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影響十字板剪切試驗結果準確性的主要因素

在十字板剪切試驗方法和結果計算公式的推導中,作了壹些人為的規定和假設。在將土的十字板抗剪強度結果應用於工程之前,有必要分析和判斷這些規定和假設對試驗結果準確性的影響。

1.十字頭的轉速

試驗實踐表明,轉速對試驗結果有很大影響。剪切(旋轉)速率越大,剪切強度越大,反之亦然。因此,應規定統壹的旋轉速率。目前國內外多采用1/10s的旋轉速率。對於壹般軟粘土,最大抗剪強度通常出現在十字板旋轉角度為20°-30°處,對應時間為3-5min,基本屬於不排水剪切試驗,得到的抗剪強度為不排水抗剪強度。有人認為采用1/10s的理由如下:①手動轉速下限大致為1/10s;②實際工程的加載速率很小,幾乎趨近於零,1/10s測得的強度值與加載速率趨近於零的值之差小於5%;③應變率與其他室內剪切試驗所用的應變率相近。當扭轉剪切速率為6-12/min時,差別很小。如果扭轉剪切率變化太大,影響會很大。

2.土壤的各向異性

土的各向異性主要是由土層的分層和土中應力狀態的不同造成的。在土的十字板抗剪強度計算公式中,假定破壞圓柱體側面和頂底面的土的抗剪強度相等,但實際上並不相等。有人用不同的D/H十字板剪切儀測定了飽和粘性土的抗剪強度。結果表明,對於正常固結飽和粘性土,CV/CH = 0.5-0.67;對於稍微超固結的軟粘土,Cv/CH=0.9。這壹結果表明,天然土層的抗剪強度是各向異性的。CV/CH < 1主要是因為水平固結壓力大於側向固結壓力。此外,圓柱體的端剪應力和側剪應力往往不能同時達到峰值。

當葉片頭的葉片為三角形時,可以得到土壤在不同方向的抗剪強度。

土壤原位測試的機理、方法及工程應用

式中:cβ——與水平面成β角的斜面上的抗剪強度(kPa);

l-三角形的邊長(厘米);

β ——三角形板頭的三角形邊緣與水平面的夾角。

3.十字頭規格等。

葉片頭部的規格是指葉片的形狀、板厚和軸徑。從等式(6-4)可以看出,D、H和D1都對總扭矩有影響。目前國際上十字板形狀有長方形和菱形兩種,長方形又分為高長方形和短長方形。美國ASTMD257-372推薦的現場十字頭規格見表6-3。

板的厚度和軸的直徑越大,插入過程中對土壤的擾動越大,測得的抗剪強度Cu值越小。英國BS1377(1975)規定葉片的面積比A不能大於12%。

土壤原位測試的機理、方法及工程應用

表6-3推薦的葉片頭部規格(美國)

註:十字板規格的選擇與被測土層的強度直接相關。對於軟土,葉片的直徑較大。

此外,使用破損和低強度的板頭會增加對土壤的擾動。因此,葉片和軸都應該由高強度鋼制成。

根據我國規定,75×150mm的葉片厚度為3mm50mm×100mm葉片,厚度2mm;軸的直徑分別為16毫米和13毫米。

將葉片插入土壤中總會引起土壤擾動,在分析結果時應考慮這壹點。從葉片頭插入土壤到測試開始的持續時間對測試結果也有明顯的影響。Aas(1965)曾經報告了挪威壹些海洋粘土的測試結果。壹天之後,Cu值會上升20%-50%。所以時長要統壹。

電測風向標傳感器是儀器的關鍵部分。十字板頭引出的電纜接頭除了要有嚴格的選材和操作、貼片工藝、防潮工藝外,還要用聚酯絕緣膠帶包裹,達到防水目的。做改造試驗時,要防止電纜扭曲或斷裂而滲水。絕緣不良或滲水會使測試失敗。因為是長期在飽和粘性土中測試,所以要時刻註意和檢查傳感器和電纜的絕緣情況。

4.排水條件

十字板剪切試驗的結果是土的不排水抗剪強度,相當於內摩擦角φ = 0時的粘聚力C值。Cunmatsui等人(1981)認為,當葉片扭轉時,排水條件可由下式判斷:

土壤原位測試的機理、方法及工程應用

其中:t-時間因子;

Tf——土壤剪切破壞所需的時間;

其他符號的含義與之前相同。

滿足上述公式為不排水條件。對於高嶺石粘土,當葉片轉速大於每秒壹度時,不排水。但根據實際運行情況,壹般認為10s壹次轉速時存在局部排水,測得Cu值過大。此外,由於粘性土的粘結性,十字板剪切的破壞面比計算器大,相應的扭矩也會增大,這也導致Cu值較大。鑒於上述原因,十字板的抗剪強度值在應用於實際工程時應進行修正。Belem (1973)的正式版本是:

土壤原位測試的機理、方法及工程應用

其中μ為修正系數,隨著土壤塑性指數Ip的增大而減小(圖6-曲線11的上部)。中國認為只適用於塑性指數Ip大的土;對於壹般土壤,適用圖6-11的曲線2。

5.其他人

電動十字板測得的Cu值往往比非電動十字板測得的值小15%-20%。這是因為電測裝置基本上消除了軸與孔壁之間摩擦的影響。現場十字板測得的Cu值比室內試驗(半無側限抗壓強度、三軸不排水剪切試驗、室內十字板試驗等)測得的Cu值高50%-80%。).而且室內指標比較分散,沒有強度隨深度增加的變化規律。土的敏感性越大,埋深越大,現場十字板的抗剪強度與室內試驗值相差越大。這是因為房間裏使用的樣品被幹擾了。

圖6-11μ與ip的關系曲線。

表6-4十字板剪切試驗影響因素表(根據巖土工程手冊)

表6-4中列出的壹些因素已被技術標準所控制,而另壹些因素則超出了控制範圍。所有這些因素的影響都與土壤類型、Ip和ST有關,當Ip和St較高時,因素的影響也較大。表中的影響程度僅為壹般值,不包括特殊極端情況。例如,當旋轉速率相差幾百時(如土壤被擾動六次時),Cu的差異可為10倍。因此,應嚴格按照試驗規程的要求進行試驗,防止隨意性,使試驗結果準確,便於應用。

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