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1、第10章 现场剪切试验,主讲：崔德山,目录,1.岩体现场直剪试验2.岩体现场三轴试验3.土的现场剪切试验4.工程实例5.下节课：第11章 岩体原位应力测试,1.岩体现场直剪试验,1.1 试验原理 预定的剪切面在垂直(法向)压应力作用下，施加剪切力，直至试体剪切破坏的试验。岩体现场直剪试验包括混凝土与岩体胶结(按触)面、岩体中软弱结构(以下简称岩体弱面)和软弱岩体本身三个方面的内容。同一组试验应尽可能处在同一高程或层位上，其地质条件应基本相同，试验过程中的受力状态应与岩体在工程中的受力状态相近似。,1.2 试验目的,岩体现场直剪试验的目的是测定其抵抗剪切破坏的能力，为地(坝)基、地下建筑物和边坡
2、的稳定计算分析提供抗剪强度参数(摩擦系数和粘聚力)。,1.4 试体制备,(1)一般规定 同一组试验的试体不少于5块。试体剪切面积一般为70cmx 70cm，并不小于50cm x 50cm。试体高度为其边长之半。试体间距应便于试体制备和仪器设备安装，但不应小于剪切面边长的1.5倍，以免试验过程中互相影响。在岩洞内进行试验时，试验部位的洞顶应先开挖成大致平整的岩面，以便浇注混凝土(或砂浆)反力垫层。在施加剪力的后座部位，应按液压千斤顶(或液压钢枕)的形状和尺寸开挖。,(2)混凝土与岩体胶结面直剪试验试体制备在试点部位用人工(不准爆破)挖除表层松动岩石，形成平整岩面。在试点，按剪切方向立模并浇注混凝
3、土试体。有时在浇混凝土试体之前，按设计要求，在岩面上先浇注一层厚约5cm的砂浆垫层。在浇注砂浆垫层和混凝土试体的同时，浇制一定数量的砂浆(7cm x 7cm x 7cm)和混凝土(15cm x 15cm x 15cm)试块，试块与试体在相同条件下养护，以测定其不同龄期的强度。,直剪试验的平推法和斜推法试体受力见下图。剪力作用方向应符合设计要求。,(3)岩体弱面、软弱岩体直剪试验的试体制备 开挖试点部位后，在岩面上按剪切方向定出剪切面积。用风钻或切石机，也可用人工，沿剪切面积周边将试体与周围岩体切开。对于岩体弱面的试体，应使弱面处在预定的剪切部位。,为防止制备过程中，因吸(浸)水、应力松驰或扰动
4、而导致试体膨胀，可采用以下方法:1)切断地下水来源;2)用水泥砂浆抹试体顶面，而后在其上施加一定的垂直荷载。为避免在安装垂直、水平(剪切)加载系统和试验过程中损坏试体，可在试体上浇注钢筋混凝土保护罩，其底部应处在预定的剪切面以上。,(4)倾斜岩体弱面直剪试验的试体制备 对倾斜岩体弱面进行直剪试验，可按下图制备楔形试体。在探明倾斜岩体弱面的部位和产状后，制备试样，采取措施，防止试体下滑。,1.5 试体描述,(1)试验前描述试验前描述包括:1)试验地段岩石名称、风化破碎程度。2)岩体弱面的成因、类型、产状、分布状况及其间充填物的性状(厚度、颗粒组成、泥化程度和含水状态等)。在岩洞内，记录岩洞编号、
5、位置、洞线走向、洞底高程。试验地段岩洞和试点部位的纵、横地质剖面。在露天或基坑内，记录试点位置、高程及其周围的地形、地质。3)试验地段开挖情况和试体制备方法;4)试体岩性、编号、位置、剪切方向和剪切面尺寸;试验地段地下水类型、化学成分、活动规律和流量等。,(2)试验后描述 试验后描述包括:1)测量剪切面尺寸;2)记录剪切破坏形式;3)剪切面起伏差;4)擦痕方向和长度;5)碎块分布状况。同时描述剪切面上充填物的性状，必要时取样测定其含水率、液限、塑限以及颗粒组成，对剪切面照相。,1.6 试验程序(1)仪器设备安装 1)垂直、剪切加载系统设备安装。2)位移量表安装,1.6 试验程序,(2)施加垂直
6、荷载 按设计要求，确定作用在剪切面上的最大垂直(法向)压应力。一般按等差(或等比)将最大垂直压应力分成45个不同等级。对岩体弱面、软弱岩体的试体，施加其上的最大垂直压应力，以不挤出弱面上的充填物或破坏试体为限。作用在一个试体上的垂直荷载，一般分45次施加。每施加一次荷载，随即测读垂直位移量表，此后，每隔5min测读一次，待连续两次测读差不超过0.01mm，认为垂直位移稳定，才施加下一级荷载。依此，直施加到预定荷载(垂直压应力)为止。,(3)施加剪切荷载(剪力)直剪试验是一组试体在不同垂直压应力作用下进行剪切的试验。试验前，应预估最大剪力作为试验的依据。剪切荷载位于剪切缝中心(平推法)或作用于剪
7、切面中心(斜推法)。1)平推法和斜推法剪切情况 平推法，用极限平衡状态的库仑(Coulomb)公式，预估最大剪力。,试验时，按预估最大剪力的8%10%，分级施加。每5min施加一级(对于岩体弱面、软弱岩体，视其性状及充填情况，每1015min施加一级)。施加剪力前、后，应测读各量表。当施加剪力所引起的剪切位移为前一级的1.5倍以上时，下一级剪力则减半施加。当达到剪力峰值、发生不断地剪切位移(即滑动破坏)，或出现剪力的残余值时，试验终止。试验过程中，应保持剪切面上的垂直压应力为常量。为此，对于斜推法，应同步降低由于施加剪力在剪切面上增加的垂直压应力，可按下式计算:,直剪试验过程中，如遇调整或更换
8、量表、液压千斤顶(或液压钢枕)补压、发现混凝土或试体松动掉块、出现裂缝或破裂声等现象，应随时记录，供成果整理时查考。(4)试验结束直剪试验结束后，依次将剪切和垂直荷载退为零，拆除测量仪表、支架、剪切和垂直加载设备，而后按相关要求进行试体和剪切面描述。,1.7 试验成果整理,(1)剪切面应力计算(2)绘制剪应力与剪切位移关系曲线。根据同一组直剪试验结果，以剪应力为纵轴，剪切位移为横轴，绘制每一试验的剪应力与剪切位移关系曲线，而后从曲线上选取剪应力的峰值和残余值。也可从曲线的线性比例极限点或屈服点选取剪应力值。(3)绘制剪应力与垂直压应力关系曲线 根据剪应力峰值(或屈服值、残余值等)与相应的垂直压
9、应力，以剪应力为纵轴，垂直压应力为横轴，绘制关系曲线。(4)确定抗剪强度参数 抗剪强度参数包括摩擦系数和粘聚力，可按图解法和最小二乘法确定;,1.8 影响试验成果因素的说明,(1)试体(剪切面)尺寸的选定(2)剪切面起伏差 为减小成果的分散性和便于对比分析，结合国内试验经验，统一规定其起伏差不大于剪切方向边长的1%2%。(3)严格防止扰动试体(剪切面)(4)剪切面上垂直压应力分布直剪试验过程中，除保持剪切面上垂直压应力为常量外，还应使剪力均匀分布在剪切面上。剪力作用线与剪切面间存在偏距，使剪切面上垂直压应力分布不均匀。这种不均匀性随着剪力的增大而增大，无疑将影响测定成果。规定偏距应严格控制在剪
10、切面边长的5%以内。(5)剪力施加速率直剪试验的剪力施加速率有:快速、时间控制和剪切位移控制三种方式。为使试验尽可能符合工程实际，以剪切位移控制法施加剪力最为理想。,2.岩体现场三轴试验,2.1 试验原理和目的 岩体现场三轴试验是，试体在三个互相垂直(正交)的压应力亦即垂直向压应力和两个侧向压应力作用下，测定其强度和变形性质的试验。分为常规(等侧压)三轴试验和真三轴试验。岩体现场三轴试验的目的是为工程(建筑物地基、地下洞室和岩质边坡)设计提供参数，并为研究岩石力学性质和破坏机理提供资料。,2.2 仪器设备,岩体现场三轴试验需用的仪器设备与前相同。但液压千斤顶和液压钢枕的数量、形状和尺寸，应根据
11、试体形状和尺寸而定。对圆柱形试体，侧向加压应采用孤形液压钢枕。当需测量试体内部轴向位移(变形)时，应备有钻孔单点或多点位移计。也可采用声波仪、声发射探测仪，在试验过程中监测试体声波速度、振幅及声发射频率变化，以了解其破坏过程。,2.3 试体制备,三轴试验试体制备的要求试体尺寸:圆柱体，直径不小于30cm;立方柱体或矩形长立方体，其横断面边长不小于30cm。试体高度与直径(或边长)之比为12。根据施加侧压方式的不同，圆柱、方柱试体都有出露式和埋藏式两种。圆柱试体:用大口径钻机钻到预定深度，形成埋藏式试件;用人工挖除岩心周围岩石后，形成出露式试体。方柱试体:用切石机切割试体四边到预定深度，形成埋藏
12、式试体;用人工挖除试体周围岩石后，形成出露式试体。,2.4 试验程序,本试验程序适用于等侧向压应力的常规三轴试验。(1)仪器设备安装 所有用于试验的轴向、侧向加载系统的液压千斤顶、液压钢枕、压力表和位移量表，在安装前均应率定。1)侧向加载系统设备安装(A)对于出露式圆柱、方柱试体，先在试体对应部位安装反力钢筒或反力框架。而后在反力钢筒(或反力框架)与试体的间隙内安装液压钢枕。钢枕内外两侧间隙，用水泥砂浆填塞。按并联方式，用高压管路将各个液压钢枕与液压泵连接。(B)对于埋藏式圆柱、方柱试体，先清除试体周围切槽中的岩屑，而后将液压钢枕安设其中。,2)垂直加载系统设备安装 首先清除试体顶面岩屑，而后
13、用水泥砂浆将其抹平。待砂浆初凝后，在其上涂薄层润滑剂(如黄油等)，以减少垫板与试体面之间的摩阻力。而后在其上依次安装垫块、液压千斤顶(或液压钢枕)、传.力柱等，最后用混凝土(或水泥砂浆)填塞顶部，使垂直加载系统与洞顶围岩紧密结合。试验如在露天(或基坑内)进行，在垂直加载系统上应设置反力框架。应使垂直加载系统作用力的合力作用于试体顶面中心。3)位移量表安装位移测量系统由支座、接杆、量表和标头组成。,2.4 试验程序,(2)施加侧向荷载 施加荷载前，采用向液压千斤顶(或液压钢枕)内充液的方法，。根据工程设计要求，并考虑仪器设备的能力，确定三轴试验最大侧向压应力后，将最大侧压按等差(或等比)分成与试
14、体数量相同的侧压作为每个试体三轴试验同步施加侧压的依据。施加侧压前，记录各压力表、量表的初读数。而后将预定的侧压和等同的轴压(包括垂直加载系统设备的重量)一次同步施加于试体。加载速度为每秒0.05MPa。(3)施加轴向荷载 在侧压作用下，试体变形达到稳定，即可施加轴向压应力，可按每秒0.51MPa施加。施加方式有:逐级连续、逐级一次循环和逐级反复循环三种，可任选其一，按此施加轴压直至试体发生破坏为止。也可按每分钟读轴向量表一次，连续五次测读变形量累计达0.51mm时，终止试验。,2.4 试验程序,试验成果整理,3.土的现场剪切试验,现场直剪试验,水平推剪试验,4.工程实例,高路堑滑坡现场剪切试验,4.工程实例,下节课,第11章 岩体原位应力测试,
