韓 鵬

（天津市北洋水運水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津 300460）

十字板剪切試驗從引入國內(nèi)至今已有60多年，十字板剪切試驗具有設(shè)備簡單、操作方便、原位測試效果較好等優(yōu)點，目前已作為測定飽和軟土體不排水抗剪強度非常重要的原位測試手段[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，十字板剪切強度在水運工程邊坡穩(wěn)定分析中得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為沿海地區(qū)水運工程邊坡穩(wěn)定計算分析中主要強度指標之一，同時也積累了豐富的工程經(jīng)驗。水運工程中，滑坡災(zāi)害的防護與治理一直是工程中的難點，目前對于滑坡土體內(nèi)在力學(xué)機理以及防護工程的研究仍處于初級階段[2]。就失穩(wěn)邊坡的滑動面而言，滑坡區(qū)域土體由于滑動產(chǎn)生了較大的變形。因此，在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，使用殘余強度作為破壞條件更加穩(wěn)妥。殘余強度是指土體發(fā)生較大剪切位移后達到的最小抗剪強度。

目前，關(guān)于十字板剪切破過程及殘余強度的研究仍然比較缺乏。文章以多個實際工程為基礎(chǔ)，對濱海軟土及飽和軟土的十字板剪試驗破壞過程、殘余強度與標高之間的關(guān)系，以及殘余強度與含水率之間的關(guān)系進行詳細的對比研究，為十字板剪切殘余強度在工程滑坡災(zāi)害的防護與治理實踐提供參考。

1 試驗方案設(shè)計

文章結(jié)合天津濱海地區(qū)實際工程項目，在現(xiàn)場成對設(shè)置原狀取土孔和十字板剪切試驗孔，對十字板剪切殘余強度與含水率進行研究。詳細方案如下：

第一步，在成對設(shè)置的原狀取土孔中進行取土作業(yè)，取樣間距為1.0m；取土作業(yè)完成后，在旁邊進行十字板剪切原位試驗，獲得原狀土的峰值強度、重塑土的峰值強度及原狀土的殘余強度，試驗深度與取土深度相同。第二步，對采取的原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，獲得土體的含水率、液限等常規(guī)物理指標。第三步，繪制十字板剪切強度與回轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，統(tǒng)計分析抗剪強度達到峰值時的回轉(zhuǎn)角；對比分析原狀土的峰值強度、重塑土的峰值強度及原狀土的殘余強度，并研究原狀土的殘余強度與標高的關(guān)系；對原狀土殘余強度與含水率進行回歸分析，分析兩者之間存在的規(guī)律。

2 實驗設(shè)備

該次十字板剪切試驗采用的儀器為鉆機和機械式十字板剪切儀。十字板剪切儀主要包括鋼環(huán)、十字板剪切板頭、十字板轉(zhuǎn)動裝置裝等部分，十字板剪切儀各主要部件尺寸如表1所示[3]。

表1 十字板剪切儀規(guī)格表 單位：mm

3 十字板剪切試驗步驟

（1）通過鉆機進行清孔，直到達到十字板剪切試驗預(yù)定試驗深度。（2）將鉆桿和十字板板頭連接緊固，然后下放至試驗深度，調(diào)整測力裝置和百分表，確保各部分連接無誤。（3）轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，速度控制在10s/轉(zhuǎn)左右，每轉(zhuǎn)動1圈，記錄百分表讀數(shù)1次，讀數(shù)達到峰值后繼續(xù)試驗，直到轉(zhuǎn)角達到90°為止，即原狀土的峰值強度及殘余強度試驗完畢。（4）將十字板頭和測力轉(zhuǎn)動裝置一起旋轉(zhuǎn)6～8圈，使土體完全破壞，靜置1min，讓土體恢復(fù)，然后進行重塑土的抗剪強度測試，速度仍然控制在10s/轉(zhuǎn)左右，每轉(zhuǎn)動1圈，記錄百分表讀數(shù)1次，直到讀數(shù)不再變化為止。（5）將十字板頭上提5cm，進行軸桿試驗，速度控制在10s/轉(zhuǎn)左右，每轉(zhuǎn)動1圈，記錄百分表讀數(shù)1次，直到讀數(shù)不再變化為止。（6）重復(fù)上述（2）～（5）操作步驟，進行下一深度的試驗，直到預(yù)定深度。

4 試驗土層對象

該次試驗對象為全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）中的淤泥及淤泥質(zhì)黏土，該土層頂板標高一般為-1.0～-2.5m，底板標高一般為-12.0～-14.0m，厚度一般為10.0～12.0m，以流塑狀態(tài)為主，含有機質(zhì)。該層土的含水率、液塑限等物理指標如表2所示。

表2 淤泥質(zhì)黏土的物理指標統(tǒng)計表

5 試驗數(shù)據(jù)分析

5.1 十字板抗剪強度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

文章共收集試驗數(shù)據(jù)228組，繪制十字板剪切強度與回轉(zhuǎn)角的過程曲線，其可分為3個部分，由于十字板剪切試驗破壞過程曲線總體相似，因此文章選取典型十字板剪切試驗進行分析。抗剪強度與回轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 抗剪強度Cu與回轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系曲線圖

從圖1可以看出，原狀土的十字板剪切試驗過程可以分為3個部分：a～b段曲線，隨回轉(zhuǎn)角增大，抗剪強度迅速增大，至b點抗剪強度達到最大值，相應(yīng)于b點的抗剪強度為峰值強度；b～c段曲線，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強度迅速減?。籧點之后，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強度變化較小并逐漸趨于穩(wěn)定。重塑土的十字板剪切試驗過程同樣分為3個部分：a～d段曲線，隨回轉(zhuǎn)角增大，抗剪強度迅速增大，至d點抗剪強度達到最大值，相應(yīng)于d點的抗剪強度為峰值強度；d～e段曲線，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強度逐漸減??；e點之后，隨回轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，抗剪強度趨于穩(wěn)定。

5.2 十字板抗剪峰值強度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

對土體抗剪強度達到峰值時的回轉(zhuǎn)角進行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，土體抗剪強度達到峰值時回轉(zhuǎn)角分布于19～40°，其中分布在22～33°的概率高達70%。

5.3 殘余強度與標高的關(guān)系

繪制原狀土峰值強度與標高的關(guān)系曲線、重塑土峰值強度與標高的關(guān)系曲線及原狀土殘余強度與標高的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，原狀土峰值強度、原狀土殘余強度和重塑土峰值強度與標高之間均具有相同的變化規(guī)律，都是隨著標高的減小，抗剪強度呈增大趨勢；殘余強度值介于原狀土抗剪強度和重塑土抗剪強度之間。

圖2 殘余抗剪強度Cu與標高的關(guān)系曲線圖

5.4 殘余強度與含水率的關(guān)系

含水率是影響十字板剪切強度的重要因素之一，兩者之間存在著密切的聯(lián)系，對十字板剪切殘余強度和含水率進行回歸分析，建立兩者之間的關(guān)系式，對于工程技術(shù)人員根據(jù)含水率來判斷土體殘余抗剪強度具有重要的現(xiàn)實意義。這也將大大調(diào)高工作效率，同時幫助工程技術(shù)人員更加準確了解土層的力學(xué)特性。天津濱海飽和軟土殘余強度與含水率的線性回歸分析如圖3所示。

圖3 原狀土十字板剪切殘余強度Cu與含水率w的關(guān)系圖

從圖3可以看出，原狀土殘余強度與含水率之間具有較好的線性關(guān)系，殘余強度隨含水率的增大而減小。殘余強度與含水率線性回歸關(guān)系式如表3所示。從表3可以看出，相關(guān)系數(shù)為0.775，擬合程度較好。

表3 原狀土十字板剪切殘余強度與含水率之間的線性關(guān)系式

6 結(jié)束語

（1）十字板剪切試驗過程中，轉(zhuǎn)角在22～32°時達到峰值，而后逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。（2）天津濱海軟土的殘余強度介于原狀土抗剪強度與重塑土抗剪強度之間。（3）天津濱海軟土的殘余隨深度增加而增加。（4）含水率位于37%～58%時，天津濱海飽和軟土的殘余強度與含水率呈線性關(guān)系，隨著含水率的增大而減小。（5）十字板殘余強度受地域影響較大。文章十字板剪切殘余強度與含水率之間的關(guān)系適用于天津濱海地區(qū)，對于該區(qū)域以外地區(qū)的適用性需要進一步驗證。