改变，能很好的反映土的天然强度。由于水运工程的选址特点，场址内往往发育较厚的饱和软黏土层，饱和软黏土对于护岸的稳定及建（构）筑物的不均匀沉降影响较大，因此将十字剪切试验应用于水运工程勘察当中意义重大。

1.十字板剪切试验的原理与技术方法

1.1 十字板剪切试验的原理

十字剪切试验又称VST，主要经由给予送进地基内的形状及尺寸大小相对固定的十字板头增加扭转方面的力矩干扰，促进此类板头于土层内维持相同速率扭转运动，而构成圆柱形状的干扰面，经由更换计算机评估地基相关土层并不排出水分的抵抗剪切强度值。因为于试验检测时，十字板方面剪切相关试验测定并不用收集土壤样品，针对相对饱和的软黏土因为收集样品不容易，需维持天然应力情况之下给予扭剪处置，以获得天然状态下抗剪强度。此方法测得的抗剪强度在理论上相当于三轴不排水剪的总强度，或者是无侧限抗压强度的一半。在当前水运工程勘察中，必须对饱和软土进行抗剪强度测试，但是由于仪器的使用条件局限性，故需充分注重维持测定条件相对准确。

1.2 十字板剪切试验检测的方式

依据十字板剪切试验可对原来位置应力情况之下的相对饱和的软黏土在其并不排出水分时抵抗剪切强度值和灵敏性，故需合理选择使用检测仪器及测定方式。其中设备包括：十字板头（一般要求是刃角60°，面积比在13～14%，板高约为板宽的两倍）、试验用探杆、贯入主机、扭力传感器以及测量记录仪等。对于十字板头的尺寸要求国内外各有不同，一般常用的十字板尺寸为矩形，高径比（H/D为2），具体如表1所示。

表1 淤泥质粉质黏土层物理指标

表1 中国、外国常用的十字板头高度值、直径值、厚度值

针对土壤类别存在差异性的情况，需要选择使用尺寸大小不一的十字形状板头。对于软黏的土壤，可采取75mm乘以150mm的十字形状板头；对于稍微较硬的土壤，建议选择50mm乘以100mm的十字形状板头。

根据软土层的埋深及分布选择适合的平台，先钻探引孔，对机架进行固定安装，把十字板压至试验深度的位置，卡住探杆调零，转动手柄、旋转轴杆，使板头产生扭矩，观察测量记录仪器，记录剪切过程中出现的峰值或稳定值，继续测读1min，以便确认峰值或稳定扭矩，然后对轴杆维持顺时针实施转圈6次操作，将十字形状板头对附近土壤实行干扰，之后检验重塑土壤在并不排掉水分下的具体强度值。

2.十字板剪切试验在水运工程勘察中的应用

2.1 十字板剪切试验测定方式与水运项目工程具体勘察过程中的使用情况

参考十字板剪切相关试验方法和勘测要求等，在实际水运工程勘察中主要针对饱和软黏土的灵敏度、地基承载力的估算、反映抗剪强度随深度变化规律、岸坡（护岸）抗滑稳定性分析、估算桩的端阻力和侧阻力、判定土的固结历史六个方面进行测定试验。

（1）饱和软黏性土灵敏度测定：由于饱和软黏性土最重要的特征就是天然含水量高、孔隙比大、灵敏度高等，在水运工程勘察中容易受到外部因素的影响而无法进行取样，那么只有进行原位测试。十字板剪切试验具备操作简捷、数据准确的特点，可以在实际应用中针对原状土、重塑土的抗剪强度进行测定，从而计算其灵敏度，评价其流变性、蠕变性。

（2）对地基具体承载力实行预估计算：对于水运项目实行勘测期间需充分重视地基相关承载力指标，依据十字板相关剪切项目试验检测可以做好此方面的检验工作，减少土工试验开展承载力指标测定时的相关复杂性。具体估算公式如下：

地基容许承载力qa=2Cu+γh

式中：qa——地基容许承载力（kPa），Cu——修正后的不排水抗剪强度（kPa），γ——土的重度（kN/m³），h——基础埋深（m）。

（3）反应抗剪强度随深度变化规律：由于水运工程勘察中采取饱和软黏土容易受到外部因素的干扰或采取后容易扰动，室内抗剪强度往往不能很好反映正常固结的饱和软黏土不排水抗剪强度随深度增加这一规律，而十字板剪切试验是在保证土层处于天然状态下测定的不排水抗剪强度，实际测试中抗剪强度是随着深度逐渐增加的，很好地反映了这一规律。

（4）岸坡（护岸）抗滑稳定性分析：拟建的水运工程场地内往往发育饱和软黏土层，而软黏土层往往是岸坡（护岸）滑动的潜在滑动面，对抗滑稳定性影响较大。因此，较为准确的获取软黏土层的抗剪强度显得至关重要。而十字板剪切试验可以测得天然状态下的抗剪强度指标，且较室内试验成果准确，与实际情况吻合度高，很大程度上提高稳定性分析的准确、合理性，更好的为设计方案所需的参考数据奠定基础。

（5）估算桩的端阻力和侧阻力：在水运工程地基处理中十字板剪切试验成果可用于估算桩的端阻力和侧阻力，具体估算公式如下：

桩端阻力：qp=9Cu；桩侧阻力：qs=αCu

式中：α与桩类型、土类、土层顺序等有关，Cu——修正后的不排水抗剪强度（kPa）

（6）对于土壤固结情况予以分析：参考Cu-h曲线，如果表现出经过地面原点位置的直线，则判断属于常规的固结土；如果曲线并不经过原点位置，和纵坐标上面轴线予以相互交联，则分析属于超固结土情况。

同时，十字板剪切试验还可用于水运工程地基处理效果的检测等。

2.2 十字板剪切试验实例应用分析

十字板剪切试验在水运工程勘察中的实例应用，其目的在于解决当取样困难时能够反映土层抗剪强度的问题，同时也能够为设计与施工提供数据参考。本文以内河某集装箱码头为实例分析，该工程护岸区揭示发育巨厚层淤泥质粉质黏土层，该层土揭示厚度7.60～19.00 m，层顶埋深2.60～7.40 m，层底埋深15.00～23.70m。

（1）淤泥质粉质黏土层物理、力学指标如下表1、表2所示。

表2 淤泥质粉质黏土层力学指标

（2）测试过程中先采用钻探引孔，钻至该层，然后在该土层进行十字板剪切试验获得相关数据，具体成果见下表3所示。

表3 十字板剪切试验结果统计表

根据上述指标分析，十字板剪切试验测定的抗剪强度明显高于室内试验测定的抗剪强度，结合土层的物理力学指标及地区成熟的经验综合分析后提出土层的抗剪强度及灵敏度供设计参考使用，很好地解决了取样测定不能真实反映土层长期抗剪强度的问题，在实际工程中取得了很好地效果，为稳定性验算及地基处理提供了有力支撑。

3.十字板剪切试验于水运项目工程具体勘察过程中运用时的注意要点

第一，实行十字板相关剪切试验检验的前期，首先要针对测力使用的扭力传感器（或开口钢环）进行标定，一般为室温环境（20±5）℃、3个月标定一次。

第二，实施钻孔的时候，十字板的头部送进孔底之下的深度值需在钻进孔的直径大小3倍～5倍，维持十字板可以与不干扰土壤的基础下开展剪切指标试验检测。

第三，于同一个孔中开展深度值存在差距性的剪切项目试验测定的时候，其间距值需在0.75m～1.00m以上。

第四，将十字板的头部送进土壤内要求的深度值之后，需予以静置放置2min～3min，之后再开展剪切项目试验测定。由于送入板头的时候于周围形成超孔隙相关水压力情况，需维持静置，放置时长适当，如果放置时长比较长，则孔隙压力得以消除，导致有效应力出现提升现象，导致没有排出水分下的抵抗剪切强度值提升；如果放置时长比较短，那么土壤稍微受到干扰没有得以及时恢复过来，常常导致测定所得强度数据比较小。

第五，需要维持扭剪速率基本维持一定范围中，确保该数据控制适当。如果剪切速率值比较小，因排出水分引发强度值得以提升；如果剪切速率值比较大，针对饱和形式下的软粘性土，因为粘滞效应，导致强度值提升。一般状况下，需维持每十秒的扭剪速率处于1°～2°，维持于并不排出水分的状况下给予剪切项目试验检测。

第六，一般状况下，针对十字板剪切指标试验检验所得到的未排出水分抵抗剪切强度的峰值相对稍高，而土壤长期强度值大概处于其峰值大小的60%～70%。所以，应参考土质状况等实际情况予以所检验数据修正干预。

第七，当试验中遇到含大量贝类、砂等软黏性土层时，不宜直接使用十字板剪切试验。

4.结束语

综上所述，十字板剪切试验在饱和软黏土抗剪强度测定上应用十分广泛，不仅具备无需取样、设备使用简便、操作简单、测试效率高等多方面的优点，同时还可以在水运工程中得到应用，以此对软黏土灵敏度、地基承载力以及围堤稳定等方面起到了有力支撑。在实际应用中由于受到外界多方面因素影响，使得试验成果面临着更多挑战。因此，水运工程勘察中更需要考虑此层面的因素，将十字板剪切试验应用于水运工程勘察中才能更好的提出具有科学性的设计方案，为下一步工程设计提供数据支持。