现场直剪剪切试验与岩体原位应力测试

9.1概述

9现场直剪剪切试验

试验目的测试岩体的抗剪强度（c,φ）和剪切刚度系数，其试验结果较室内岩块试验更符合实际情况。试验分类按试验对象分：岩体本身的直剪试验、岩体沿软弱结构面的直剪试验、岩体与混凝土接触面的直剪试验

根据加荷情况及剪切破坏面情况分：试体在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的抗剪断试验；试体剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验（也称摩擦试验）及法向应力为零时对试体进行剪切的抗切试验。

按剪切荷载施加的不同方式分：平推法试验和斜推法试验。平推法——剪切荷载平行于剪切面斜推法——剪切荷载与剪切面成一定角度9.2试验原理根据库仑定律（1776），有式中τf——剪切破坏面上的剪应力（kPa），即岩土体的抗剪强度；σ——破坏面上的法向应力（kPa）；C——岩土体的内聚力（kPa）；φ——岩土体的内摩擦角（°）。依据不同σ下测得的τf就可求出相应的C、φ值。平推法：

F—剪切面面积（mm2）

斜推法：9.3试验设备（1）试体制备设备：手风钻（或切石机）、模具、人工开挖工具各l套。切石机、模具应符合试体尺寸要求。（2）加载设备：液压千斤顶（或液压钢枕）2套以上，出力容量根据试验要求确定，行程≥70mm。液压泵（手动或电动）附压力表、高压油管、测力计等，与液压千斤顶（或液压钢枕）配套使用。（3）传力设备：传力柱（木、钢或砼制品）、钢垫块（板）、高压胶管、滚轴排。传力柱宜具足够的刚度。在露天或基坑试验时须使用岩锚、钢索、螺夹或钢梁等反力装置。（4）测量设备：百分表（量程≥50mm）、千分表（量程≥2～50mm），每种不少于6块、对应数量的磁性表座和万能表架、测量标点、量表支架（≥2）。支杆长度应超过试验影响范围。

（a）：1—砂浆顶板；2—垫板；3—传力柱；4—压力表；5—混凝土试体；6—混凝土后座；7—液压千斤顶；8—传力块；9—滚轴徘；10—接液压泵；11—垂直位移测表；12—测量标点；13—水平位移测表；14—试体受力简图（b）：1、2、3、4、14同（a）；5—液压千斤顶；6—混凝土试体；7—传力块；8—滚轴排；9—垂直位移测表；10—测量标点；11—水平位移测表；12—混凝土后座；13—接液压泵在试体两侧的对称部位分别安装测量切向位移和法向位移（绝对位移）的测表，每侧法向、切向位移测表均不得少于2只。

9.4试验方法及技术要求

9.4.1试验前准备工作地质描述（1）试验段开挖、试体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、硐断面形状和尺寸；（4）岩石名称、颜色、结构、构造、主要矿物成分等；

（5）结构面的分布特点、结构面性质（产状、成因、类型、宽度、延伸性和连续性、结构面壁强度、起伏情况）、组合关系等；（6）充填物性质（类型、厚度、矿物成分、颗粒组成、泥化、软化、风化程度和含水状态等）；（7）岩体的完整程度、风化程度、风化特点、风化深度等；（8）水文地质条件（地下水类型、化学成分、活动规律、出露位置等）;（9）试验地段地质横纵工程地质剖面图、地质素描图、钻孔柱状图、试体展示图等。试体体制制备备（1）在在岩岩体体的的预预定定部部位位加加工工试试体体，，试试体体宜宜加加工工成成方方形形体体（（或或楔楔形形体体））；；每每组组试试体体数数量量不不宜宜少少于于5个，，并并应应尽尽可可能能处处在在同同一一高高程程上上。。开开挖挖时时应应尽尽量量减减少少对对试试体体的的扰扰动动和和破破坏坏。。（2）试试体体剪剪切切面面积积不不宜宜小小于于2500cm2，最最小小边边长长不不宜宜小小于于50cm，试试体体高高度度不不宜宜小小于于最最小小边边长长的的2/3(或1/2-工程程岩岩体体试试验验方方法法标标准准)。试试体体间间距距宜宜大大于于试试体体最最小小边边长长1.5倍，，以以免免试试验验过过程程中中相相互互影影响响和和便便于于试试体体制制备备和和设设备备安安装装。。（3）试试体体的的推推力力部部位位应应留留有有安安装装千千斤斤顶顶的的足足够够空空间间，，平平推推法法应应开开挖挖千千斤斤顶顶槽槽。。剪剪切切面面周周围围的的岩岩体体应应大大致致凿凿平平，，浮浮渣渣应应清清除除干干净净。。（4）平平推推法法的的推推力力方方向向宜宜与与工工程程岩岩体体的的受受力力方方向向一一致致。。斜斜推推法法的的推推力力中中心心线线与与剪剪切切面面夹夹角角α宜为为12°°～17°°。（5）对对加加压压过过程程可可能能出出现现破破裂裂或或松松动动的的试试体体，，应应浇浇筑筑钢钢筋筋混混凝凝土土保保护护套套或或采采取取其其它它保保护护措措施施，，保保护护套套应应有有足足够够的的强强度度和和刚刚度度，，顶顶面面应应平平行行预预定定剪剪切切面面，，底底部部应应在在预预定定剪剪切切面面的的上上部部边边缘缘；；水水泥泥砂砂浆浆和和混混凝凝土土应应进进行行养养护护。。（6）根根据据设设计计要要求求，，对对试试体体保保持持天天然然含含水水量量或或浸浸水水饱饱和和。。试验验布布置置方方案案资料料准准备备（1）斜斜推推法法试试验验斜推推法法正正应应力力是是保保持持常常数数还还是是变变数数的的问问题题。。在在国国内内，，用用3种方方式式处处理理：：1）随随着着斜斜向向荷荷载载的的施施加加，，同同步步减减小小垂垂直直压压力力表表读读数数，，使使剪剪切切面面上上的的正正应应力力在在整整个个剪剪切切过过程程中中始始终终保保持持常常数数。。2）在在施施加加斜斜向向荷荷载载时时，，始始终终不不调调整整垂垂直直压压力力表表读读数数（（实实际际上上垂垂直直压压力力表表读读数数在在增增加加）），，此此时时剪剪切切面面上上的的正正应应力力是是变变数数。。3）在施加加斜向荷荷载时，，同步调调整垂直直压力表表读数，，使压力力表读数数始终保保持在初初始读数数上。此此时加于于试体上上的正应应力也是是变数。。1）方法－－常正应力力法，2）及3）方法－－变正应力力法。现行规规范规定定按常正正应力法法试验。。为此，，在试验验前，就就要求设设计出试试体应施施加多大大的垂直直荷载和和斜向荷荷载，才才能使试试验顺利利进行。。试验前，，预先按按下式预预估试体体剪坏时时的斜向向总荷载载：试验时，，将斜向向推力Qmax分级施加加直至剪剪断。为为保持剪剪切面上上的法向向应力始始终不变变，应同同步减少少由斜向向推力所所引起的的垂直荷荷载的增增加量。。同步加加减的荷荷载按下下式计算算：试验前，，还应估估算出剪剪切面上上的最小小正应力力σmin，防止因因同步减减少垂直直荷载而而发生法法向应力力为负数数的情况况出现。。σmin按下式计计算：（2）平推法法试验在试验前前，同样样需对最最大剪切切荷载Qmax进行估算算。在极极限平衡衡状态下下，剪切切面上的的应力条条件符合合摩尔-库仑公式式：9.4.2试验技术术要求1．试验开开始前准准备根据对千千斤顶（（或液压压枕）作作的率定定曲线和和试体剪剪切面面面积，计计算施加加的荷载载和压力力表读数数。检查查各测表表的工作作状态，，测读初初始读数数。2．施加垂垂直荷载载（1）在每个个试体上上分别施施加不同同的垂直直荷载，，其值为为最大法法向荷载载的等分分值，最最大垂直直应力以以不小于于设计法法向应力力为宜。。当剪切切面有软软弱充填填物时，，最大法法向应力力应以不不挤出充充填物为为限。（2）每个试试体分4～5级施加其其垂直荷荷载。每每隔5min加一次，，0min、5min分别读一一次数。。在最后后一级法法向荷载载作用下下，法向向位移应应相对稳稳定后（（各测表表的连续续两次垂垂直变形形读数差差不超过过0.0lmm），再施施加剪切切荷载。。对于软弱弱夹层，，在加到到预定的的垂直荷荷载后，，低塑性性软弱夹夹层每隔隔10min，高塑性性软弱夹夹层每隔隔15min，读一次次垂直变变形。当当两次变变形读数数差小于于0.05mm时，即视视为已稳稳定，施施加荷载载的容许许误差为为±2％。各试体的的垂直荷荷载达预预定值后后，整个个试验中中应保持持不变。。3．施加剪剪切荷载载（1）剪切荷载载按预估估的最大大值分8～12级施加，如发生生后一级级荷载的的水平变变形为前前一级的的1.5倍以上时时，应减减荷按4％～5％施加。。（2）试验过过程中法向应力力应始终终保持为为常数。采用斜推推法时，应应同步降低低因施加剪剪切荷载而而产生的法法向分量的的增量，保保持法向荷荷载不变。。（3）剪切荷载一一般按每5min加载一级，，施加前后后对法向和和切向位移移测表各测测读一次。。接近剪断时时，应加密密测读荷载载和位移，，峰值前不不得少于l0组读数。当当剪切面为为有充填的的结构面时时，应根据据剪切位移移的大小，，每隔10min或15min加荷一次。。加荷前后后均须测读读各测表的的读数。（4）试体被剪剪断时，测测读剪切荷荷载峰值。。根据需要要可继续施施加剪切荷荷载，直到到测出大致致相等的剪剪切荷载值值为止（表表现为剪切切荷载趋于于稳定）。。（5）当剪切荷荷载无法稳稳定或剪切切位移明显显增大时，，应测读剪剪切荷载峰峰值。在剪剪切荷载缓缓慢退至零零的过程中中，法向应应力应保持持常数，测测读试体回回弹位移读读数。（6）对于软弱夹夹层，低塑性夹夹层按l0％、高塑性性夹层按5％的最大预预估荷载分分级等量施施加。加荷荷后每10min读一次数，，l0min内变形<0.1mm/min时，即视为为稳定，施施加下一级级荷载，至至剪断。（7）抗剪断试试验完毕后后用同样方方法沿剪断断面进行抗抗剪试验（（摩擦试验验）。如有有必要，可可在不同的的垂直荷载载下进行重重复摩擦（（即单点摩摩擦）试验验。4．试验记录录（1）试验前记记录以下内内容：工程程名称、岩岩石名称、、试体编号号、试体位位置、试验验方法、混混凝的强度度、剪切面面面积、测测表布置、、法向荷载载、剪切荷荷载、法向向位移、剪剪切位移、、试验人员员、试验日日期。（2）试验过程程中，对加加载设备和和测表使用用情况、试试体发出的的响声、混混凝土和岩岩体出现松松动、掉块块和裂缝开开裂等现象象，均应作作详细描述述和记录。。（3）试验结束束后，翻转转试体，测测量实际剪剪切面面积积。详细记记录剪切面面的破坏情情况、破坏坏方式、擦擦痕的分布布、方向及及长度。应应描述岩体体、混凝土土内局部被被剪断的部部位和大小小、剪切面面上碎屑物物质的性质质和分布。。对结构面面中的充填填物，应详详细记述其其组成成分分、性质、、厚度等。。测定剪切切面的起伏伏差，绘制制沿剪切方方向断面高高度的变化化曲线。绘绘制剪切面面素描图并并作剪切面面等高线图图。计算法向和和剪切应力力绘制试验曲曲线（1）根据同一一组直剪试试验结果，，绘制各法法向应力下下的剪应力力与剪切位位移或法向向位移的关关系曲线。。（2）根据上述述曲线确定定各阶段特特征点：如如线性比例例极限、屈屈服点、屈屈服强度或或剪切过程程中垂直和和侧向位移移定出的剪剪胀点和剪剪胀强度等等。（3）绘制法向向应力与比比例强度、、屈服强度度、峰值强强度、残余余强度的曲曲线，按库库仑表达式式确定相应应的C、φ值。9.5资料整理与与分析剪应力-剪切位移曲曲线剪应力与垂垂直压应力力关系曲线线—混凝土与岩岩石胶结面面试验结果果—岩石结构面面或软弱岩岩石面试验验结果对软弱结构构面试验应求出结构构面的基本本摩擦角与与有效爬坡坡面（扩张张角）。剪切刚度系系数的确定定需要时，按按下式确定定剪切刚度度系数ks（KN/m3）：10.1概述10岩体原位应应力测试试验目的岩体应力现现场测量的的目的是了了解岩体中中存在的应应力大小和和方向，从从而为分析析岩体工程程的受力状状态以及为为岩体加固固支护提供供依据。岩岩体应力力测量还是是预报岩体体失稳破坏坏以及预报报岩爆的有有力工具。。岩体应力测测量可以分分为岩体初初始应力测测量和地下下工程应力力分布测量量，前者是是为了测定定岩体初始始地应力场场，后者则则是为了测测定岩体开开挖后引起起的应力重重分布状况况。按测试的不不同部位，，分为表面面法和孔内内法。按测试的物物理量，分分为直接测量法法和间接测量法法两大类。按测试用的的元件，分分为机械式式、电阻式式和电感式式三种。按测试时岩岩体中应力力的改变状状态，分为为应力解除除法和应力力恢复法。。按测试手段段的不同，，将在实际际测量中使使用过的测测量方法分分为构造法法、变形法法、电磁法法、地震法法和放射性性法5大类。按测试原理理的不同，，分为应力力恢复法、、应力解除除法、应变变恢复法、、应变解除除法、水压压致裂法、、声发射法法、X射线法、重重力法共8类。试验分类直接测量法法是由测量仪仪器直接测测量和记录录各种应力力的量，如如补偿应力力、恢复应应力、平衡衡应力，并并由这些应应力量和原原岩应力的的相互关系系，通过计计算获得原原岩应力值值。扁千斤斤顶法、水水压致裂法法、刚性包包体应力计计法和声发发射法均属属直接测量量法。其中中，水压致致裂法目前前应用最为为广泛，声声发射法次次之。间接测量法法不是直接测测量岩体的的应力量，，而是借助助传感元件件或某些介介质，测量量和记录岩岩体中某些些与应力有有关的间接接物理量的的变化，如如岩体中的的变形或应应变，岩体体的密度、、渗透性、、吸水性、、电阻、电电容的变化化，弹性波波传播速度度的变化等等，然后由由测得的间间接物理量量的变化，，通过已知知的公式计计算岩体中中的应力值值。根据《岩土工程勘勘察规范》（GB50021-2001）的有关规规定，应力力解除法中中的孔壁应应变法、孔孔径变形法法和孔底应应变法是岩岩体原位应应力测试的的推荐方法法，这几种种方法都适适用于无水水、完整或或较完整岩岩体的应力力量测。本章主要介介绍孔壁应变法法。10.2试验原理孔壁应变法法、孔径变变形法和孔孔底应变法法属于应力力解除法，，它的基本本原理是：：假定岩体体为均质的的、连续的的、各向同同性的弹性性介质，利利用试验方方法求得其其弹性模量量和泊松比比μ。当需要测测定岩体中中某一点的的应力状态态时，人为为地将该点点的岩体单单元与其基基岩分离，，此时岩体体单元上所所受的应力力将被解除除，同时该该单元体的的几何尺寸寸将产生弹弹性恢复。。应用一定定的仪器（（测试元件件）测得这这种弹性恢恢复的数值值，最后根根据弹性理理论公式计计算出该点点的原始应应力状态。。应力力解解除除法法示示意意图图10.3试验验设设备备测量量仪仪表表和和安安装装设设备备：电电阻阻应应变变仪仪（（附附预预调调平平衡衡箱箱）），，安安装装杆杆及及安安装装器器，，孔孔壁壁孔孔端端清清洗洗器器及及烘烘干干器器，，水水平平及及垂垂直直定定向向装装置置，，围围岩岩率率定定器器，，稳稳压压电电源源设设备备。。钻孔孔设设备备：坑坑道道钻钻机机及及配配套套的的岩岩心心管管、、钻钻杆杆等等器器材材，，与与应应变变计计型型号号配配套套的的金金刚刚石石钻钻头头、、合合金金钻钻头头、、扩扩孔孔器器、、孔孔底底磨磨平平钻钻头头和和锥锥形形钻钻头头等等。。应变变计计方法仪器钻孔孔壁应变测试法孔壁应变计（钻孔三叉应变计、空心包体式三向应变计）孔径变形法孔径变形计（压磁应力计、孔径变形计）孔底应变法孔底应变计三叉叉式式应应变变计计结结构构示示意意图图1-导向向块块；；2-橡皮皮叉叉；；3-16芯插插头头与与插插座座；；4-金属属壳壳；；5-橡皮皮塞塞；；6-电缆缆；；7-楔头头；；8-补偿偿钻孔孔三三叉叉应应变变计计因因直直接接在在孔孔壁壁上上贴贴应应变变片片，，要要求求孔孔壁壁干干燥燥，，故故适适用用于于地地下下水水位位以以上上完完整整、、较较完完整整细细粒粒结结构构的的岩岩体体，，孔孔深深不不宜宜超超过过20m。为为排排除除孔孔内内积积水水，，钻钻孔孔宜宜向向上上倾倾斜斜3°°~5°°。空心心包包体体式式三三向向应应变变计计结结构构示示意意图图1-安装装杆杆；；2-定向向器器导导线线；；3-定向向器器；；4-读数数电电缆缆；；5-定向向销销；；6-密封封圈圈；；7-环氧氧树树脂脂筒筒；；8-空腔腔；；9-固定定销销；；10-应变变计计与与孔孔壁壁之之间间的的孔孔隙隙；；11-栓塞塞；；12-岩石石钻钻孔孔；；13-出胶胶小小孔孔；；14-接头头；；15-导向向头头；；16-应变变丛丛10.4试验过过程1．试验验孔钻钻进先用大大孔径径合金金钻头头开孔孔。钻钻至预预定深深度，，取出出岩芯芯，仔仔细观观察节节理、、裂隙隙发育育情况况，进进行地地质描描述。。钻孔孔一般般上倾倾2°~5°°，以便便排水水排渣渣。2．孔底底磨平平检查孔孔底有有无残残留岩岩芯，，如有有且长长度在在10cm以上，，应设设法取取出。。用针针状合合金平平钻头头，对对孔底底进行行粗磨磨。用用金刚刚石或或砂轮轮磨平平钻头头，对对孔底底再进进行细细磨。。随后后用锥锥形钻钻头打打喇叭叭口。。3．中心心测孔孔钻进进测孔用用小孔孔径钻钻头钻钻进。。要求求测孔孔与解解除孔孔（大大孔））同心心，同同心度度宜小小于2mm，深度度50cm左右。。用卡卡簧或或管卡卡扭断断岩心心，取取出后后进行行地质质描述述。钻钻进时时应均均匀施施力，，全孔孔要求求一个个钻头头连续续钻进进至终终孔。。如孔孔壁达达不到到要求求，须须采用用金刚刚石扩扩孔器器扩孔孔。当当岩芯芯破碎碎时，，应重重复操操作，，直至至找到到完整整岩芯芯。4．清洗洗测孔孔先用清清水冲冲洗测测孔孔孔壁和和大孔孔孔底底岩面面，随随后用用高压压风吹吹干（（或用用电阻阻丝式式烘烤烤器烘烘干，，注意意温度度不宜宜太高高）。。用纱纱布包包扎脱脱脂棉棉，缠缠绕在在安装装杆上上，浸浸以丙丙酮，，往返返擦洗洗，直直到脱脱脂棉棉上看看不出出有污污垢物物为止止。5．测测试试元元件件安安装装及及读读数数1）安安装装应应变变计计。。安安装装前前须须做做好好各各项项准准备备工工作作，，并并检检查查应应变变计计是是否否合合格格。。2）初初始始读读数数向钻钻孔孔内内冲冲水水，，每每隔隔10min读数数一一次次，，连连续续三三次次读读数数差差不不超超过过±5μεε，即即认认为为稳稳定定。。并并将将此此读读数数作作为为初初始始值值。。3)钻孔孔解解除除及及应应变变测测量量用大大孔孔径径钻钻头头进进行行解解除除时时，，开开钻钻后后使使钻钻头头离离开开孔孔底底1-2cm，使使钻钻机机低低速速缓缓慢慢推推进进；；然然后后再再换换高高速速档档，，以以免免钻钻头头受受损损，，也也利利于于保保持持岩岩芯芯的的完完整整性性。。在解解除除过过程程中中，，按按预预定定的的分分级级深深度度（（每每级级深深度度宜宜为为2cm）停停钻钻读读数数，，每每级级连连续续读读数数两两次次。。如如发发现现两两次次读读数数有有突突变变现现象象，，可可加加测测读读数数一一次次。。套钻钻解解除除深深度度应应超超过过孔孔底底应应力力集集中中影影响响区区。。解解除除深深度度达达到到35cm后，，一一般般读读数数趋趋于于稳稳定定，，此此后后连连续续两两级级读读数数不不超超过过±5μμεε时，，可可认认为为已已达达到到解解除除深深度度的的要要求求。。但但最最小小解解除除深深度度不不得得小小于于38cm，最最大大解解除除深深度度达达45cm即可可。。随后后继继续续往往解解除除孔孔冲冲水水。。最最后后一一级级每每隔隔5~10min读数数一一次次，，连连