關(guān)于十字板剪切強(qiáng)度與含水率的相關(guān)性研究

韓 鵬

(天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300000)

關(guān)于十字板剪切強(qiáng)度與含水率的相關(guān)性研究

韓 鵬

(天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300000)

以天津市濱海新區(qū)軟土及飽和土為研究對(duì)象，通過十字板剪切試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，研究了十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系,結(jié)果表明，總體上土體含水率與十字板剪切強(qiáng)度之間呈指數(shù)關(guān)系。

粘土，含水率，十字板剪切試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度

十字板剪切儀是由瑞典學(xué)者奧爾森(J.Olsson)于1928年發(fā)明的。我國(guó)于1954年引進(jìn)這種試驗(yàn)方法。20世紀(jì)50年代后半期開始，在沿海地區(qū)，我國(guó)工程技術(shù)人員將十字板剪切試驗(yàn)應(yīng)用于沿海地區(qū)范圍軟土地區(qū)的實(shí)際工程中，至今已經(jīng)積累了60多年工程經(jīng)驗(yàn)。由于十字板剪切試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、原位測(cè)試效果較好，目前十字板剪切試驗(yàn)已成為一種測(cè)定土體不排水抗剪強(qiáng)度的便捷、快速和可靠的原位測(cè)試方法。

十字板剪切試驗(yàn)的成果主要應(yīng)用于地基抗滑穩(wěn)定性分析、地基承載力計(jì)算、地基加固效果檢驗(yàn)、軟土固結(jié)歷史的判斷等方面。目前十字板抗剪強(qiáng)度已成為沿海地區(qū)工程計(jì)算的主要強(qiáng)度指標(biāo)之一。在軟土地區(qū)地基加固效果檢測(cè)以及地基承載檢測(cè)和邊坡穩(wěn)定性分析中，綜合考慮十字板強(qiáng)度和土的其他指標(biāo)的相關(guān)性，是工程技術(shù)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(guān)于十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間關(guān)系的研究仍然比較缺乏，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，關(guān)于兩者之間關(guān)系的研究主要集中在室內(nèi)，對(duì)實(shí)際工程的幫助有限；其次，在研究對(duì)象的范圍及含水率區(qū)間上也較為單一。

本文以多個(gè)實(shí)際工程為基礎(chǔ)，通過進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)濱海軟土及飽和粘土的十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比研究，為十字板剪切試驗(yàn)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了做到十字板剪切強(qiáng)度與含水率的完全匹配和一致，以天津?yàn)I海地區(qū)實(shí)際工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，在現(xiàn)場(chǎng)布置十字板剪切試驗(yàn)孔和取土孔，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)和取土，十字板剪切試驗(yàn)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(yàn)孔中進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)間距每1.0 m一次，試驗(yàn)完成后，采用取土器在十字板剪切試驗(yàn)孔旁邊的取土孔進(jìn)行取土作業(yè)，取土深度和十字板剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)深度相同；其次，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)對(duì)采取的土樣進(jìn)行含水率、孔隙比、液塑限等試驗(yàn)，獲得土樣的含水率、孔隙比、液塑限等物理指標(biāo)；最后，在完成所有原始十字板剪切試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)后，對(duì)獲得的十字板抗剪強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的含水率進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)兩者之間的相關(guān)性以及兩者之間的規(guī)律進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)土層對(duì)象

表1 淤泥、淤泥質(zhì)粘土及飽和粘土的物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次十字板剪切試驗(yàn)采用的設(shè)備主要包括XY-1型鉆機(jī)和機(jī)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(cè)量設(shè)備及必要的附件等部分。

本次試驗(yàn)采用十字板頭規(guī)格如表2所示。

表2 十字板剪切儀規(guī)格表 mm

4 十字板剪切試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)整理

4.1 試驗(yàn)步驟

1)采用回轉(zhuǎn)法進(jìn)行成孔，將套管下放至預(yù)定試驗(yàn)深度以上3倍～5倍的套管直徑處。2)再次用提土器進(jìn)行清孔，使孔內(nèi)的殘余土不超過15 cm。3)將十字板頭、軸桿與試驗(yàn)鉆桿逐節(jié)接好并下入鉆孔內(nèi)，使十字板頭與孔底接觸，接上導(dǎo)桿。4)裝上十字板底座和測(cè)力裝置，并將底座與套管之間用緊制軸制緊。5)裝上測(cè)量鋼環(huán)變形的百分表，并調(diào)整百分表至零。6)試驗(yàn)開始就開動(dòng)秒表，以10 s/r的速率旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，每轉(zhuǎn)一圈測(cè)記鋼環(huán)變形讀數(shù)1次，直到土體剪損，仍繼續(xù)讀數(shù)1 min。7)在完成上述原狀土試驗(yàn)后，拔下連接導(dǎo)桿與測(cè)力裝置的特制鍵，套上搖把繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿、軸桿旋轉(zhuǎn)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(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)記百分表讀數(shù)。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(jìn)行操作，即可測(cè)得軸桿和設(shè)備的機(jī)械阻力Rg值。至此一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)工作全部結(jié)束。9)進(jìn)行一下深度的試驗(yàn)，重復(fù)上述1)～8)操作步驟，直到預(yù)定深度。

4.2 資料整理

土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算。

原狀土體抗剪強(qiáng)度：

Cu=K·C(Ry-Rg)

(1)

重塑土體抗剪強(qiáng)度：

Cu′=K·C(Re-Rg)

(2)

其中，Cu為原狀土的不排水抗剪強(qiáng)度；Cu′為重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度；K為十字板常數(shù)；C為鋼環(huán)系數(shù)；Ry為原狀土剪損時(shí)百分表最大讀數(shù)；Re為重塑土剪損時(shí)百分表最大讀數(shù)；Rg為軸桿與土摩擦?xí)r百分表最大讀數(shù)。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 相關(guān)性分析

含水率和十字板剪切強(qiáng)度是衡量土質(zhì)工程性質(zhì)的兩個(gè)重要指標(biāo)，兩者之間存在著一定的聯(lián)系，如果能夠建立兩者之間的關(guān)系，勢(shì)必將更加有效的幫助工程技術(shù)人員掌握土層的物理力學(xué)特性，進(jìn)而為工程的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持。

本次研究共完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)1 600組，剔除不合理的數(shù)據(jù)，實(shí)際有效數(shù)據(jù)1 300組。以這1 300組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)十字板剪切強(qiáng)度和含水率進(jìn)行回歸分析。研究發(fā)現(xiàn)，淤泥質(zhì)軟土的十字板剪切強(qiáng)度總體上呈隨著含水率的降低而增大的趨勢(shì)；在含水率減小的過程中淤泥質(zhì)軟土的十字板強(qiáng)度與含水率之間并不是呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是呈非線性關(guān)系。十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系曲線如圖1所示。經(jīng)過擬合獲得十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)，如表3所示。

表3 十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的指數(shù)關(guān)系式

從圖1中可以看出，含水率位于[65，80]區(qū)間時(shí)，隨著含水率的減小，十字板強(qiáng)度增幅較??；當(dāng)含水率位于[30,60]區(qū)間時(shí)，隨著含水率的減小，十字板剪切強(qiáng)度迅速增大。對(duì)于上述十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的規(guī)律，筆者認(rèn)為出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，當(dāng)含水率大于60%時(shí)，土層呈流塑狀態(tài)，穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)尚未形成，土層的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略；當(dāng)含水率小于60%時(shí)，隨著含水率的減小，土體的結(jié)構(gòu)迅速形成，土層的應(yīng)力場(chǎng)隨之增強(qiáng)；所以含水率減小不大，十字板強(qiáng)度的增幅卻較大。

5.2 分區(qū)段進(jìn)行研究

通過對(duì)淤泥質(zhì)軟土的含水率進(jìn)行區(qū)段劃分，統(tǒng)計(jì)各個(gè)含水率區(qū)間內(nèi)十字板抗剪強(qiáng)度的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，分析結(jié)果如表4所示。

表4 各含水率區(qū)間與十字板強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)表

通過分區(qū)段統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步細(xì)化含水率與十字板剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，為工程的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

6 結(jié)語

1)機(jī)械式十字板剪切試驗(yàn)不適用于含水率大于80%的超軟土，因?yàn)檫@時(shí)十字板頭開始出現(xiàn)自沉現(xiàn)象，即超軟土已無法托住板頭，試驗(yàn)無法進(jìn)行。2)在一定含水率區(qū)間內(nèi)，土體含水率與十字板剪切強(qiáng)度之間呈指數(shù)關(guān)系，而非線性關(guān)系。3)含水率位于[65，80]區(qū)間時(shí)，隨著含水率的減小，十字板強(qiáng)度增幅較??；當(dāng)含水率位于[30,60]區(qū)間時(shí)，隨著含水率的減小，十字板剪切強(qiáng)度迅速增大。4)當(dāng)含水率大于60%時(shí)，影響土層的抗剪強(qiáng)度主要因素是含水率，土層的應(yīng)力狀態(tài)可以忽略。5)本文中十字板剪切強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系適用于天津?yàn)I海地區(qū)，對(duì)于該區(qū)域以外的地區(qū)的適用性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] DB 29—20—2000，巖土工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

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

[4] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)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