现场岩土体直剪试验

1、1、概述2、试验基本原理3、试验仪器设备4、试验方法及技术要求5、资料整理及影响因素分析6、工程实例应用一、概述 发展史 直剪试验最早在一百多年前被Alexandre Collin Alexandre Collin 用于边坡稳定研究所使用。早期的直剪试验仪均为应力控制式，第一台现代的直剪仪是在1932 年Casagrande Casagrande 在哈佛大学设计的， Gilboy Gilboy 于1936 年在麻省理工学院将位移控制引入到直剪仪中，从而可以得到土体材料较为准确的应力-位移关系和峰值以后的强度特性。 目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式，试验时用环刀切出厚为20mm 的圆形土饼

2、，将土饼推入剪切盒内,分别在不同的垂直压力P 下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，求得破坏时的剪切应力，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角和粘聚力c。直剪试验所测试的岩土体的抗剪强度，在工程应用中具有重要的参考价值。 1、岩土体本身直剪试验2、岩土体沿软弱结构面的直剪试验3、岩土体与混凝土接触面的直剪试验。每种试验又可细分为：1、抗剪断试验：试体在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的直剪试验；2、抗剪试验（摩擦试验）：试体剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验；3、抗切试验：法向应力为0时对试体进行的直剪试验。二、试验基本原理 尽管现场直剪试验分类不同，试

3、验的对象不同，试点的选取、试样的规格和制备要求、数据读取时间间隔等方面存在差异。但在试验原理、设备、步骤及结果处理分析方法上都基本一致。 根据库仑定律，有 f = c +tan 式中 f 剪切破坏面上的剪应力（kPa），即土体的抗剪强 度； 破坏面上的法向应力（kPa）； c 土的内聚力（kPa）； 土的内摩擦角（）。 依据测得的f，就可以求出c和。（1）平推法法向应力：P/A切向应力：=Q/A（2）斜推法法向应力：P/AQsin/A切向应力：= Qcos/A 式中，Q作用于剪切面上的总斜向荷载（N）； 斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。三、试验仪器设备三、试验仪器设备1、设备组设备组成成2

4、. 设备设备安装安装1试体制备系统手风钻（或切石机）、模具、人工开挖工具各1套。2加荷系统（1）液压千斤顶，2台；根据岩土体强度，最大荷载及剪切面积选用不同规格；（2）油压泵（附压力表、高压油管、测力计等），2台；手摇式或电动式，对千斤顶供油用。3传力系统（1）高压胶管，若干(配有快速接头)，输送油压用；（2）体力柱：无缝钢管一套，要求钢管必须有足够的刚度和强度；（3）钢垫板：用45钢制成，一套，其面积可根据试体尺寸而定；（4）滚轴排：一套，面积根据试体尺寸而定。4测量系统（1）压力表：精度为一级的标准压力表一套，测油压用；（2）千分表：812只；（3）磁性表架：812只；（4）测量表架：工字

5、钢2根；（5）测量标点：有机玻璃或不锈纲。5反力系统 若试验是在平硐中进行，则不需要另外的反力装置，直接利用岩体承担反力；若在井巷、露天场地的试坑或平的岩体表面进行，则需要安装加荷系统的反力装置，一般是打地锚。6辅助系统（1）安装工具一套；（2）浇捣混凝土工具一套；（3）照像设备一套。图3-1 现场直剪 在安装仪器设备之前，应按有关规定测定滚排摩擦力f0； 安装垂直加荷反力装置卧式斜支撑应符合下列规定： 1、在试样间隔处合适位置的槽壁上修制斜撑板的倒角。 2、修制斜撑板倒角图3-2所示。图3-2 卧式斜支撑安装示意图 施加垂直荷载装置安装应按下列顺序进行： 1、在试样表面铺砂、击实并末平整至剪

6、切盒表面； 2、安装下钢板、滚排、上钢板； 3、安装油压千斤顶，将施力中心对准试样中心； 4、安装滑块、传力柱，并对准工字形钢梁中心。施加横向荷载装置安装应按下列顺序进行： 1、安装定顶压钢板，并在底部垫约1cm厚木板2块，两 端放置紧贴剪切盒，岩石试验还应在顶压钢板与剪切盒 之间垫放橡皮垫； 2、安装油压千斤顶，使其施力中心对准剪切面，且位 于试样中线； 3、安放滑块位于油压千斤顶后座中心； 4、安放后座钢板，并将该钢板与试槽壁之间填实， 1、安装斜向千斤顶时，须严格定位。斜向推力作用方向与剪切面的夹角一般为1217，一般用15。使千斤顶的轴线穿过剪切面中心，力争剪切面受力均匀。 2、安装水

7、平千斤顶时须严格定位，水平推力应通过预定的剪断面。当难以满足此要求时，着力点距剪切面距离应控制在试件边长（岩剪切方向）的5以内，试验前应对此距离进行实测记录，供资料分析用。 针对斜推和平推两种不同情况，需要特别关注以下两点： 油压剪切试验装置（竖向施力装置），可参照图3-3进行安装 测量垂直变形的百分表应安装在剪切盒对角线上。测量水平位移的百分表应安装在受剪方向的两侧。为保证试验的顺利进行，各测量仪表支架固定端应牢固可靠。图3-3 油压剪切试验装置图 日本学者松冈元与刘斯宏等人开发研制了一种新型现场直剪试验法，如图3-4所示： 用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中的上剪切盒，并取消下剪切盒，

8、将格子状的剪切框直接埋于要测定强度的地盆中，在剪切框内的试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需要的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条上的荷重计量测。在钢板的后侧中央部位设置一水平位移计，用于测量试样的剪切位移，同时在钢板的前后对角线上各设置一垂直位移计，试样的垂直位移取2只垂直位移计读数的平均值。 介绍一种新型直剪试验法图3-4 新型现场直剪概念图 通常的直剪试验，由于用推动剪切盒的方法来使试样受剪，剪切盒与剪力环之间必定是刚性连接。在剪切过程中，若试样发生剪胀，会在其接触点处产生一方向向下的摩擦力，而该摩擦力在试验中无法测定，从而使得剪切面上的正应力比实际外加的正应力要大。这就是通常

9、的直剪试验测得的抗剪强度高于其实际强度的原因，上述新型试验解决了这一难题，使测得的指标更符合实际工程需要。四、试验方法及技术要求四、试验方法及技术要求2、试验前的资料准备1、试验前准备工作3、实验步骤及技术要求1、试验前准备工作1试验前的地质描述试验前的地质描述 地质描述为试验成果的整理分析和计算指标的选择提供可靠依据， 并为综合评价岩体工程地质性质提供 依据。具体内容包括：（1）试验地段开挖、试样制备方法及出现的问题；（2）试点编号、位置、尺寸；（3）试段编号、位置、高程、方位、深度、断面形 状和尺寸；（4）岩土体岩性、结构、构造、主要造岩矿物、颜色等；（5）各种结构面的产状、分布特点、结构

10、面性质、组合关系等；（6）岩土体的风化程度、风化特点、风化深度等；（7）水文地质条件，包括地下水类型、化学成分、活动规律、出露位置等；（8）岩爆、硐室变形等与初始地应力有关的现象；（9）试验地段地质横剖面图、地质素描图、钻孔柱状图、试体展示图等。 2 2试点的选择及整理试点的选择及整理（1）选试点 试验场地应根据工程地质条件和建（构）筑物的受力特点等选择在具有代表性的地段。同一地质单元，试验组数不得少于3组，每一组试验不应少于5个试验点，同一组各试验点应在同一地质单元。 （2）试点整理 在所选试点上，对硐顶板及斜向(或水平)推力后座大致加工平整。预浇混凝土地基面起伏差控制在试体边长的12内(沿

11、推力方向)，试体范围外起伏差约为试体边长的10。(平推法同时开挖放置水平千斤顶的坑槽)。 根据岩土工程勘察规范（GB500212001）规定的试件布置、制备、加工尺寸应符合一般规定：（1）试件宜加工成方形体（或楔形体），每组试体数量不宜少于3个，并尽可能处在同一高程。（2）试件剪切面积不宜小于2500cm2，边长不宜小于50cm，试件高度不宜小于边长的2/3，试体间距应大于1.5倍试件最短边长。（3）试件的推力部位应留有安装千斤顶的足够空间，平推法应开挖千斤顶槽。（4）在试验之前，先测定混凝土的强度，为试验的分析提供合理参考依据。（5）如需混凝土浇筑试件，待浇注完毕，即可注水饱和，同时对混凝土

12、进行养护，待28天后，即可进行试验。有时因工作需要，需提早进行试验，在浇注混凝土时可适当添加些速凝剂，待混凝土标号达到要求后即可试验。3 3、试件的制备、试件的制备1斜推法试验（1）加荷分析 首先应对每一个试体施加一定的垂直荷载，然后再施加斜向剪切荷载，进行试验。由于斜向荷载可分解为平行于剪切面的切应力和垂直剪切面的正应力，故一旦加上斜向荷载，剪切面上的正应力随之增加这个分量。从而出现了正应力的处理问题，即在剪切过程中，剪切面上的正应力是保持常数还是变数的问题。 当正应力为变数时，剪切面上的应力条件比较复杂，而且作出的剪应力剪位移曲线图形失真，对试验成果的整理和分析都带来困难，因此，现行规范将

13、正应力视作常数处理。为此，在试验前，就要求设计出试体应施加多大的垂直荷载和斜向荷载，才能使试验顾利进行。 2）施力公式推导 1）应力计算 法向应力：P/AQsin/Apqsin（记P/Ap，Q/A=q）切向应力：= Qcos/A qcos2) 最大单位推力qmax的估算 在试验进行之前，需要预估试体发生剪切破坏时的最大单位推力qmax，从而计算出斜向总荷载Q。据此，可在试验过程中分级施加斜向推力，直至试体剪断。在极限状态下，应力条件应满足库仑公式： 因此，只要预估出剪切面上的f（摩擦系数，tan）、 C值，、都可给定，即可计算qmax。然后乘 以剪切面积A就是Qmax，按Qmax分级加载试验。

14、3）同步加减荷载计算 在试验过程中，为了保持剪切面上的正应力为常数，因此逐级施加q的同时，须同步成少p值。同步加减的荷载按下式计算：由pqsin，得出： pP/Aqsin4）最小正应力min的确定 为了避兔试验过程中p值不够减的情况发生，必须首先确定剪切面上的最小正应力min值。为使在剪切时p0，即：qsin0在极限状态下，还应满足：建立联立方程组解得： 把根据试体实际情况估计的剪切面的f、C及值代入上式，即可计算出剪切面上所需施加的min值。如小于此值，将会出现P值不够减的情况。显然，还要对f、C值的估计应接近剪切面的实际值；估计值偏大时，试件破坏时的斜向荷载Q将达不到设计的值，估计值偏小时

15、，同样全出现P值不够减的情况。 2平推法试验 不需要减少P值，但试验前，也要对剪切荷载进行估算。在极限平衡状态下，剪切面上的应力条件符合莫尔库仑公式：得： 如果根据岩性、构造等条件，预估出f、C值，代入上式即可估算出试体剪切破坏时最大剪切荷载，方便在试验过程中分级施加。 1仪器的标定、检测 试验前，根据对千斤顶（或液压枕）作的率定曲线和试体剪切面面积，计算施加的荷载和压力表读数对应关系。检查各测表的工作状态，测读初始读数。 2施加垂直荷载1）在每组(3个)试体上，分别施加不同的垂直荷载，加于试体上的最大垂直荷载，以不小于设计法向应力为宜。当剪切面有软弱物充填时，最大法向应力以不挤出充填物为限。

16、2）按变形控制：荷载可分4到5级等量施加，每施加一级荷载，立即测记垂直变形，此后每隔5min读数一次，当5min内垂直变形值不超过0.05mm时，可施加下一级荷载，施加最后一级荷载后按5min、10min、15min的时间间隔测记垂直变形值当连续两个15min垂直变形累计不超过0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可施加剪切荷载3施加剪切荷载 剪切荷载的施加应符合下列规定： 1） 每级剪切荷载按预估计最大剪切荷载的8%10%或按垂直荷载的5%10%分级等量施加。 2） 当施加剪切荷载所引起的剪切变形为前一级的1.5倍以上时，下一级剪切荷载则减半施加。 3） 岩体按每5min10min，土体按

17、30s施加一级剪切荷载。 4）每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、剪切荷载和剪切变形量。 5） 当达到剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形大于试件直径（或变长）的1/10时，即认为已剪切破坏，可终止试验。 从目前资料看，剪切荷载的施加亦可分为应变控制和时间控制，国外大部分采用变形控制法。国内在五十年代大都按照苏联的方法，即采用变形控制法，近来大都转向以时间控制。 试体剪断后，可进行剪断面的残余抗剪强度试验，就是将抗剪试验后的试样推回原处，重新检查调整仪器设备使其符合第三章所述要求，然后再次剪切。试验需要注意以下几点：1、残余抗剪强度试验应分为单点法和多点法；2、残余抗剪强度试验的各

18、种垂直荷载的确定应与峰值试验的一致；3、横向推力的施加应与峰值试验的一致；4、当完成各级垂直荷载下的残余抗剪强度试验后，应在现场将试验结果初步绘制曲线图，当发现某组数据不合理时，应立即补做该组试验。4试验记录（1）试验前记录好以下内容：工程名称、岩石名称、试体编号、试体位置、试验方法、混凝土的强度、剪切面面积、测表布置、法向荷载、剪切荷载、法向位移、试验人员、试验日期。（2）试验过程中：详细记录碰表、调表、换表、千斤顶漏油补压，混凝土或岩体松动、掉块、出现裂缝等异常情况。（3）试验结束后，翻转试体，测量实际剪切面面积。详细记录剪切面的破坏情况、破坏方式、擦痕的分布、方向及长度，绘出素描图及剖面

19、图，拍照，并计算试验后试件面积。当完成各级垂直荷载下的抗剪试验后，在现场将试验结果初步绘制曲线，当发现某组数据偏离回归直线较大时，立即补做该组试验。五、资料整理及分析五、资料整理及分析1、资资料整理料整理2、影响因素分析1、资料整理应力计算现场直剪试验，可参照试样受力示意图（见图5-1）分别按公式5.1或5.2计算垂直压应力pv和剪应力pH。图5-1 试样受力示意图5.15.2式中 pv 垂直应力（kPa）； pH 剪应力（kPa）； P1 测力器测得的垂直荷载（kN）； P2 测力器以下的设备自重（kN；） P3试样自重（kN）； Q剪切荷载（kN）； f滚动滑板的西擦系数； A试样剪切面面

20、积（m2） 剪切面与水平面的夹角（）抗剪强度（）的取值1、以剪应力为纵坐标，剪切变形为横坐标，绘制剪应力与剪切变形关系曲线图，见图5-2，取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度（）。2、当剪应力与剪切变形关系曲线上无明显峰值时，取剪切变形量为试样直径（或变长）1/10处的剪应力作为抗剪强度（）图5-2 剪应力与剪切变形关系曲线残余抗剪强度（T） 以剪应力与剪切变形关系曲线上剪应力的稳定值作为残余抗剪强度（ T ），见图5-3，值得注意的是此稳定值即为相邻两次剪切应力的差值不大于10%。图5-3 剪应力与剪切变形关系曲线岩土体粘聚力（C）及内摩擦角（）的确定1、图解法 以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐

21、标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线在纵坐标上的截距为粘聚力C，直线的倾斜角为内摩擦角，如图5-4所示：图5-4 抗剪强度与垂直压力关系曲线2、用最小二乘法计算式中 抗剪强度（kPa）； n 每组试验的试样个数。岩土体残余粘聚力及残余内摩擦角的确定1、 图解法 以残余抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制残余抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线在纵坐标 上的截距为残余粘聚力Cr,直线的倾角为残余内摩擦角r,，如图5-5所示：图5-5 残余抗剪强度与垂直压应力关系曲线2、用最小二乘法计算式中 r残余抗剪强度（kPa） 试验工作全部结束后，应编制试验成果报告，内容包括：1、文字部分： 1）各组试

22、验的坐标位置及高程； 2）试验地层描述； 3）试验方法； 4）测力器和两侧变形仪表的精度； 5）C、值及确定标准； 6） 试验过程中有关情况说明。2、图表部分： 1) 试验段的地质剖面图； 2） 各试样剪应力、剪切变形成果表及关系曲线； 3） 抗剪强度、垂直压力成果表及关系曲线； 4）试验设备安装示意图 5） 残余抗剪强度、垂直压力成果表及关系曲线。2、影响因素分析1试体尺寸的影响 特别是岩体试件，含有节理、裂隙、层面和断层等要素，一般认为，试体应具有一定数量的裂隙条数(100条到200条），或其边长大于裂隙平均间距的520倍。结合国际岩石力学建议方法和国内经验，规定如下：一般岩体，试体为70

23、cm70cm70cm；对完整坚硬岩石，试体为50cm50cm50cm，试体受压剪切面积大于2500cm 2 。2剪切面平整度对抗剪强度有重要影响 结合国内实践经验，规定制备的剪切面，其起伏差不大于剪切方向边长的12。 3在制备试体时，若软弱结构面或软弱岩石受到扰动，则将严重影响测定成果。因此，在制备过程中应严格防止扰动试体，才能取得可信的试验结果。 4剪切过程中，垂直压应力保持常量并尽量使其均匀分布；平推法的剪力作用线与剪切面间存在偏距，加大了垂直压应力的分布不均，影响测定成果。因此，规定试验中偏距应严格控制在剪切面边长的5以内。 5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

24、。国内经验表明，在屈服点以前，时间控制法和位移控制法得到的结果是一致的；但在之后，位移持续发展，按位移就很难控制剪力施加速率，而采用时间控制就便于掌握。 六、工程实例应用六、工程实例应用工程实例工程实例1 1 该工程位于某河流南岸, 地形坡度较陡, 岩石破碎, 植被稀少, 在河流切割、地表水冲刷、地下水侵蚀以及煤窑采空等因素, 对该场区边坡的稳定造成一定影响, 特别是近年来由于因特大洪水、地下水动力条件的急剧改变、河流改道施工等原因, 不断改变着山体的环境地质条件, 河流改道切割山体, 在滑坡上加荷, 这一切都进一步恶化了滑坡的稳定环境, 产生缓慢滑移而形成的滑坡, 对该场区内的建筑物造成安全

25、隐患, 因此必须对边坡进行稳定性分析和治理。工程实例工程实例2 2 该工程位于某市西侧一缓斜坡上, 整个场地属斜坡地貌, 植被覆盖好, 局部为旧房拆除区, 地形总体呈斜坡状, 由北西向南东倾斜, 局部存在土坎, 最大相对高差约13m。从地质构造上来看, 拟建场区为都匀向斜西翼轴部地带, 岩层单斜产出, 倾向南东( 约140) , 倾角55左。表层为第四纪残、坡积土, 下伏为二叠系上统吴家坪组之灰、灰白色薄至中厚层硅质岩, 间夹绿色薄层页岩, 无大断裂通过场区; 据现场地质调查及钻孔揭露, 该场区岩土层自上而下分别由耕土、碎石粘土层及基岩层组成的混合土; 由于在场区内上覆的碎石粘土层厚度较大, 在场地平整后, 其东北、西南、南西面将有高为3. 0m- 12. 0m 不等的土质边坡, 且该类边坡稳定性较差, 须对边坡进行治理, 作永久性保护。室外水平推剪试验与室内直剪试验室外试验点的选取室外试验点的选取 根据现场工程地质条件、边坡土体的种类、成因、性质和软弱层的分布及其下伏基岩面的形态及坡角, 确定其潜在滑动面, 在现场选取具有代表性的土层、控制边坡稳定的软弱面进行现场原位剪切试验。为了使现场土体的剪切方向尽量与边坡滑动方向一致, 根据勘察资料选用水平推剪试验水平推剪法试验结果水平推剪