CN103245570A - 十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法。本发明目的提供十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法，提高土体抗剪强度参数测定精度。本发明技术方案：a、用高径比2的十字板头进行第一次土体原位测试，记录扭剪测试扭力矩M1，测试深度Z1；b、测试完成后，同一测点进行第二次土体原位测试，记录扭剪测试扭力矩M2，测试深度Z2，两次测试深度相距不小于1m；c、根据公式

计算出该测点的摩擦角

；然后根据公式或公式计算出该测点的黏聚力

。

Description

十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法

技术领域

本发明涉及一种十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法，主要适用于土木工程、水利水电工程、港口通航工程中饱和黏土的原位测试技术领域。

背景技术

十字板原位测试避免了取土扰动的影响，特别是难以取样的灵敏度高的黏性土，可在现场对天然应力状态下的土层进行扭剪，所测强度能较好的反映土的天然强度，同时可以评定地基土的灵敏度、承载力及固结历史，且设备简单、操作方便，应用广泛。

目前十字板原位测试及强度计算方法存在着一定问题。常规十字板（高径比H/D=2，软黏土中常用D×H为75mm×150mm，稍硬土中常用D×H为50mm×100mm）测试强度计算中，均是以水平方向和竖直方向抗剪强度值相等为假定条件进行，这与土体实际状态有一定出入。

十字板强度获取的是地基中某点处的抗剪强度（C_u）而非抗剪强度参数（黏聚力c、摩擦角

），可用于总应力

的分析方法中。十字板扭剪时饱和黏性土中水一般无法及时排出，其测试强度对应饱和黏土的不排水强度；对于天然饱和地基土，相当于在一定压力下已经发生固结，而在结构自重等新加荷载作用下又不发生新的固结。原位十字板测试操作简便、不对土体造成扰动，较室内试验有明显优势，特别适用于结构性较强的饱和黏土。原位十字板试验可测试不同有效固结压力或有效应力下饱和黏土的不排水强度，该不排水强度与土体承受的有效固结压力及土体的有效强度指标或总应力强度指标有关。但原位十字板试验不能直接获取饱和黏土的抗剪强度指标，不能直接用于分析固结排水和固结不排水工况下的土压力、地基承载力和挡土墙与边坡的稳定性，需要研究饱和黏土不排水强度与其承受的有效固结压力及强度指标的关系，从而计算出c、

两个抗剪强度指标及其参数取值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法，以提高土体抗剪强度参数的测定精度。

本发明所采用的技术方案是：十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法，其特征在于步骤如下：

a、采用高径比为2的常规十字板头进行第一次土体原位测试，并记录扭剪测试扭力矩M1，测试深度为Z1；

b、第一次土体原位测试完成后，将读数清零，并在同一测点土层处进行第二次土体原位测试，记录扭剪测试扭力矩M2，测试深度为Z2，两次测试深度相距不小于1m；

c、根据公式计算出该测点的摩擦角

式中D为十字板头的直径，γ′为土体的有效重度；

然后根据公式

或公式

计算出该测点的黏聚力c。

本发明的有益效果是：1、考虑了土体抗剪强度的各向异性影响，即将十字板剪切面的水平抗剪强度τ_fh和竖向抗剪强度τ_fv考虑为不等，从而提高了测定精度。2、测试方法简便经济实用，只需在同一测点进行2次该土层不同深度的测试，即可获取土体的抗剪强度参数。3、以每层土进行两次十字板原位测试，即可得到土体的抗剪强度参数，发展了十字板原位测试技术，完善了十字板测试获取土体抗剪强度参数的方法。

附图说明

图1是本发明的测试方法示意图。

图2是本发明的土体剪切破坏面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例通过原位十字板测试技术，获取土体的抗剪强度指标及其参数取值，充分发挥原位十字板测试技术的优势，为此研究并设计了一种土体抗剪强度指标的十字板测定及计算方法，其有效固结压力也可结合压缩曲线进行分析。

具体步骤如下：

a、以常规十字板头1为测试工具进行第一次土体原位抗剪强度测试，其高径比H/D=2；将十字板头1贯入土层2中至一定深度Z1，进行第一次扭剪测试，并记录扭剪测试扭力矩M1，测试深度Z1。

b、第一次土体原位测试完成后，将读数清零，并在同一测点土层处将十字板头1继续贯入至一定深度Z2，进行第二次扭剪测试，并记录扭剪测试扭力矩M2，测试深度Z2；其中Z2-Z1≥1m，以防止土层扰动影响。

c、根据公式

计算出该测点的摩擦角

式中D为十字板头的直径，γ′为土体的有效重度；

然后根据公式

或公式计算出该测点的黏聚力c。

本实施例的测试原理为：如图2所示，考虑土体水平向抗剪强度τ_fh和竖直向抗剪强度τ_fv各向异性的影响，分别对应土体剪切破坏面为上下两个圆面3和一个圆柱面4形式。依据土力学概念，深度Z₁和Z₂处土体水平向抗剪强度τ_fh1、τ_fh2可由该处的法向有效自重应力

表示，该土层抗剪强度参数c、

是一定值，抗剪强度与土层深度处的有效应力状态有关，如式（1）和式（2）所示：

土体竖直向抗剪强度τ_fv1、τ_fv2可由式（3）和式（4）表示：

式中，γ′为土体的有效重度，为已知参数；侧压力系数K₀按经验公式可表示为

亦可通过旁压试验等原位测试手段直接获取；本实施例Z₂-Z₁=1m。

剪切破坏时所施加的扭力矩等于剪切破坏圆柱体外表面（包括上下两个圆面和一个圆柱面）上土的抗剪强度所产生的抗扭力矩，可表示为式（5）和式（6）：

$M_1=2\·\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{2}{3}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}1}+\mathrm{\πDH}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}1}---\left(5\right)$

$M_2=2\·\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{2}{3}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}2}+\mathrm{\πDH}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}2}---\left(6\right)$

式中，D为十字板头1的直径，H为十字板头1的高度，且H/D=2，为已知参数，M₁和M₂为两次测试得到的扭力矩。如果假定土体水平向抗剪强度τ_fh和竖直向抗剪强度τ_fv相等，为τ_fh=τ_fv=C_u，C_u为饱和粘性土不固结不排水抗剪强度，则上式可表示为：

$C_u=\frac{2M}{\mathrm{\π}{D}^2(H+\frac{D}{3})}---\left(7\right)$

式（7）与常规十字板抗剪强度公式一致，但土体一般表现出各向异性特性，如果考虑水平向和竖直向抗剪强度不等，则式（5）和（6）可以表示为：

$M_1=2\·\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{2}{3}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}1}+\mathrm{\πDH}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}1}$

$=\frac{D^3}{6}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}1}\mathrm{\π}+\frac{D^{2}H}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}1}\mathrm{\π}=D^3\mathrm{\π}(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}1}}{6}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}1})---\left(7\right)$

$M_2=2\·\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{2}{3}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}2}+\mathrm{\πDH}\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}2}$

$=\frac{D^3}{6}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}2}\mathrm{\π}+\frac{D^{2}H}{2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}2}\mathrm{\π}=D^3\mathrm{\π}(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}2}}{6}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}2})---\left(8\right)$

式（8）减去式（7），得：

如果考虑土体的侧压力系数K₀为已知，则通过（9）式可求解摩擦角

如果考虑K₀通过经验公式表达，（9）式可变换为：

通过式（10）可求解摩擦角

最后，将

代入式（7）或式（8）即可求得黏聚力c。

通过土力学基本概念及数学推导，发展了求饱和土不排水强度指标的十字板测试方法和计算方法，具有推广价值，可为工程设计人员提供有益的参考。

实际应用中，也可通过多个测点进行测试，每个测点进行两次不同深度的测试，求得每个测点的抗剪强度参数c、（其步骤与前述步骤a、b、c相同），根据其统计关系计算求得该土层的抗剪强度参数标准值。

Claims (1)

1.一种十字板原位测试获取土体抗剪强度参数的方法，其特征在于步骤如下：

a、采用高径比为2的常规十字板头进行第一次土体原位测试，并记录扭剪测试扭力矩M1，测试深度为Z1；

b、第一次土体原位测试完成后，将读数清零，并在同一测点土层处进行第二次土体原位测试，记录扭剪测试扭力矩M2，测试深度为Z2，两次测试深度相距不小于1m；

c、根据公式

计算出该测点的摩擦角

式中D为十字板头的直径，γ′为土体的有效重度；

然后根据公式

或公式计算出该测点的黏聚力c。

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