塑性指数计算公式IP=ωL（液限）-ωP（塑限）是表征细粒土物理性能一个重要特征，是液限与塑限的差值。塑性指数习惯上用不带%的数值表示。它是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。
资料扩展：可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，粘性土由一种状态过渡到另一种状态的分界含水量叫作界限含水量，也称为阿太堡界限，有缩限含水量、塑限含水量、液（流）限含水量、粘限含水量、浮限含水量五种，在建筑工程中常用前三种含水量。固态与半固态间的界限含水量称为缩限含水量，简称缩限，用ωS表示。半固态与可塑状态间的含水量称为塑限含水量，简称塑限，用ωP表示。可塑状态与流动状态间的含水量称为液（流）限含水量，简称液限，用ωL表示。含水量用百分数表示。
天然含水量大于液限时土体处于流动状态；天然含水量小于缩限时，土体处于固态；天然含水量大于缩限小于塑限时，土体处于半固态；天然含水量大于塑限小于液限时，土体处于可塑状态。
预制桩侧负摩阻力系数有何作用？预制桩侧负摩阻力系数的作用是计算桩的负摩擦力用的,因为桩侧的部分土层没有完全固结,当预制桩打桩完成后,土继续固结,但这时桩不再沉降,而土却沉降,从而土给桩一个负摩擦力,这就是负摩阻力系数的由来
桩侧负摩阻力是桩土之间的相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。
计算公式
桩侧负摩阻力对基桩而言是一种主动作用。多数学者认为桩侧负摩擦阻力的大小与桩侧土的有效应力有关，不同负摩阻力计算式中也多反映有效应力因素。大量实验与工程实测结果表明，以负摩阻力有效应力法计算较接近于实际。因此JGJ94-2008规范中规定如下有效应力法为负摩阻力计算方法。 q=ktgΦσ=ξσ
式中 q——第i层土桩侧负摩阻力标准值；
k——土的侧压力系数；
Φ——土的有效内摩擦角
σ——第i层土的平均竖向有效应力；
ξ——负摩阻力系数。
ξ与土的类别和状态有关，对于粗粒土，值随土的力度和密实度增加而增大；对于细粒土，则随土的塑性指数、孔隙比、饱和度增大而降低。
岩土物理力学性质试验2010年公路水运试验检测工程技术人员业务考试大纲
主题:2010年公路水运试验检测工程技术人员业务考试大纲
第一部分 总说明
公路工程试验检测人员考试，目的是科学、公开、公平、公正地考核公路工程试验检测人员的试验检测技术水平，提高士严检测队伍整体的基本素质和专业技术水平，确保公路工程试验检测工作质量。
本考试大纲对试验检测人员应具备的知识和能力划分了“了解”、 “熟悉”和“掌握”三个层次。
公路工程试验检测人员考试分为试验检测工程师和试验检测员两个等级。试验检测工程师考试科目分为《公共基础》科目和专业科目，试验检测员考试科目仅设专业科目。二者专业考试科目的设置和考试范围相同，考试内容的难易程度不同，试验检测工程师以考察掌握较强的理论知识和分析判断能力为主，试验检测员以应知应会的现场操作技能为主。考试方式实行计算机考试或纸质试卷考试的方式。
一、考试题型
考试题型共有四种形式：单选题、判断题、多选题和问答题，公共基础科目不设问答题。
⑴单选题：每道题目有四个备选项，要求参考人员通过对于题干的审查理解，从四个备选项中选出唯一的正确答案，每题1分。
⑵判断题：每道题目列出一个可能的事实，通过审题给出该事实是正确还是错误的判断，每题1分。
⑶多选题：每道题目所列备选项中，有两个或两个以上正确答案，每题2分。选项全部正确得满分，选项部分正确按比例得分，出现错误选项该题不得分。
⑷问答题：分为试验操作题、简答题、案例分析题和计算题等，每题10分。
二、科目设置
设置单选题30道、判断题、多选题20道，总计100分，60分合格，考试时间90分钟。
专业科目分为：《材料》、《公路》、《桥梁》、《隧道》、《交通安全设施》和《机电工程》。每套试卷设置单选题30道、判断题30道、多选题20道，问答题5道，总计150分，90分合格，考试时间150分钟。
三、考试内容参考比例
《公共基础》考试科目包括：法律法规20%、计量认证30%、试验检测基础知识50%。
《材料》考试科目包括：土工试验30%、集料10%、岩石5%、水泥及水泥混凝土20%、沥青及沥青混合料20%、无机结合稳定材料5%、钢材5%、土工合成材料5%。
《公路》考试科目包括：公路工程质量检验评定标准25%、沥青混合料与水泥混凝土20%、路面基层与基层材料20%、路基路面现场试验检测35%。
《桥梁》考试科目包括：桥梁工程原材料20%、桥梁工程基础30%、桥梁上部结构3%、桥梁荷载试验及状态监测20%。
《隧道》考试科目包括：隧道基本知识5%、超前支护10%、开挖10%、初期支护15%、防排水15%、施工监控量测15%、衬砌20%、隧道环境10%。
《交通安全设施》考试科目包括：基础知识10%、道路交通标志10%、道路交通标志反光膜10%、道路交通标线10%、道路交通标线涂料10%、公路安全护栏15%、隔离设施10%、防眩设施5%、突起路标5%、轮廓标5%、通信管道10%。
《机电工程》考试科目包括：基础知识25%、监控设施20%、通信设施20%、收费设施15%、低压配电设施5%、照明设施5%、隧道机电设施10%。
以上比例供应考者复习时参考，卷面无法按比例严格分布分数。
四、参考教材和参考资料
在各科目考试大纲中列出了有关考试参考书目，要特别强调的是当教材中的内容和现行标准规范相对应的内容不一致时，应以现行有效的行业及国家标准规范内容为准。
第二部分 试验检测人员考试大纲
第一章 《公共基础》
一、考试的目的与要求
本部分主要考查考生了解、熟悉河掌握公路水运工程试验检测工作中所涉及的政策及法律法规的理解能力、计量认证和试验检测技术与管理等方面的基础知识及其应用程度。
二、主要考试内容
一法律法规
了解：计量法、计量法实施细则、标准化法、产品质量法、建设工程质量管理条例、试验室资质认定评审准则、《公路水运工程试验检测管理办法》（交通部令[2005]12号）、贯彻实施《公路水运工程试验检测管理办法》的通知（交质监发[2005]547号）。
熟悉：计量法、标准化法、产品质量法、建设工程质量管理条例中有关产品质量监督检验及检测机构质量管理体系的条款；公路水运工程试验检测管理办法第四章中涉及检测机构和检测人员的条款；公路水运工程试验检测机构等级认定中现场评审的主要内容；检测标准的分类及使用原则。
掌握：检测机构等级、专业、类别的划分；等级证书的有效期；《公路水运工程试验检测管理办法》（交通部令[2005]12号）（第三章）中对试验检测活动的规定；检测人员等级、专业、类别的划分；取得公路水运试验检测工程师证书的条件和有效期；考试违规的处理；实验室管理制度、岗位基本职能。
二计量认证
了解：计量认证的基本概念；《检测和校准实验室能力的通用要求》（GB/T 15481—2000）的基本内容；测量不确定度的基本概念；通用计量术语。
熟悉：质量管理体系文件的内容和层次划分（质量程序、程序文件、其他质量文件）；法定计量单位的定义及我国法定计量单位的基本内容；量值测源的基本概念；样品管理及标准差异等管理的基本要求。
掌握：国际单位制（SI）量的名称、单位名称及单位符号；仪器设备管理、使用、维护的基本方法；原始记录的基本要求；监测报告的主要内容；计量认证（CMA）章的正确使用。
三试验检测基础知识
了解：误差、数值修约、抽样的基本概念。
熟悉：总体、样本、算术平均值、中位数、极差、标准偏差、变异系数、随机事件及其概率、正态分布的基本概念；测量数据常用的表达方式（表格法、图示法、经验公式法）；比对试验的基本概念。
掌握：数值运算法则及修约规则；测量误差的分类、来源及消除方法；抽样技术中批量、样本的基本概念；抽样检验的类型和评定方法、随机抽样的方法；检测事故的认定及基本处理程序；测量数据常用表达方法的内容。
三、主要参考书目
⒈中华人民共和国计量法（1985年9月6日 中华人民共和国主席令第28号）。
⒉中华人民共和国标准化法（1988年12月29日 中华人民共和国主席令第11号）。
⒊中华人民共和国产品质量法（2000年7月8日 中华人民共和国主席令第33号）。
⒋建设工程质量管理条例（2000年1月30日 国务院令[2000]第279号）。
⒌实验室资质认定评审条例（2006年7月27日 国家认监委 国认实函（2006）141号）。
⒍公路水运工程试验检测管理办法（2005年8月20日 交通部令[2005]第12号）。
⒎贯彻实施《公路水运工程试验检测管理办法》的通知（2005年11月18日 交通部 交质监发[2005]547号）。
⒏中华人民共和国国家标准．检测和校准实验室能力的通用要求（GB/T 15481—2000）．北京；中国标准出版社，2000。
⒐中华人民共和国国家标准．数值修约规则（GB 8170—87）．北京；中国标准出版社，1987。
⒑中华人民共和国国家标准．量和单位（GB 3100～3102—1993）．北京；中国标准出版社，1993。
⒒中华人民共和国法定计量单位（1984年2月27日国务院发布）。
⒓国家质量技术监督局．计量认证/审查认可（验收）评审准则宣贯指南．北京；中国计量出版社，2001。
⒔中华人民共和国计量法实施细则（1987年2月1日国家计量局发布）
⒕陈一梅．水运工程试验检测概论．北京；人民交通出版社，2000。
⒖张超，郑南翔，王建设．路基路面试验检测技术．北京；人民交通出版社，2004。
第二章 《材料》
一、试验检测工程师考试大纲
一考试目的与要求 略
二主要考试内容
⒈土工试验
⑴土的三相组成及物理性质指标换算
了解：土的形成过程。
熟悉：土的三相组成；土的物理性质指标及指标换算。
掌握：含水量试验；密度试验；相对密度试验。
⑵土的粒组划分及工程分类
了解：粒度、粒度成分及其表示方法；司笃克斯定律。
熟悉：土粒级配指标；Ca、Cc；土粒大小及粒组划分。
掌握：土的工程分类及命名（现行《公路土工试验规程》）；颗粒分析试验。
⑶土的相对密度及界限含水量
了解：天然稠度试验。
熟悉：相对密实度D1的基本概念及表达；黏性土的界限含水量（液限L、塑限p、缩限s）；塑性指数Ip、液性指数IL。
掌握：砂土相对密实度测试；界限含水量试验。
⑷土的动力特性与击实试验
了解：击实的工程意义；击实试验原理。
熟悉：土的击实特性；影响压实的因素。
掌握：击实试验。
⑸土体压缩性指标及强度指标
了解：压缩机理；有效应力原理；与强度有关的工程问题；三轴压缩试验；黄土湿陷试验。
熟悉：室内压缩试验与压缩性指标；先期固结压力pe与土层天然固结状态判断；强度指标c、；CBR的概念。
掌握：固结试验；直接剪切试验；无侧限抗压试验；承载比（CBR）试验；回弹模量试验。
⑹土的化学性质试验及水理性质试验
了解：膨胀试验；收缩试验；毛细管水上升高度试验。
掌握：酸碱度试验；烧失量试验；有机质含量试验；渗透试验。
⑺土样的采集及制备
了解：土样的采集、运输和保管。
掌握：土样和试样制备。
⒉集料
⑴粗集料基本概念
了解：集料的定义；标准筛的概念。
熟悉：集料划分方法；粗细集料最大粒径和公称最大粒径概念。
⑵粗集料密度
了解：粗集料（涉及石料和细集料）的各种密度定义。
熟悉：密度常用量纲；不同密度适用条件。
掌握：表观密度和毛体积密度的试验操作方法、结果计算。
⑶粗集料吸水性和耐候性
了解：吸水性和耐候性定义。
熟悉：砂石材料空隙率对耐候性的影响。
⑷粗集料颗粒形状
了解：针片状颗粒对集料应用所造成的影响。
熟悉：针对两种不同应用目的针片状颗粒的定义方法。
掌握：适用不同目的针片状颗粒检测操作方法以及影响试验的重要因素。
⑸粗集料力学性质
了解：各力学性质的定义及力学性质内容。
熟悉：每种力学性质试验结果计算及检测结果含义。
掌握：各项试验的操作内容、步骤及影响试验结果的关键因素；注意分别适用于水泥混凝土或沥青混合料粗集料时的各项试验操作方法上的特点和区别。
⑹粗集料压碎试验
了解：压碎试验的目的。
熟悉：两种适用不同范围压碎试验的操作区别。
掌握：压碎试验操作步骤。
⑺粗集料洛杉矶试验目的
了解：洛杉矶磨耗试验目的。
掌握：洛杉矶试验操作步骤，试验结果所表达的含义。
⑻粗集料道瑞磨耗试验和磨光试验
了解：二项试验的目的。
熟悉：道瑞磨耗试验和磨光试验结果的联系和区别；二项试验操作步骤和试验结果所表达的含义。
⑼粗集料化学性质
了解：石料或集料化学性质涉及的含义。
熟悉：化学（性质）组成与集料酸碱性之间的关系及其在水泥混凝土和沥青混合料应用过程中所带来的影响。
⑽粗集料的技术要求
熟悉：粗集料技术要求的主要内容。
⑾细集料（砂）的技术性质
了解：砂的技术性质涉及范围，级配的概念；砂中有害成分的类型及检测的基本方法。
熟悉：细集料筛分所涉及的几个概念及其相互关系；计算集料级配的方法。
掌握：细集料筛分试验的操作过程、影响试验准确性的各种因素，筛分结果的计算；细度模数的计算方法和含义，砂粗细程度的判定方法。
⑿砂的技术要求
了解：砂的技术要求。
⒀矿料级配
了解：级配曲线的绘制方法；级配范围的含义。
熟悉：矿料的级配类型；不同级配类型的特点。
掌握：合成满足矿料级配要求的操作方法——图解法。
⒊水泥及水泥混凝土
⑴水泥的基本概念
了解：常见五大水泥品种的定义、大致特点及适用范围；水泥的生产过程、掺加石膏及外掺剂的原因所在。
⑵水泥细度
了解：水泥细度大小对水泥性能的影响。
熟悉：表示水泥细度的概念——筛余量和表比面积。
掌握：筛析法检测水泥细度的操作方法和特点。
⑶水泥净浆标准稠度用水量
了解：水泥净浆稠度和标准稠度概念；确定水泥净浆标准稠度用水量的意义。
熟悉：两种标准稠度测定的方法——标准方法（维卡仪法）和代用法（试锥法）的试验原理；两种方法各自对标准稠度判断方法。
掌握：维卡仪法稠度测定方法；试锥法中调整用水量和固定用水量法的关系及操作步骤。
⑷水泥凝结时间
熟悉：水泥凝结时间的定义；凝结时间对工程的影响。
掌握：凝结时间测定的操作方法、注意事项。
⑸水泥安定性
熟悉：水泥安定性定义；安定性对工程质量的影响。
掌握：安定性测定的标准方法——雷氏夹法；代用法——试饼法。
⑹水泥力学性质
了解：水泥力学性质评价方法——水泥胶砂法。
熟悉：影响水泥力学强度形成的主要因素；抗压强度和抗折强度计算及结果数据处理。
掌握：水泥胶砂强度试验的操作步骤。
⑺水泥化学性质
了解：化学性质所涉及的内容，对水泥性能产生的影响。
熟悉：游离氧化镁和氧化钙对水泥安定性的影响及其评价思路。
⑻水泥技术标准和质量评定
了解：水泥技术标准的主要内容。
熟悉：与常规试验相关的物理力学指标；水泥强度等级的判定方法。
掌握：废品与不合格水泥的判定方法。
⑼水泥混凝土的基本概念
了解：混凝土材料组成；普通混凝土的概念。
⑽新拌水泥混凝土的工作性（和易性）
了解：维勃稠度试验方法。
熟悉：混凝土工作性的定义；坍落度试验的操作原理、试验过程中评定工作性的方法；影响混凝土工作性的因素。
掌握：坍落度试验操作步骤。
⑾水泥混凝土拌合物凝结时间
了解：混凝土凝结时间的检测方法、注意事项。
⑿硬化后水泥混凝土的力学强度
了解：混凝土强度等级确定依据；影响混凝土力学强度的各种因素。
熟悉：立方体、棱柱体混凝土试件成型方法，力学性能测试方法；混凝土强度质量评定方法。
掌握：抗压合抗弯强度试验操作步骤，结果计算以及数据处理。
⒀水泥混凝土配合比设计
熟悉：配合比设计要求及设计步骤。
掌握：设计过程中各个步骤的主要工作内容：
①初步配合比设计阶段：熟悉配制强度和设计强度相互间关系，水灰比计算方法，用水量、砂率查表方法，以及砂石材料计算方法。
②试验室配合比设计阶段：熟悉工作性检验方法，以及工作性的调整。
③基准配合比设计阶段：熟悉强度验证原理和密度修正方法。
④工地配合比设计阶段：熟悉根据工地现场砂石含水率进行配合比调整的方法。
⑤控制混凝土耐久性的关键。
⒋沥青和沥青混合料
⑴沥青材料基本概念
了解：沥青大致的分类；沥青的组分。
掌握：沥青适用性气候分区原则，分区方法。
⑵沥青针入度
了解：沥青黏滞性含义，针入度的含义及二者之间的关系；针入度指数的含义。
熟悉：影响沥青针入度的因素；针入度与沥青标号的关系。
掌握：沥青针入度试验操作方法。
⑶沥青软化点
了解：软化点所代表的沥青性质；软化点与沥青黏滞性的关系。
熟悉：影响软化点的因素。
掌握：软化点试验操作方法。
⑷沥青延度
了解：延度的含义。
熟悉：影响延度的因素。
掌握：延度试验的操作方法。
⑸沥青耐久性
了解：引起沥青老化的因素；现行规范评价老化的方法。
熟悉：老化的沥青三大指标的变化规律；经历老化后沥青抗老化能力评价方法。
掌握：沥青老化试验方法。
⑹沥青密度
熟悉：沥青密度检测方法。
⑺沥青腊含量
了解：腊含量试验操作过程。
熟悉：腊对沥青路用性能的影响。
⑻沥青技术要求
了解：沥青等级概念，不同等级沥青适用范围；沥青技术标准主要涵盖的内容。
熟悉：沥青标号的划分依据；不同标号沥青适用性的大致规律。
⑼其他沥青材料
了解：乳化沥青和改性沥青的定义及应用目的。
熟悉：沥青改性常用方法；SBS改性沥青的特点；乳化沥青的乳化原理。
⑽沥青混合料基本概念
了解：沥青混合料类型的划分；沥青混合料的结构类型及其特点。
⑾沥青混合料的高温稳定性
了解：沥青混合料的高温稳定性的含义；高温稳定性差时沥青混合料所反映出的问题。
熟悉：评价沥青混合料高温稳定性关键试验方法——车辙试验。
掌握：沥青混合料马歇尔试验方法。
⑿沥青混合料耐久性
熟悉：评价沥青混合料耐久性的指标——空隙率、饱和度、残留稳定度。
⒀沥青混合料其他性能
了解：沥青混合料低温抗裂性、抗滑性和施工和易性。
⒁沥青混合料技术要求
熟悉：沥青混合料各项技术指标定义、所代表的性能。
掌握：空隙率大小对混合料性能影响。
⒂沥青混合料马歇尔试验试件制作方法
了解：马歇尔试件组成材料计算方法；马歇尔沥青用量大致范围确定方法。
熟悉：沥青混合料中沥青用量表示方法；沥青含量和油石比的定义及二者之间的换算方法。
掌握：成型马歇尔试件温度要求，影响试件制备的关键因素；制作一个标准马歇尔试件所需拌和物用量计算方法。
⒃沥青混合料马歇尔试件密度检测
熟悉：马歇尔试件不同密度定义；常用密度检测方法；不同密度检测方法的适用性。
掌握：马歇尔试件毛体积密度和表观密度及理论密度试验操作过程。
⒄沥青混合料马歇尔稳定度试验
熟悉：稳定度和流值的含义；试验结果评定方法；影响试验结果因素的控制。
掌握：稳定度试验操作步骤。
⒅沥青混合料车辙试验
了解：车辙试验目的意义。
熟悉：车者试验操作方法、试验条件、结果所表示的含义。
⒆沥青与矿料黏附性试验
了解：影响沥青与矿料黏附性的因素。
熟悉：粗细粒径矿料的两种黏附性试验方法；试验结果的评定方法；黏附等级的划分。
掌握：水煮法与水侵法操作步骤。
⒇沥青含量试验
了解：几种常用沥青含量检测方法。
(21)沥青混合料配合比设计
了解：设计内容——选择适宜的矿料类型、确定最佳沥青用量。
熟悉：各组成材料的性质要求——适宜的沥青标号选择方法、粗集料级配及其与沥青黏附性改善方法；矿粉应用的目的及其基本性能要求；矿料设计中矿粉调整原则和调整方法；沥青混合料设计步骤——目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段、生产配合比设计验证阶段；沥青含量不同各个指标的变化规律，以及绘制与各指标关系曲线的方法；各指标随沥青含量增加时的变化规律，形成的原因；影响各指标的因素和调整思路。
掌握：最佳沥青用量OAC1和OAC2的确定方法，以及最终的OAC的确定方法。
⒌无机结合稳定材料
⑴无机结合料稳定材料技术要求
了解：水泥稳定类材料、石灰工业废渣类材料、石灰稳定类材料的常见类型、级配要求。
熟悉：公路路面基层、底基层材料的类型划分；水泥稳定类材料、石灰工业废渣类材料、石灰稳定类半刚性类材料的适用范围；总和稳定类材料技术要求。
掌握：石灰、粉煤灰的技术要求；水泥稳定类原材料（土、水泥、粒料）的技术要求；石灰稳定类原材料的技术要求；半刚性混合料的强度与压实度要求。
⑵无机结合料稳定材料组成设计方法
了解：水泥稳定类、石灰工业废渣类、石灰稳定土类混合料组成设计的一般规定；原材料试验方法。
熟悉：水泥稳定类、石灰工业废渣类、石灰稳定土类混合料组成设计的内容。
掌握：水泥稳定类混合料、石灰工业废渣类混合料、石灰稳定土类混合料设计步骤与要点。
⑶基层、底基层材料试验检测方法
熟悉：氧化钙和氧化镁含量测试方法目的与适用范围；石灰或水泥剂量测定方法的原理；EDTA滴定法的目的与适用范围、所使用的试剂、试验步骤；烘干法测定无机结合料稳定土含水量的试验目的、适用范围和试验步骤；顶面法测定室内抗压回弹模量的试验步骤。
掌握：氧化钙和氧化镁含量测试步骤；EDTA测定法标准曲线的制作；烘干法测定无机结合料稳定土含水量的计算；击实试验步骤、要点与计算；无侧限抗压强度试验试件的制备、养生、强度测试及其要求。
⒍钢材
了解：钢材的种类以及用途。
熟悉：普通钢筋的主要力学性能指标。
掌握：普通钢筋的力学性能测试——屈服强度、极限强度、延伸率和冷弯性能试验操作。
⒎石料
了解：桥涵工程所用石料的种类以及用途。
熟悉：石料的技术标准、技术等级划分。
掌握：石料的力学性能——饱和抗压强度、洛杉矶磨耗试验方法。
⒏土工合成材料
了解：公路工程对土工织物及相关产品要求；土工合成材料的适用范围。
熟悉：土工织物及相关产品的质量要求；单位面积质量、厚度、渗透性、孔径、拉伸率、拉伸强度、抗滑性等；土工织物及相关产品的性能及质量检测试验；土工织物厚度测定、单位面积质量测定、垂直渗透试验、孔径测定、拉伸试验、直剪摩擦试验。
掌握：相关标准对土工合成材料的规定、试验方法并熟练操作；影响试验的主要因素及试验注意事项。
影响十字板剪切测试成果精度的主要因素4121 土样直接剪切试验
土的抗剪强度是土在外力作用下其一部分土体对于另外一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。测定土的抗剪强度可以提供计算地基强度和地基稳定性用的基本指标，即土的粘聚力和内摩擦角。土的内摩擦角和粘聚力与抗剪强度之间的关系由库仑公式表示:
τ=σ·tanφ+c (4-1)
式中:τ——抗剪强度，(kPa);
σ——为正应力，(kPa);
φ——内摩擦角，(°);
c——黏聚力，(kPa)。
直接对试样施加剪力的设备叫直剪仪，常用的直剪仪根据施加剪应力的特点分为应力控制式和应变控制式两种。应力控制式是分级施加等量水平剪力于土样使之受剪;应变控制式是等速推动剪切容器使土样受剪。以应变式最为常用。试样置于上下盒之间，在试样上先施加预定的法向压力，然后以一定速率分级施加水平力对试样施加剪力，可借助于与上盒相接触的量力环的变形或以所加水平力与杠杆力臂比关系确定。为求得的抗剪强度参数(c，φ)，一般至少用四五个试样，以同样的方法分别在不同的法向压力σ1，σ2，σ3……的作用下测出相应的τf1，τf2，τf3……的值，根据这些σ，τf值，即可在直角坐标中绘出抗剪强度曲线。
为近似模拟现场土体的剪切条件，按照剪切前的固结过程、剪切时的排水条件以及加荷快慢情况，将直剪试验分为:快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。
应变控制式直剪仪见图4-1，仪器的主要部件剪切容器是由固定的上盒和活动的下盒(应变式)或固定的下盒与活动的上盒(应力式)等部件组成。其中环刀:内径618mm，高20mm。位移量测设备，百分表和传感器，百分表量程应为10mm，分度值001mm，传感器的精度应为零级。
图4-1 应变控制式直剪仪
通过对工程地质勘察钻孔分析，针对粉土、粉质黏土分别进行直剪试验。将每一级压力下的试验结果绘制成剪应力τ和剪切变形s的关系曲线如图4 2，一般将曲线的峰值作为该级法向应力下相应的抗剪强度τf。
图4-2 剪应力-剪变形关系曲线
图4-3 峰值强度和残余强度曲线
变换几种法向应力σ的大小，测出相应的抗剪强度τf。在σ-τ坐标上，绘制曲线，即为土的抗剪强度曲线，也就是莫尔 库伦破坏包线，如图4-3所示。
直线交τf轴的截距即为土的粘聚力c，直线倾斜角即为土的内摩擦角φ，相关直线可用图解法或最小二乘法确定。直接剪切试验的结果用总应力法按库仑公式τ=σ·tanφ+c，计算抗剪强度指标。
试验对于砂土而言，τf与σ的关系曲线是通过原点的，而且，它是与横坐标轴呈φ角的一条直线。该直线方程为:τf=σ·tanφ
式中:τf——砂土的抗剪强度，(kPa);
σ——砂土试样所受的法向应力，(kPa);
φ——砂土的内摩擦角，(°)。
对于黏性土和粉土而言，τf与σ之间的关系基本上仍呈一条直线，但是，该直线并不通过原点，而是与纵坐标轴形成一截距c，其方程为:τ=σ·tanφ+c
式中:c——黏性土或粉土的粘聚力，(kPa)。
由上式可以看出，砂土的抗剪强度是由法向应力产生的内摩擦力σ·tanφ(tanφ称为内摩擦系数)形成的;而黏性土和粉土的抗剪强度则是由内摩擦力和粘聚力形成的。在法向应力σ一定的条件下，c和φ值愈大，抗剪强度τf愈大，所以，称c和φ为土的抗剪强度指标，可以通过试验测定。
计算公式:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
4122 煤岩样直接剪切试验
煤岩试块直接剪切试验采用岩石直剪仪进行。其法向为与剪切力范围均应满足煤岩体赋存情况与煤岩强度上限的要求。
(1)试样制备
1、)岩块试样
① 试样可用立方体(剪切面积为5cm×5cm～20cm×20cm)，或高度等于直径的圆柱体(直径＞5cm);
② 试样应用有足够刚度的钢外框包裹。试样与外框之间应贴实;
③ 测定饱和剪切强度时，应事先将试块按规定要求进行饱和。
2、)具有软弱结构面的试样
① 试样应尽量保持原状结构，防止结构面被扰动;
② 试样断面尺寸按同岩块试样尺寸，结构面保持在试样高度中部;
③ 对天然含水量的试样，在试样制备过程中应尽量减少含水量的损失。试样需进行饱和时，应按《土工试验方法标准》GB/T50123[41]规定要求进行饱和。
(2)试样数量
一组试样不得少于5个，一般应多制备1、2个样。
(3)试样描述
实验前，应对下列内容进行描述。
① 岩煤名称、组织结构、胶结物质和风化程度;
② 层理、片理和节理裂隙的发育程度及其与受剪方向的关系;
③ 结构面的填充物质和填充程度以及试样采取和制备过程中的扰动情况;
④ 测量试样尺寸，对试样进行素描或拍照。
(4)仪器设备
制备试样设备、饱和样品设备、测量试样尺寸量具、岩石直剪仪、测量法向和切向位移仪表、测量法向应力和剪切应力仪表，建议采用连续自动记录仪器。
(5)测试步骤
1、)将试样至于直剪仪上，试样的受剪方向应与设计方向一致;
2、)安装法向和剪切方向的加荷系统时，应保证法向力和剪切向力的合力通过剪切面的中点;
3、)安装测量法向和切向位移的仪表时，测杆的支点应设置在剪切变形影响范围之外，测杆和表架应有足够的刚度;
4、)所选择的法向应力，除充填夹泥的结构面测定外，一般应不小于实际应力。对于充填夹泥的结构面测定，法向应力的选择，以不挤出夹泥为原则;
5、)试样上的法向应力在设计的正应力区间内分4个等级选择对应整数值施加;
6、)法向荷载分4、5次施加，每5min加荷一次，加荷前后读取垂直变形，达到预定荷载之后，观测变形，直到相对稳定时能施加剪切荷载;
垂直变形相对稳定的标准应符合下列要求:
① 对于不夹泥的结构面和岩样的测定，5min的读数不超过001mm;
② 对于充填低塑性夹泥的结构面和煤样测定，10min的读数不超过005mm;
③ 对于充填高塑性夹泥的结构面和煤样测定，15min的读数不超过005mm。
7、)剪切荷载的施加应符合下列要求:
① 剪切荷载分级施加，除低塑性和高塑性夹泥结构面试验分别采用预估最大剪切荷载的5%和10%进行施加外，其余试验按预估最大剪切荷载的8%～10%施加;
② 施加的剪切荷载引起的剪切变形超过前一级剪切荷载变形值的15倍时，剪切荷载减半施加，即分别按预估的最大剪切荷载的25%、5%以及4%～5%施加;
③ 剪切荷载的施加采用时间控制，即每5min加荷一次，并记录加荷前后的剪切向和法向位移值;
④ 试样剪断后，继续施加剪切荷载使剪应力下降到接近某一常数值，记录剪应力值;
⑤ 如需进行摩擦试验，则调整剪切位移仪表，在同级法向应力下，按上述方法进行摩擦试验;
⑥ 必要时可改变法向应力进行单点摩擦试验;
⑦ 在剪切过程中，宜用稳压装置使法向应力保持恒定，无稳压装置又遇到升压或退压情况时，要及时手动调整。
8、)测定结束后，拆除仪表、翻转试样，取样按《土工试验方法标准》GB/T50123[41]规定测定含水率，并对剪切面进行如下描述:
① 岩样破坏状态是否沿预定剪切面破坏，当不满足测定设计方案要求时，测定数据无效;
② 测定剪切面的起伏差，绘制沿剪切方向的断面高度的变化曲线;
③ 对剪切面进行素描和拍照，记述节理裂隙与剪切面的关系，测量剪断面积;
④ 对于充填夹泥的结构面，必要时记述夹泥性质、厚度。
(6)煤岩样测定数据记录与整理
1、)按式(4-3)、(4-4)计算各级荷载下的法向应力和剪应力:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:σ——作用于剪切面上的法向应力，(MPa);
τ——作用于剪切面上的剪应力，(MPa);
P——作用于剪切面上的总法向荷载，包括施加的荷载、设备质量，(kN);
Q——作用于剪切面上的剪切荷载(应扣除滚轴排摩擦阻力)，(kN);
A——实测剪切面积，(cm2)。
2、)绘制剪应力与法向位移、剪应力与剪切位移的关系曲线。其中剪切位移取所有测量仪表的平均值，法向位移的前后端测量仪表应取平均值。
3、)根据上述曲线，确定峰值和残余强度值，以及比例极限、屈服极限等。
4、)绘制各剪切阶段的剪应力和法向应力关系曲线，按库伦表达式确定相应的摩擦系数和粘聚力。
4123 三轴剪切试验
三轴压缩剪切试验是测定土与软弱岩土的抗剪强度的一种方法。它通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力(σ3)下，施加轴向压力，即主应力差(σ1-σ3)，进行压缩剪切直到破坏;然后根据 Mohr Coulomb理论，求得抗剪强度参数。[40]
试验采用全自动应变控制式三轴仪见图4-4，有反压力控制系统、周围压力控制系统、压力室、孔隙压力测量系统、数据采集系统及试验机等。
图4-4 全自动应变控制式三轴仪
本试验分为不固结不排水剪(UU);固结不排水剪(CU或 )和固结排水剪(CD)等
3、种试验类型。一般试验采用的是固结排水剪(CD)。
三轴剪切试验的原理是在圆柱形试样上施加最大主应力(轴向压力)σ1和最小主应力(周围压力)σ3。固定其中之一(一般是σ3)不变，改变另一个主应力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪坏，由此求出土的抗剪强度。
试验时，将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力室内的底座上。先向压力室内注入液体(一般为水)，使试样受到周围压力σ3，并使σ3在试验过程中保持不变。然后在压力室上端的活塞杆上施加垂直压力直至土样受剪破坏。
设土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δσ1，则土样上的最大主应力为σ1=σ3+Δσ1，而最小主应力为σ3。由σ1和σ3可绘制出一个莫尔圆。
按上述方法进行试验，对每个土样施加不同的周围压力σ3，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力σ1，将这些结果绘成一组莫尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c、φ值。
图4-5 三轴剪切试验基本原理
将同一土样在不同应力条件下所测得的不少于2次的三轴剪切试样结果，分别绘制应力圆，从这些应力圆的包线即可求出抗剪强度指标。至于煤岩试块的三轴压缩试验，则需采用专门的岩石三轴仪进行压缩(剪切)试验以求取煤岩的三轴抗剪强度指标。
4124 单轴抗压强度试验
煤岩单轴抗压强度的测定，一般是采用直接压坏标准试件的方法。应用材料试验机对标准试样进行抗压强度试验;如图4-6所示。采用圆柱体标准试样，直径为5cm，允许变化范围为48～42cm;高度为10cm，允许变化范围为95～105cm。当缺乏圆柱体制样设备时，允许采用5cm×5cm×10cm的方柱体。试样数量:试样数量按要求的受力状态或含水状态确定，每种情况下式样的数量一般不小于3块。
图4-6 煤岩单轴压缩试验原理图
煤岩单轴受压至破坏时的最大压应力值称单轴抗压强度，简称抗压强度，以R表示，
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:R——试件单向抗压强度，(kPa);
P——试件破坏载荷，(kN);
F——试件初始断面积，(cm2)。
4125 抗拉强度试验
应用材料试验机，对标准试件采用直接拉伸法或间接法(劈裂法和点荷载)测定煤岩单向抗拉强度;如图4-7所示。以间接法劈裂法为例测试煤岩单向抗拉强度，试件规格:标准试件采用圆盘形 直径，厚25±02cm，也可采用5cm×5cm×10cm(公差±02)的长方形试件。
图4-7 煤岩抗拉强度试验
(1)试件单向抗拉强度用RL表示，
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:RL——试件单向抗拉强度，(kPa);
P——试件破坏载荷，(kN);
D——试件直径，(cm);
L——试件厚度，(cm)。
注:用方形试件时，D为试件高度。
(2)采用算术平均值计算并确定抗拉强度。计算结果取2位有效数字。
4126 固结压缩试验
应用固结仪:由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成(图4-8)。测定土的压缩系数av，用以计算压缩模量Es。本试验方法适用于饱和黏土。当只进行压缩时，允许用于非饱和土。
饱和土体受到外力作用后，孔隙中部分水逐渐从土体中排出，土中孔隙水压力逐渐减小，作用在土骨架上的有效应力逐渐增加，土体积随之压缩，直到变形达到稳定为止。土体这一压缩变形的全过程，称为固结。固结过程的快慢取决于土中水排出的速率，它是时间的函数。而非饱和土体在外力作用下的变形，通常是由孔隙中气体排出或压缩所引起，主要取决于有效应力的改变。
固结试验就是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格土样，然后在侧限与轴向排水条件下测定土在不同荷载下的压缩变形，且试样在每级压力下的固结稳定时间为24h。
固结试验主要用于测定饱和土的压缩系数、体积压缩系数、压缩模量和回弹指数等。
某一压力范围内的压缩系数，应按下式计算:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:av——压缩系数，(MPa-1);
pi——某级压力值，(MPa)。
图4-8 固结仪
某一压力范围内的压缩模量，应按下式计算:
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式中:Es——某压力范围内的压缩模量，(MPa)。
固结系数可按时间平方根法或时间对数法确定
4127 含水率试验
岩土含水率试验用于测定岩土在天然状态下的含水。岩土的含水率可间接地反映岩土中孔隙的多少、岩土的致密程度等特性。
试验采用烘干法。岩土烘干温度为105～110℃。
含水量是指岩土样在105～110℃温度下烘干至恒重时所失去的水分质量与烘干质量的比值，用百分数表示为:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:w——岩土含水率，(%);
m0——称量盒的干燥质量，(g);
m1——试样烘干前的质量与干燥称量盒的质量之和，(g);
m2——试样烘干后的质量与干燥称量盒的质量之和，(g)。
土样在105～110℃温度下加热，土中自由水会变成气体挥发，土恒重后，即可认为是干土质量m2-m0，挥发掉的水分质量为水重m1-m2。
4128 密度试验
岩石块体密度是选择建筑材料、研究岩石风化、评价地基基础工程岩体稳定性及确定围岩压力等必须的计算指标。
密度测定采用量积法、水中称量法或蜡封法。试件尺寸应大于岩石最大颗粒的10倍，试件可采用圆柱体、方柱体或立方体，蜡封法采用边长40mm～60mm的浑圆状岩块。每组试件不少于3～5个。
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:ρ——试件密度，(g/cm2);
M——岩样质量，(g);
A——试件;
H——试件高度，(cm)。
4129 比重试验
定义比重为土在100～105℃下烘干至恒值时的质量与同体积4℃纯水质量的比值。一般采用比重瓶法。按下式计算:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:Gs——土粒比重;
m1——瓶、水总质量，(g);
m2——瓶、水、土总质量，(g);
Gwt——T℃时纯水的比重。
根据以上三项试验成果，可以计算干密度ρd、孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr、饱和含水量wmax，按下式计算:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:ρw——纯水在T℃时的密度，(g/cm3);其他指标同上述，含水量w值以小数代入公式。
41210 界限含水量试验[41]
界限含水量试验，可测定液限WL、塑限WP，并计算得到液性指数IL、塑性指数IP。
采用光电式液塑限联合测定仪。用76g圆锥仪测定在5s时土在不同含水量时圆锥下沉深度，在双对数坐标纸绘制圆锥下沉深度和含水量的关系曲线。在直线上查得圆锥下沉深度为17mm处的相应含水量为17mm液限(WL17)，下沉深度为10mm处的相应含水量为10mm液限(WL10)，查得下沉深度为2mm所对应得含水量为塑限(WP)，以百分数表示，准确至01%。
塑性指数IP，液性指数IL按下式计算:
IP=WL-WP(4-12)
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:W、WL、WP分别为天然含水率、液限及塑限。
分别按17mm液限(WL17)、10mm液限(WL10)计算塑性指数IP17、IP10、IL17、IL10。41211 软弱岩土流变试验
(1)岩土的流变性能
许多滑坡地质灾害发生的实例和研究表明:边坡岩体中的软弱夹层往往是对边坡稳定与变形直至发生滑坡起着控制作用的岩土，它的试验研究包含二个重要方面:一是强度大小，二是变形特征。除了研究软弱岩土在瞬时应力作用下岩石的破坏特征和强度外，还必须研究岩土特别是对边坡稳定起控制作用的软弱夹层岩土的流变特性(蠕变)，因此需对边坡稳定起控制作用的软弱岩土测定岩土的流变强度—长期强度及有关流变(蠕变)参数。
在岩体上施加某一荷重后，岩体将产生瞬时的弹性变形，在温度不变的情况下，如果保持这一荷重为定值，其变形将随时间的延长而增长，这就是岩体的流变现象。对于时间效应明显的露天煤矿边坡及顺层岩体边坡软弱岩体，其长期强度是非常重要的。
岩土的流变性能主要包括四个方面:
① 蠕变特性—在荷重作用下，应变ε随时间t而逐渐增长的现象;
② 松弛特性—当应变ε一定时，应力σ随时间t而逐渐减小的现象:
③流动特性—当时间一定时，应变速率 与应力σ的关系;
④ 长期强度—在一定时间内，强度τ与时间t的关系。
典型的岩土蠕变分为三阶段，见图4 9所示:[42]
图4-9 典型蠕变三阶段曲线
1、)初始蠕变，开始时蠕变速度较快，然后过渡到一恒定蠕变区。图中0-A段为初始蠕变阶段。
2、)稳定蠕变，如图H-B段，在该区内，蠕变呈恒速增长，此时蠕变速度较小并不发生破坏。
3、)加速蠕变，当达到一定的时间后，变形超过恒定蠕变区，则急剧增加，直至破坏，即图中B-C段。
当应力较小时，无论多长时间都不会发生加速蠕变，这样的蠕变为稳定蠕变;但当应力达到一定值，蠕变将进入加速蠕变区，这样的蠕变为不稳定蠕变，由二区进入三区的临界值，就是我们所要测定的岩土的长期强度-流变强度。
(2)直剪流变试验
流变试验设备:对于土或软弱夹层中的泥化夹层，可以选用直剪流变试验仪或采用四台等应力直剪仪，直接在恒温恒湿、防扰动的环境里(如地下室)进行流变试验。对于硬岩或较硬岩石，则选用岩石剪切流变仪，这是一种中型直剪流变仪，适用于岩石、混凝土快剪及流变试验。该机水平最大剪力可达1000kN，垂直压力达400kN，水平和垂向最大行程50mm，试样尺寸三种规格:100mm×100mm×95mm，150mm×150mm×145mm、200mm×200mm×195mm，稳压系统由电动泵、蓄能器、充油阀、稳压阀、压力指示表等组成，能对水平压力(稳压范围40Pa～320×105Pa)和垂直压力下(稳压范围35Pa～260×105Pa)试件进行长期稳压，以进行各种要求的流变试验。
试验方法主要介绍最常用的软弱岩土的直剪流变试验方法。
首先对试验岩土进行快剪试验，取得不同法向力级的剪应力破坏值σi和τi，然后按下式确定流变试验相对应正压力和剪切荷载等级梯度:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:τ0i为对应不同法向力σi的剪切等级剪应力，(kPa);τi为对应不同法向力σi下的快剪强度，(kPa);K为土岩介质性质系数，一般取K=05～085;n为流变试验线性范围分级数n=4～6。
一般按4级(i=4)正应力进行，正应力大小可根据土岩赋存深度或土岩强度确定，然后按上述得出的流变试验方案由小到大(τ0i)分级进行。每一级剪力维持一周，每天测取蠕变变形量，得出每一级σi和τ0i下的剪切蠕变变形γ-时间t关系曲线，n周之后可得4组(i=4)剪切蠕变变形γ—t数据，在试验过程中要根据试验结果(主要是变形情况)对τ0i进行适当调整。一般至最后一级τ0i时试样均能发生破坏。一组4个试样，试验历时2个月以上。
根据4组γ-t数据，采用应变叠加原理可以绘制不同正应力σi下的4组剪应力τ-剪切应变γ的叠加曲线，见图4-10～图4-13;根据叠加曲线绘制各种时间的剪应力τ与剪应变γ等时线簇，见图4-14～图4-16。
图4-10 剪应变叠加曲线σ=50kPa
图4-11 剪应变叠加曲线σ=100kPa
由以上两套图可以看出:如施加的剪应力τ＜τ∞，γt曲线呈示a型，呈趋稳定性蠕变;而当τ＞τ∞时，曲线呈b型，即经减速、等速、加速三个阶段发展至破坏—即非稳定蠕变:c型属于过渡型。剪应力等级分得越细，试验时间愈长，则试验成果的精度愈高。但一般受时间限制，剪应力分4、5级。时间每一等级试验(稳压)七天就基本可以满足边坡软岩流变试验的要求。
图4-12 剪应变叠加曲线σ=150kPa
图4-13 剪应变叠加曲线σ=200kPa
图4-14 剪应力—剪应变等时线簇σ=50kPa
图4-15 剪应力—剪应变等时线簇σ=100kPa
图4-16 剪应力—剪应变等时线簇σ=150kPa
根据叠加曲线及等时线簇，绘制剪切模量G与时间t的关系曲线。剪切模量G=τ/γ，即剪应力与剪应变关系曲线的斜率。不同的剪切历时有不同的剪切模量。一般来说，它是随着剪切历时的增长而降低它描述了土骨架在剪应力作用下粘滞流动的时间效应，是表征夹层流变性质的重要参数之一，见图4-17、图4-18所示。
据这两组曲线，还可绘制以剪切速率(γ=dγ/dt)为纵坐标，以剪应力(τ)为横坐标的流动曲线，它表明了在一定含水量和一定密度状态下，剪切速度—剪应力的关系，根据此曲线可以计算出软弱夹层的粘滞系数η和松弛周期M。流动曲线见图4-19所示。
图4-17 剪应力—剪应变等时线簇σ=200kPa
图4-18 剪切模量—剪切历时关系曲线
图4-19 流动曲线-(剪切变形速率—剪应力)
根据以上流变试验曲线和流变理论，可以确定软弱夹层的流变特性参数。
(3)软弱夹层蠕变模型
根据软弱岩层的稳定蠕变和非稳定蠕变两种类型，分别建立蠕变模型。
1、)稳定蠕变模型
当剪应力τ小于其长期强度τ∞时，整个蠕变过程包括以下几个阶段:瞬时应变、初始蠕变、稳定蠕变。瞬时应变后，进入初始蠕变阶段，应变速率由大逐渐变小，而后过渡到稳定蠕变阶段，当t→∞时，应变量最终趋于一稳定值，稳定蠕变过程不会过渡到加速蠕变过程，因此不会影响边坡的稳定和安全，其蠕变方程为:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:G0——瞬时剪切模量，(kPa);
τ——剪应力，小于τ∞，(kPa);
G∞——长期剪切模量，(kPa);
η1——蠕变初始段的粘滞系数，(kPa·h);
t1——蠕变初始段时间，(h);
t2——t1至某一时间或t1至无穷大t∞的时间。67
因为整个蠕变曲线是连续的，所以从初始段向稳定段过渡时，其应变速率应相等，因而对上述方程求导数可求得由初始蠕变向稳定段过渡的时间t1，或者从试验曲线判断t1，平衡方程为下式:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
这种稳定蠕变模型可采用修正凯尔文模型表征其应力—应变—时间关系。
2、)非稳定蠕变模型
当剪应力τ大于长期强度τ∞时，整个蠕变过程包括以下几个阶段:瞬时应变γ0，初始蠕变γ1，等速蠕变γ2，加速蠕变γ3，直至岩体破坏，其蠕变方程如下:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:G′0——τ大于τ∞后的瞬时剪切模量，(kPa);
G′∞——τ大于τ∞后的长期剪切模量，(kPa);
η′1——τ大于τ∞后的初始段粘滞系数，(kPa·h);
η′2——τ大于τ∞后的等速段粘滞系数，(kPa·h);
η3——加速段的粘滞系数，(kPa·h);
t1——初始蠕变段时间，(h);
t2——等速蠕变段时间，(h);
t3——加速蠕变段时间，(h)。
当τ＞τ∞时，在初始蠕变之后出现等速蠕变，这时应在凯尔文模型后串联-宾哈姆体。等速段向加速段的转化，主要决定于应变量的积累，当应变达到一定值γ2时，进入加速蠕变，粘滞系数η3随时间不断减少，可以用一变η3牛顿粘筒表示。在蠕变过程中，可使蠕变由速率最小的γmin逐渐增大，直至破坏。
由于等速蠕变转化为加速蠕变，主要靠应变控制，故为非稳定蠕变的模型，它与上述的蠕变方程是对应的，这与中科院地质所长春地质学院对泥化夹层蠕变模型的研究成果是一致的。
由蠕变τ-γ曲线可以看出，当τ＞τ∞之后，曲线斜率有变化，说明G和η有变化，公式中的G0′、G′∞，η值均应用超过τ∞以上的数值。
煤矿露天井工联合开采理论与实践
蠕变破坏时间根据室内试验或现场观测资料，用经验公式来估算，法恩依据室内试验资料建议的经验公式为:
lntr=075-092lnξmin (4-19)
式中:tr——从蠕变开始计算的破坏时间;
ξmin——最小蠕变速率(等速段应变速率)。
如果在边坡岩体等速蠕变段不采取任何措施，如疏干排水，减重、加固支挡等，那么等速段的发展，必然导致加速段的出现，这表明岩层结构遭到破坏，边坡将很快失稳破坏。
加速段的应变增量为:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
η3是一个变量，与应变速率、蠕变积累量和蠕变时间有关，目前还难以由理论分析确定，只能通过试验资料分析确定，但这次仍未观察到由等速段到加速段全过程的试验资料，因而难以由试验资料确定。斋腾通过室内试验的分析，得出加速段的应变用下式表达:
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式中:A——试验常数;
tr——等速段开始至蠕变破坏时间;
t2——加速段开始的时间;
t——加速段蠕变延续时间;
t′r——加速段开始至蠕变破坏时间。
法恩建议的应变速率开始增加至破坏时间的时间间距经验公式为:
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式中:ttr——由t开始到达破坏所需时间;
ξ——应变速率开始增加时的应变速率。
加速段的变形量γ为:
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式中:d——试验常数，由试验数据求出，
这样，当τ＞τ∞时，整个蠕变方程也可写为:
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根据蠕变方程，可以用来估算蠕变过程的总变形量，从而进一步推断破坏时间。
请问有谁知道建筑物的地基承重能力怎么算？在十字板剪切试验方法及成果计算公式的推导中，都做了一些人为的规定和假设。在将土的十字板抗剪强度成果应用于工程前，必须对这些规定和假设对测试成果精度的影响加以分析、判断。
1、十字板头的旋转速率
测试实践表明，旋转速率对测试结果影响很大。剪切（旋转）速率越大，抗剪强度也越大，反之亦反。因此，应该规定一个统一的旋转速率。目前，国内、外大多采用1°/10s的旋转速率。对于一般软粘土，其最大抗剪强度多出现在十字板旋转角度为20°—30°之间，所用时间相应为3—5min，基本上属于不排水剪切试验，所求出的抗剪强度为不排水抗剪强度。采用1°/10s的理由，有人认为是：
①人工操作的旋转速率下限大体为1°/10s；
②实际工程的加荷速率很小，几乎近于零，而1°/10s时测得的强度值比加荷速率近于零时的值相差不超过5%；
③与其它室内剪切试验采用的应变速率比较接近。在扭剪速率为6°—12°/min时，其结果差别很小；如扭剪速率变化过大，则有很大影响。
2、土的各向异性
土的各向异性主要是由土层的成层性和土中应力状态不同引起的。在推求土的十字板抗剪强度的公式中，假定破坏圆柱体侧面和顶底面的土的抗剪强度相等，但实际上是不相等的。有人曾利用不同的D/H的十字板剪切仪测定饱和粘性土的抗剪强度，结果表明：对于正常的固结饱和粘性土，Cv/CH=05—067；对于稍超固结的软粘土，Cv/CH=09。这一结果说明，天然土层的抗剪强度是非等向的。Cv/CH＜1，主要是由于水平面上的固结压力大于侧向固结压力的缘故。另外，圆柱体端面剪应力和侧面剪应力常常不能同时达到峰值。
当十字板头叶片为三角形时，则可求出不同方向上的土的抗剪强度。
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：Cβ——与水平面成β角斜面上的抗剪强度（kPa）;
L——三角形边长（cm）；
β——三角形板头的三角形边与水平面夹角。
3、十字板头规格等
十字板头规格指的是十字板的形状、板厚及轴杆直径。从（6—4）式可知，D、H、D1都对总扭矩有影响。目前，国际上十字板形状有矩形和菱形两种，矩形又分为高矩形和矮矩形。美国ASTMD257-372推荐的野外十字板头规格如表6—3示。
板厚与轴杆直径越大，插入时对土的扰动程度也越大，测得的抗剪强度Cu值就愈小。英国BS1377（1975）规定，十字板的面积比A不能大于12%。
土体原位测试机理、方法及其工程应用
表6—3 推荐十字板头规格（美国）
注：十字板规格的选择与所试验土层的强度有直接关系。对较软的土，十字板直径较大。
另外，使用受损的和强度较低的板头都会使土的扰动程度加大。因此，十字板和轴杆都应用高强度钢制造。
我国规程规定，75×150mm规格的十字板，厚3mm;50mm×100mm的十字板，厚2mm；轴杆直径分别为16mm和13mm。
十字板插入土中总会引起土的扰动，这个因素在分析成果时应予考虑。十字板头插入土中后到试验开始前的延续时间对试验结果也有明显的影响。Aas（1965）曾报道在挪威某些海相粘土中的试验结果，延续一天，Cu值将增大20%—50%。因此，延续时间应有统一规定。
电测式十字板的传感器是仪器的关键部件。除材料选用、贴片技术和防潮工艺都应按要求严格选定和操作外，由十字板头引出的电缆接头，也应用涤纶绝缘胶带封缠，以达防水目的。在做重塑试验时，要防止因电缆被拧断或破裂而渗水。绝缘不好或渗水，都会使测试失败。由于是长时间在饱水粘性土中测试，故要经常注意和检查传感器和电缆的绝缘性。
4、排水条件
十字板剪切测试测定的成果是土的不排水抗剪强度，相当于土的内摩擦角Φ＝0时的内聚力C值。存松井等人（1981）认为，在十字板扭转时，排水条件可由下式判断：
土体原位测试机理、方法及其工程应用
式中：T——时间因数；
tf——土剪切破坏时所需时间；
其它符号意义同前。
满足上式即为不排水条件。对高岭石粘土，当十字板转速大于每秒一度时为不排水条件。但实际操作规定，以每10s一度的速率旋转，一般认为已有部分排水，所测Cu值偏大。另外，由于粘性土的粘结性，十字板剪切时的破坏面较计算者为大，相应的扭矩也将增大，也导致Cu值偏大。鉴于上述原因，将十字板抗剪强度值应用于实际工程时，应予修正。贝仑（1973）所修正式为：
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式中，μ为修正系数，随土的塑性指数Ip的增大而减少（图6—11曲线上部）。我国认为它只适用于塑性指数Ip较大的土；对一般土，应用图6—11曲线2。
5、其他
电测式十字板所测Cu值比非电测式所测Cu值往往偏小15%—20%。这是由于电测装置根本消除了轴杆与孔壁摩擦等的影响。野外十字板所测Cu值比室内试验（无侧限抗压强度之半、三轴不排水剪切试验、室内十字板试验等）值要大50%—80%。而且室内指标比较分散，无强度随深度增大的变化规律。土的灵敏度愈大，埋深愈大，野外十字板抗剪强度与室内试验值差别也愈大。这是由于室内所用试样已被扰动的缘故。
图6—11 μ与Ip的关系曲线
表6—4 十字板剪切试验影响因素表（据《岩土工程手册》）
表6—4所列的一些因素，已由技术标准加以控制，而另一些因素是无法控制的。所有这些因素影响的大小，均与土类、Ip和St有关。当Ip、St高时，因素的影响也大。表中影响程度只是一般值，并不包括特殊的极端情况，如转动速率相差数百倍时（如对土进行6圈扰动时），Cu可相差数10倍。因此，应严格按试验规程要求去做测试，防止任意性，以求测试结果的准确和便于应用。
土的天然稠度计算公式地基承载力计算公式的说明:f=fk+ηbγ(b-3)+ηdγο(d-05)fk——垫层底面处软弱土层的承载力标准值（kN/m2）ηb、ηd——分别为基础宽度和埋深的承载力修正系数b－－基础宽度（m）d——基础埋置深度（m）γ－－基底下底重度（kN/m3）γ0——基底上底平均重度（kN/m3）地基的处理方法利用软弱土层作为持力层时，可按下列规定执行：
1、）淤泥和淤泥质土，宜利用其上覆较好土层作为持力层，当上覆土层较薄，应采取避免施工时对淤泥和淤泥质土扰动的措施；
2、）冲填土、建筑垃圾和性能稳定的工业废料，当均匀性和密实度较好时，均可利用作为持力层；
3、）对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有侵蚀性的工业废料等杂填土，未经处理不宜作为持力层。局部软弱土层以及暗塘、暗沟等，可采用基础梁、换土、桩基或其他方法处理。在选择地基处理方法时，应综合考虑场地工程地质和水文地质条件、建筑物对地基要求、建筑结构类型和基础型式、周围环境条件、材料供应情况、施工条件等因素，经过技术经济指标比较分析后择优采用。地基处理设计时，应考虑上部结构，基础和地基的共同作用，必要时应采取有效措施，加强上部结构的刚度和强度，以增加建筑物对地基不均匀变形的适应能力。对已选定的地基处理方法，宜按建筑物地基基础设计等级，选择代表性场地进行相应的现场试验，并进行必要的测试，以检验设计参数和加固效果，同时为施工质量检验提供相关依据。经处理后的地基，当按地基承载力确定基础底面积及埋深而需要对地基承载力特征值进行修正时，基础宽度的地基承载力修正系数取零，基础埋深的地基承载力修正系数取10；在受力范围内仍存在软弱下卧层时，应验算软弱下卧层的地基承载力。对受较大水平荷载或建造在斜坡上的建筑物或构筑物，以及钢油罐、堆料场等，地基处理后应进行地基稳定性计算。结构工程师需根据有关规范分别提供用于地基承载力验算和地基变形验算的荷载值；根据建筑物荷载差异大小、建筑物之间的联系方法、施工顺序等，按有关规范和地区经验对地基变形允许值合理提出设计要求。地基处理后，建筑物的地基变形应满足现行有关规范的要求，并在施工期间进行沉降观测，必要时尚应在使用期间继续观测，用以评价地基加固效果和作为使用维护依据。复合地基设计应满足建筑物承载力和变形要求。地基土为欠固结土、膨胀土、湿陷性黄土、可液化土等特殊土时，设计要综合考虑土体的特殊性质，选用适当的增强体和施工工艺。复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，或采用增强体的载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。常用的地基处理方法有：换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等。 1、换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。 2、强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土，软-流塑的粘性土等地基上对变形控制不严的工程，在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。强夯法和强夯置换法主要用来提高土的强度，减少压缩性，改善土体抵抗振动液化能力和消除土的湿陷性。对饱和粘性土宜结合堆载预压法和垂直排水法使用。 3、砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基，提高地基的承载力和降低压缩性，也可用于处理可液化地基。对饱和粘土地基上变形控制不严的工程也可采用砂石桩置换处理，使砂石桩与软粘土构成复合地基，加速软土的排水固结，提高地基承载力。 4 、振冲法分加填料和不加填料两种。加填料的通常称为振冲碎石桩法。振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振冲碎石桩主要用来提高地基承载力，减少地基沉降量，还可用来提高土坡的抗滑稳定性或提高土体的抗剪强度。 5 、水泥土搅拌法分为浆液深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、饱和黄土、素填土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。不宜用于处理泥炭土、塑性指数大于25的粘土、地下水具有腐蚀性以及有机质含量较高的地基。若需采用时必须通过试验确定其适用性。当地基的天然含水量小于30%（黄土含水量小于25%）、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用于法。连续搭接的水泥搅拌桩可作为基坑的止水帷幕，受其搅拌能力的限制，该法在地基承载力大于140kPa的粘性土和粉土地基中的应用有一定难度。 6 、高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土地基。当地基中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或较高的有机质时，应根据现场试验结果确定其适用性。对地下水流速度过大、喷射浆液无法在注浆套管周围凝固等情况不宜采用。高压旋喷桩的处理深度较大，除地基加固外，也可作为深基坑或大坝的止水帷幕，目前最大处理深度已超过30m。 7、预压法适用于处理淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基。按预压方法分为堆载预压法及真空预压法。堆载预压分塑料排水带或砂井地基堆载预压和天然地基堆载预压。当软土层厚度小于4m时，可采用天然地基堆载预压法处理，当软土层厚度超过4m时，应采用塑料排水带、砂井等竖向排水预压法处理。对真空预压工程，必须在地基内设置排水竖井。预压法主要用来解决地基的沉降及稳定问题。 8 、夯实水泥土桩法适用于处理地下水位以上的粉土、素填土、杂填土、粘性土等地基。该法施工周期短、造价低、施工文明、造价容易控制，目前在北京、河北等地的旧城区危改小区工程中得到不少成功的应用。 9、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应根据地区经验或现场试验确定其适用性。基础和桩顶之间需设置一定厚度的褥垫层，保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。该法适用于条基、独立基础、箱基、筏基，可用来提高地基承载力和减少变形。对可液化地基，可采用碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩多桩型复合地基，达到消除地基土的液化和提高承载力的目的。 10 、石灰桩法适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、杂填土和素填土等地基。用于地下水位以上的土层时，可采取减少生石灰用量和增加掺合料含水量的办法提高桩身强度。该法不适用于地下水下的砂类土。 11 、灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，可处理的深度为5～15m。当用来消除地基土的湿陷性时，宜采用土挤密桩法；当用来提高地基土的承载力或增强其水稳定性时，宜采用灰土挤密桩法；当地基土的含水量大于24%、饱和度大于65%时，不宜采用这种方法。灰土挤密桩法和土挤密桩法在消除土的湿陷性和减少渗透性方面效果基本相同，土挤密桩法地基的承载力和水稳定性不及灰土挤密桩法。 12 、柱锤冲扩桩法适用于处理杂填土、粉土、粘性土、素填土和黄土等地基，对地下水位以下的饱和松软土层，应通过现场试验确定其适用性。地基处理深度不宜超过6m。 13 、单液硅化法和碱液法适用于处理地下水位以上渗透系数为01～2m／d的湿陷性黄土等地基。在自重湿陷性黄土场地，对Ⅱ级湿陷性地基，应通过试验确定碱液法的适用性。 14、在确定地基处理方案时，宜选取不同的多种方法进行比选。对复合地基而言，方案选择是针对不同土性、设计要求的承载力提高幅质、选取适宜的成桩工艺和增强体材料。
确定地基承载力的方法
（1）原位试验法（in-situ testing method）：是一种通过现场直接试验确定承载力的方法。包括（静）载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验、旁压试验等，其中以载荷试验法为最可靠的基本的原位测试法。
（2）理论公式法（theoretical equation method）：是根据土的抗剪强度指标计算的理论公式确定承载力的方法。
（3）规范表格法（code table method）：是根据室内试验指标、现场测试指标或野外鉴别指标，通过查规范所列表格得到承载力的方法。规范不同（包括不同部门、不同行业、不同地区的规范），其承载力不会完全相同，应用时需注意各自的使用条件。
（4）当地经验法（local empirical method）：是一种基于地区的使用经验，进行类比判断确定承载力的方法，它是一种宏观辅助方法。
ωc=（ωL-ω）/Ip ωL。土的天然稠度计算公式ωc=（ωL-ω）/Ip ωL，土的天然稠度是指原状土样测定的液限和天然含水量的差值与塑性指数之比，用符号ωc表示，液限 ω----含水量 Ip----塑性指数。
