天津滨海软土十字板剪切破坏过程及残余强度研究

韩 鹏

（天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300460）

十字板剪切试验从引入国内至今已有60多年，十字板剪切试验具有设备简单、操作方便、原位测试效果较好等优点，目前已作为测定饱和软土体不排水抗剪强度非常重要的原位测试手段[1]。经过多年的发展，十字板剪切强度在水运工程边坡稳定分析中得到了广泛的应用，目前已成为沿海地区水运工程边坡稳定计算分析中主要强度指标之一，同时也积累了丰富的工程经验。水运工程中，滑坡灾害的防护与治理一直是工程中的难点，目前对于滑坡土体内在力学机理以及防护工程的研究仍处于初级阶段[2]。就失稳边坡的滑动面而言，滑坡区域土体由于滑动产生了较大的变形。因此，在进行边坡稳定性分析时，使用残余强度作为破坏条件更加稳妥。残余强度是指土体发生较大剪切位移后达到的最小抗剪强度。

目前，关于十字板剪切破过程及残余强度的研究仍然比较缺乏。文章以多个实际工程为基础，对滨海软土及饱和软土的十字板剪试验破坏过程、残余强度与标高之间的关系，以及残余强度与含水率之间的关系进行详细的对比研究，为十字板剪切残余强度在工程滑坡灾害的防护与治理实践提供参考。

1 试验方案设计

文章结合天津滨海地区实际工程项目，在现场成对设置原状取土孔和十字板剪切试验孔，对十字板剪切残余强度与含水率进行研究。详细方案如下：

第一步，在成对设置的原状取土孔中进行取土作业，取样间距为1.0m；取土作业完成后，在旁边进行十字板剪切原位试验，获得原状土的峰值强度、重塑土的峰值强度及原状土的残余强度，试验深度与取土深度相同。第二步，对采取的原状土样进行室内土工试验，获得土体的含水率、液限等常规物理指标。第三步，绘制十字板剪切强度与回转角的关系曲线，统计分析抗剪强度达到峰值时的回转角；对比分析原状土的峰值强度、重塑土的峰值强度及原状土的残余强度，并研究原状土的残余强度与标高的关系；对原状土残余强度与含水率进行回归分析，分析两者之间存在的规律。

2 实验设备

该次十字板剪切试验采用的仪器为钻机和机械式十字板剪切仪。十字板剪切仪主要包括钢环、十字板剪切板头、十字板转动装置装等部分，十字板剪切仪各主要部件尺寸如表1所示[3]。

表1 十字板剪切仪规格表 单位：mm

3 十字板剪切试验步骤

（1）通过钻机进行清孔，直到达到十字板剪切试验预定试验深度。（2）将钻杆和十字板板头连接紧固，然后下放至试验深度，调整测力装置和百分表，确保各部分连接无误。（3）转动转盘，速度控制在10s/转左右，每转动1圈，记录百分表读数1次，读数达到峰值后继续试验，直到转角达到90°为止，即原状土的峰值强度及残余强度试验完毕。（4）将十字板头和测力转动装置一起旋转6～8圈，使土体完全破坏，静置1min，让土体恢复，然后进行重塑土的抗剪强度测试，速度仍然控制在10s/转左右，每转动1圈，记录百分表读数1次，直到读数不再变化为止。（5）将十字板头上提5cm，进行轴杆试验，速度控制在10s/转左右，每转动1圈，记录百分表读数1次，直到读数不再变化为止。（6）重复上述（2）～（5）操作步骤，进行下一深度的试验，直到预定深度。

4 试验土层对象

该次试验对象为全新统中组海相沉积层（Q42m）中的淤泥及淤泥质黏土，该土层顶板标高一般为-1.0～-2.5m，底板标高一般为-12.0～-14.0m，厚度一般为10.0～12.0m，以流塑状态为主，含有机质。该层土的含水率、液塑限等物理指标如表2所示。

表2 淤泥质黏土的物理指标统计表

5 试验数据分析

5.1 十字板抗剪强度与转角的关系

文章共收集试验数据228组，绘制十字板剪切强度与回转角的过程曲线，其可分为3个部分，由于十字板剪切试验破坏过程曲线总体相似，因此文章选取典型十字板剪切试验进行分析。抗剪强度与回转角的关系曲线，如图1所示。

图1 抗剪强度Cu与回转角θ的关系曲线图

从图1可以看出，原状土的十字板剪切试验过程可以分为3个部分：a～b段曲线，随回转角增大，抗剪强度迅速增大，至b点抗剪强度达到最大值，相应于b点的抗剪强度为峰值强度；b～c段曲线，随回转角的继续增大，抗剪强度迅速减小；c点之后，随回转角的继续增大，抗剪强度变化较小并逐渐趋于稳定。重塑土的十字板剪切试验过程同样分为3个部分：a～d段曲线，随回转角增大，抗剪强度迅速增大，至d点抗剪强度达到最大值，相应于d点的抗剪强度为峰值强度；d～e段曲线，随回转角的继续增大，抗剪强度逐渐减小；e点之后，随回转角的继续增大，抗剪强度趋于稳定。

5.2 十字板抗剪峰值强度与转角的关系

对土体抗剪强度达到峰值时的回转角进行统计分析可以发现，土体抗剪强度达到峰值时回转角分布于19～40°，其中分布在22～33°的概率高达70%。

5.3 残余强度与标高的关系

绘制原状土峰值强度与标高的关系曲线、重塑土峰值强度与标高的关系曲线及原状土残余强度与标高的关系曲线，如图2所示。从图2可以看出，原状土峰值强度、原状土残余强度和重塑土峰值强度与标高之间均具有相同的变化规律，都是随着标高的减小，抗剪强度呈增大趋势；残余强度值介于原状土抗剪强度和重塑土抗剪强度之间。

图2 残余抗剪强度Cu与标高的关系曲线图

5.4 残余强度与含水率的关系

含水率是影响十字板剪切强度的重要因素之一，两者之间存在着密切的联系，对十字板剪切残余强度和含水率进行回归分析，建立两者之间的关系式，对于工程技术人员根据含水率来判断土体残余抗剪强度具有重要的现实意义。这也将大大调高工作效率，同时帮助工程技术人员更加准确了解土层的力学特性。天津滨海饱和软土残余强度与含水率的线性回归分析如图3所示。

图3 原状土十字板剪切残余强度Cu与含水率w的关系图

从图3可以看出，原状土残余强度与含水率之间具有较好的线性关系，残余强度随含水率的增大而减小。残余强度与含水率线性回归关系式如表3所示。从表3可以看出，相关系数为0.775，拟合程度较好。

表3 原状土十字板剪切残余强度与含水率之间的线性关系式

6 结束语

（1）十字板剪切试验过程中，转角在22～32°时达到峰值，而后逐渐降低，最终趋于稳定。（2）天津滨海软土的残余强度介于原状土抗剪强度与重塑土抗剪强度之间。（3）天津滨海软土的残余随深度增加而增加。（4）含水率位于37%～58%时，天津滨海饱和软土的残余强度与含水率呈线性关系，随着含水率的增大而减小。（5）十字板残余强度受地域影响较大。文章十字板剪切残余强度与含水率之间的关系适用于天津滨海地区，对于该区域以外地区的适用性需要进一步验证。