开口钢环式十字板剪切测试

1.仪器设备

这是目前国内常用的一种剪切仪（图6—8）及（图6—9）。其优点是施加的力偶对钻杆不产生额外推力，配合钻机使用也较方便。它利用蜗轮蜗杆扭转插入土层中的十字板头，借助开口钢环测定土层的抵抗阻力，进而用公式计算土的抗剪强度。

图6—8　开口钢环测力装置

其主要组成部件有：

（1）十字板头及上部轴杆连接部件：十字板头是由断面呈十字形的相互直交的四个翼片组成。十字板长度H和直径D的比值范围为1—4，常用值为2。我国常采用的几种十字板规格如表6—1。为防止十字板插入土层后引起过大扰动，除板头顶端做成刃口外，翼片也不宜过厚。

在软土层中，常采用表6—1中大尺寸的板头；对稍硬土层，采用50mm×100mm规格板头。

轴杆与十字板头连接，为测出与十字板头一起插入土层中的轴杆部分消耗的扭力，常在板头上端与轴杆相接处加一个离合式接头，如图6—10所示；也可用牙嵌式接头。

（2）轴杆、钻杆、套管：轴杆直径20mm，上接钻杆下连十字板头。钻杆一般用φ42mm。轴、钻杆是扭力的传力杆，要求直而不弯。

套管起护壁和反扭力作用常用φ127mm套管。

图6—9　开口钢环式十字板剪切仪示意图

1—手摇柄；2—齿轮；3—蜗轮；4—开口钢环；5—导杆；6—特制键；7—固定夹；8—量表；9—支座；10—压圈；11—平面弹子盘；12—锁紧轴；13—底座；14—固定套；15—横销；16—制紧轴；17—导轮

（3）施测扭力装置：它是借助于固定在底板（固定于套管上）的蜗轮转动，带动蜗杆、钻杆和轴杆，使插入土层中的十字板头扭转。所施扭力的大小，通过蜗轮上开口钢环变形计算得出。主要组成部件有：

①传动部分：由蜗轮、蜗杆（带齿轮导杆）、开口钢环、转盘、底盘和固定套等组成。固定套有锁紧装置，与底板锁紧。

②底座部分：由底座和压圈等组成，系将传动部分固定在套管上的连接装置。

其它还有特制键、接头、导轮、扳手、百分表等。

2.测试调试程序

（1）先用螺旋钻开孔钻至预定测试深度，随之压入φ127套管至预定测试深度75cm或套管直径的3—5倍以上处。清除孔内扰动土，固定套管。

（2）将十字板头、轴杆、钻杆接好，扭紧各接头（其总长度等于或略小于套管口顶面至孔底距离），然后将其下入孔内，使十字板头到达孔底。

（3）接上导向杆，将底座穿过导向杆，固定在套管上，用制紧螺丝拧紧；然后把摇柄套在导向杆上，使导杆顺时针方向徐徐转动，让十字板头离合齿吻合；然后将十字板头压入至测试深度。测试深度应在钻孔底（或套管底）以下至少3—5倍孔径（或套管直径）处。

图6—10　离合式板头导轮装配示意图

1—钻杆；2—轴杆；3—离合式离合器；4—十字板；5—导轮（可自由转动上下滑动）

表6—1　我国常用的几种开口钢环式十字板剪切仪参数

（4）逆时针徐徐摇动摇柄，上提杆2—3cm，使离合齿脱离。合上支爪（阻止钻杆下沉），快速转动摇把十余圈，使轴杆与土间摩擦阻力减至最小。

（5）扳开支爪，顺时针方向转动摇柄，再使十字板头离合齿吻合，然后合上支爪。

（6）套上传动部件，转动底盘，使导杆键槽与钢环固定键槽对正；用锁紧螺丝将固定套与底座锁紧，再转动摇柄使特制键自由落入键槽内；将刻度盘指针对准任一刻度，装上百分表，并调整零位。

（7）测试开始，开动秒表，同时以每10s 1度的均匀转速转动手摇柄（顺时针方向），每转1度测记一次百分表读数。当读数出现峰值或稳定值后，再继续1min。一般这个过程需3—10min。峰值或稳定值的百分表读数，即为原状土剪切破坏时的ε_y。

（8）拔出特制键，在导杆上套上摇柄，顺时针方向转动6圈，使十字板头周边土充分扰动；然后插入特制键，重复步骤（7），测定重塑土剪切破坏时百分表读数ε_e。

（9）拔下特制键，上提导杆2—3cm，使离合齿脱离，再插上特制键，转动手摇柄，按步骤（7）测定轴杆与土之间摩擦及机械消耗阻力的百分表读数ε_g。

（10）在测试深度内测试结束后，卸下传动部分和底座，向导向杆孔摇入吊勾，逐节将钻杆、轴杆和十字板头提出，清洗十字板头、轴杆，并检查轴杆是否弯曲。如系最后一次试验，应进行涂油、装箱和保管等。

（11）测试深度，按工程要求决定。测试段间距选择，可根据地层情况确定，对一般均质土，每隔0.75—1m测定一次，同层土不少于2—3次，最好在不同孔同一深度测定。

（12）当试验深度超过10m时，为防止钻杆弯曲，可装导轮。

（13）当孔内土层太软时，为防止底部塌孔和孔底土层上涌，除护壁外，可向孔内注水。

3.资料整理

（1）计算土的抗剪强度：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：C_u——土的不排水抗剪强度（kPa）;

C——钢环系数（N/mm）;

R_y——原状土剪损时量表最大读数（mm）;

R_g——轴杆与土摩擦时量表最大读数（mm）;

k——十字板常数（cm^-2），可按式（6—14）计算或采用表6—2中的数据。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

R——转盘半径，即钢环率定时的力臂（cm）;

D——十字板头直径（m）;

H——十字板头高度（m）。

表6—2　十字板规格及十字板常数k值

（2）计算重塑土抗剪强度：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：C′_u——重塑土不排水抗剪强度（kPa）;

R_c——重塑土剪坏时量表最大读数（0.01mm）。

（3）计算土的灵敏度：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

（4）绘制抗剪强度与试验深度的关系曲线（图6—6），以了解土的抗剪强度随深度的变化规律。

（5）绘制抗剪强度与转角的关系曲线（图6—5），以了解土的结构性和受剪时的破坏过程。