水運工程勘察中十字板剪切試驗的應用研究

王宇杰 廣東省航運規劃設計院有限公司

十字板剪切試驗方法于中國南京水利科學院在五十年代所引入使用，而且于沿海各個省市和很多江河所影響，平原區域軟黏土場地獲得一定范圍的運用。作為一種快速測定飽和軟黏土層抗剪強度的原位測試方法，在實際應用中具有設備簡單、操作方便的特點。其測定的是土層在原位壓力下固結的不排水抗剪強度，有效避免了土體擾動及天然應力狀態的改變，能很好的反映土的天然強度。由于水運工程的選址特點，場址內往往發育較厚的飽和軟黏土層，飽和軟黏土對于護岸的穩定及建（構）筑物的不均勻沉降影響較大，因此將十字剪切試驗應用于水運工程勘察當中意義重大。

1.十字板剪切試驗的原理與技術方法

1.1 十字板剪切試驗的原理

十字剪切試驗又稱VST，主要經由給予送進地基內的形狀及尺寸大小相對固定的十字板頭增加扭轉方面的力矩干擾，促進此類板頭于土層內維持相同速率扭轉運動，而構成圓柱形狀的干擾面，經由更換計算機評估地基相關土層并不排出水分的抵抗剪切強度值。因為于試驗檢測時，十字板方面剪切相關試驗測定并不用收集土壤樣品，針對相對飽和的軟黏土因為收集樣品不容易，需維持天然應力情況之下給予扭剪處置，以獲得天然狀態下抗剪強度。此方法測得的抗剪強度在理論上相當于三軸不排水剪的總強度，或者是無側限抗壓強度的一半。在當前水運工程勘察中，必須對飽和軟土進行抗剪強度測試，但是由于儀器的使用條件局限性，故需充分注重維持測定條件相對準確。

1.2 十字板剪切試驗檢測的方式

依據十字板剪切試驗可對原來位置應力情況之下的相對飽和的軟黏土在其并不排出水分時抵抗剪切強度值和靈敏性，故需合理選擇使用檢測儀器及測定方式。其中設備包括：十字板頭（一般要求是刃角60°，面積比在13～14%，板高約為板寬的兩倍）、試驗用探桿、貫入主機、扭力傳感器以及測量記錄儀等。對于十字板頭的尺寸要求國內外各有不同，一般常用的十字板尺寸為矩形，高徑比（H/D為2），具體如表1所示。

表1 淤泥質粉質黏土層物理指標

表1 中國、外國常用的十字板頭高度值、直徑值、厚度值

針對土壤類別存在差異性的情況，需要選擇使用尺寸大小不一的十字形狀板頭。對于軟黏的土壤，可采取75mm乘以150mm的十字形狀板頭；對于稍微較硬的土壤，建議選擇50mm乘以100mm的十字形狀板頭。

根據軟土層的埋深及分布選擇適合的平臺，先鉆探引孔，對機架進行固定安裝，把十字板壓至試驗深度的位置，卡住探桿調零，轉動手柄、旋轉軸桿，使板頭產生扭矩，觀察測量記錄儀器，記錄剪切過程中出現的峰值或穩定值，繼續測讀1min，以便確認峰值或穩定扭矩，然后對軸桿維持順時針實施轉圈6次操作，將十字形狀板頭對附近土壤實行干擾，之后檢驗重塑土壤在并不排掉水分下的具體強度值。

2.十字板剪切試驗在水運工程勘察中的應用

2.1 十字板剪切試驗測定方式與水運項目工程具體勘察過程中的使用情況

參考十字板剪切相關試驗方法和勘測要求等，在實際水運工程勘察中主要針對飽和軟黏土的靈敏度、地基承載力的估算、反映抗剪強度隨深度變化規律、岸坡（護岸）抗滑穩定性分析、估算樁的端阻力和側阻力、判定土的固結歷史六個方面進行測定試驗。

（1）飽和軟黏性土靈敏度測定：由于飽和軟黏性土最重要的特征就是天然含水量高、孔隙比大、靈敏度高等，在水運工程勘察中容易受到外部因素的影響而無法進行取樣，那么只有進行原位測試。十字板剪切試驗具備操作簡捷、數據準確的特點，可以在實際應用中針對原狀土、重塑土的抗剪強度進行測定，從而計算其靈敏度，評價其流變性、蠕變性。

（2）對地基具體承載力實行預估計算：對于水運項目實行勘測期間需充分重視地基相關承載力指標，依據十字板相關剪切項目試驗檢測可以做好此方面的檢驗工作，減少土工試驗開展承載力指標測定時的相關復雜性。具體估算公式如下：

地基容許承載力qa=2Cu+γh

式中：qa——地基容許承載力（kPa），Cu——修正后的不排水抗剪強度（kPa），γ——土的重度（kN/m3），h——基礎埋深（m）。

（3）反應抗剪強度隨深度變化規律：由于水運工程勘察中采取飽和軟黏土容易受到外部因素的干擾或采取后容易擾動，室內抗剪強度往往不能很好反映正常固結的飽和軟黏土不排水抗剪強度隨深度增加這一規律，而十字板剪切試驗是在保證土層處于天然狀態下測定的不排水抗剪強度，實際測試中抗剪強度是隨著深度逐漸增加的，很好地反映了這一規律。

（4）岸坡（護岸）抗滑穩定性分析：擬建的水運工程場地內往往發育飽和軟黏土層，而軟黏土層往往是岸坡（護岸）滑動的潛在滑動面，對抗滑穩定性影響較大。因此，較為準確的獲取軟黏土層的抗剪強度顯得至關重要。而十字板剪切試驗可以測得天然狀態下的抗剪強度指標，且較室內試驗成果準確，與實際情況吻合度高，很大程度上提高穩定性分析的準確、合理性，更好的為設計方案所需的參考數據奠定基礎。

（5）估算樁的端阻力和側阻力：在水運工程地基處理中十字板剪切試驗成果可用于估算樁的端阻力和側阻力，具體估算公式如下：

樁端阻力：qp=9Cu；樁側阻力：qs=αCu

式中：α與樁類型、土類、土層順序等有關，Cu——修正后的不排水抗剪強度（kPa）

（6）對于土壤固結情況予以分析：參考Cu-h曲線，如果表現出經過地面原點位置的直線，則判斷屬于常規的固結土；如果曲線并不經過原點位置，和縱坐標上面軸線予以相互交聯，則分析屬于超固結土情況。

同時，十字板剪切試驗還可用于水運工程地基處理效果的檢測等。

2.2 十字板剪切試驗實例應用分析

十字板剪切試驗在水運工程勘察中的實例應用，其目的在于解決當取樣困難時能夠反映土層抗剪強度的問題，同時也能夠為設計與施工提供數據參考。本文以內河某集裝箱碼頭為實例分析，該工程護岸區揭示發育巨厚層淤泥質粉質黏土層，該層土揭示厚度7.60～19.00 m，層頂埋深2.60～7.40 m，層底埋深15.00～23.70m。

（1）淤泥質粉質黏土層物理、力學指標如下表1、表2所示。

表2 淤泥質粉質黏土層力學指標

（2）測試過程中先采用鉆探引孔，鉆至該層，然后在該土層進行十字板剪切試驗獲得相關數據，具體成果見下表3所示。

表3 十字板剪切試驗結果統計表

根據上述指標分析，十字板剪切試驗測定的抗剪強度明顯高于室內試驗測定的抗剪強度，結合土層的物理力學指標及地區成熟的經驗綜合分析后提出土層的抗剪強度及靈敏度供設計參考使用，很好地解決了取樣測定不能真實反映土層長期抗剪強度的問題，在實際工程中取得了很好地效果，為穩定性驗算及地基處理提供了有力支撐。

3.十字板剪切試驗于水運項目工程具體勘察過程中運用時的注意要點

第一，實行十字板相關剪切試驗檢驗的前期，首先要針對測力使用的扭力傳感器（或開口鋼環）進行標定，一般為室溫環境（20±5）℃、3個月標定一次。

第二，實施鉆孔的時候，十字板的頭部送進孔底之下的深度值需在鉆進孔的直徑大小3倍～5倍，維持十字板可以與不干擾土壤的基礎下開展剪切指標試驗檢測。

第三，于同一個孔中開展深度值存在差距性的剪切項目試驗測定的時候，其間距值需在0.75m～1.00m以上。

第四，將十字板的頭部送進土壤內要求的深度值之后，需予以靜置放置2min～3min，之后再開展剪切項目試驗測定。由于送入板頭的時候于周圍形成超孔隙相關水壓力情況，需維持靜置，放置時長適當，如果放置時長比較長，則孔隙壓力得以消除，導致有效應力出現提升現象，導致沒有排出水分下的抵抗剪切強度值提升；如果放置時長比較短，那么土壤稍微受到干擾沒有得以及時恢復過來，常常導致測定所得強度數據比較小。

第五，需要維持扭剪速率基本維持一定范圍中，確保該數據控制適當。如果剪切速率值比較小，因排出水分引發強度值得以提升；如果剪切速率值比較大，針對飽和形式下的軟粘性土，因為粘滯效應，導致強度值提升。一般狀況下，需維持每十秒的扭剪速率處于1°～2°，維持于并不排出水分的狀況下給予剪切項目試驗檢測。

第六，一般狀況下，針對十字板剪切指標試驗檢驗所得到的未排出水分抵抗剪切強度的峰值相對稍高，而土壤長期強度值大概處于其峰值大小的60%～70%。所以，應參考土質狀況等實際情況予以所檢驗數據修正干預。

第七，當試驗中遇到含大量貝類、砂等軟黏性土層時，不宜直接使用十字板剪切試驗。

4.結束語

綜上所述，十字板剪切試驗在飽和軟黏土抗剪強度測定上應用十分廣泛，不僅具備無需取樣、設備使用簡便、操作簡單、測試效率高等多方面的優點，同時還可以在水運工程中得到應用，以此對軟黏土靈敏度、地基承載力以及圍堤穩定等方面起到了有力支撐。在實際應用中由于受到外界多方面因素影響，使得試驗成果面臨著更多挑戰。因此，水運工程勘察中更需要考慮此層面的因素，將十字板剪切試驗應用于水運工程勘察中才能更好的提出具有科學性的設計方案，為下一步工程設計提供數據支持。