岩土现场原位直剪验指导书

11岩体双千斤法顶直剪验指导书一试验目的本试验的目的是通过岩体直剪试验确定岩体的抗剪强度参数（内聚力c、内摩擦角φ）和剪切刚度系数。测定岩体抗剪强度参数和剪切刚度系数有室内测试和原位测试两种方法，在室内试验中，岩体样本尽管可以通过努力把取样扰动和切样扰动降低到最小限度,但是试样从地层深部取出时因应力释放而引起的扰动是无法避免的，而且精细的取样和试验技术现在还难以普遍推广应用。而原位直剪试验试体比室内试样大，能包含岩体宏观结构的变化，而且岩体结构没有受到扰动破坏，试验条件接近工程实际情况。而且原位测试是在原位应力条件下进行实验，不用取样，避免或减轻了对岩样的扰动程度，测定岩体的范围大，能反映微观、宏观结构对岩性的影响，比室内岩块试验更符合实际情况。二试验原理现场直接剪切试验原理与室内直剪试验原理相同，由于试验尺寸大且在现场进行，能把岩体的非均质性及软弱结构面对抗剪强度的影响更真实地反映出来。根据库伦破坏准则，有tancf（2-1）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——岩土体的粘聚力（kPa）；φ——岩土体的内摩擦角（°）；依据所测得的τf可推求出相应的c、φ值。岩体抗剪强度试验在现场可以有各种不同的布置方案，但就剪切荷载施加的方式只有两种，因此，按剪切荷载施加的不同方式，分为两种试验方法：即平推法试验和斜推法试验。采用平推法和斜推法时，由于剪切应力方向不一样，因此所采用的计算公式也有所不同。图2.1平推法与斜推法示意图12平推法试验按下面公式计算各法向荷载下的法向应力和剪切应力：σ=P/F（2-2）τ=Q/F（2-3）式中：σ——剪切面上的法向应力，Mpa;τ——剪切面上的剪切应力，Mpa;P——剪切面上的总法向荷载，N;Q——剪切面上的总剪切荷载，N;F——剪切面面积，mm2斜推法试验按下面公式计算法向应力和剪切应力：σ＝P/F＋Qsinα/F（2-4）τ=Qcosα/F（2-5）式中：Q——作用于剪切面上的总斜向荷载，N;α——斜向荷载方向与剪切面之间的夹角;其他符号含义同上文。三试验设备（1）试体制备设备：手风钻（或切石机）、模具、人工开挖工具各1套。（2）加载设备：液压千斤顶，2台；根据岩体强度，最大荷载及剪切面积选用不同行程；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）传力设备：高压胶管：若干(配有快速接头)，输送油压用；传力柱：无缝钢管一套，要求钢管必须有足够的刚度和强度；钢垫板：用45＃钢制成，一套，其面积可根据试体尺寸而定；滚轴排：一套，面积根据试体尺寸而定。（4）测量设备：压力表：精度为一级的标准压力表一套，测油压用；千分表：8－12只；磁性表架：8－12只；测量表架：工字钢2根；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）辅助设备：安装工具一套；浇捣混凝土工具一套；照像设备一套。四试验方法4.1试验前的准备工作4.1.1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13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、硐室断面形状和尺寸；（4）岩石岩性、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、结构面性质、组合关系等；（6）岩体的风化程度、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。4.1.2试点的选择及整理（1）选试点同一组试体(不少于5块)，选用工程地质条件相同地段，试体受力大小、方向及裂隙相对位置等，应尽量接近实际工程工作条件，尽可能位于同一高程上，试体间距应大于1.5倍试体最短边长，以免受力后变形互相影响。（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1～2％内(沿推力方向)，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的坑槽)。4.1.3试体制备根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2009）规定的试体布置、制备、加工尺寸应符合一般规定：（1）试体宜加工成方形体（或梯形体），每组试体数量不宜少于5个，并尽可能处在同一高程。通常平推法采用方形试体，斜推法采用梯形试体。（2）试体剪切面积不宜小于2500cm2，边长不宜小于50cm，试体高度不宜小于边长的2/3，试体间距应大于1.5倍试体最短边长。（3）试体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。剪切面周围的岩体应该大致凿平，清理干净浮渣。（4）根据设计要求，对试体保持天然含水量或者浸水饱和。（5）试验的布置方案一般如下图4.1所示，当剪切面水平或者接近水平时，采用abcd方案，剪切面较陡（如陡峭软弱结构面）时，采用ef方案。方案a：施加剪切荷载时有一力臂e1存在，使得剪切面的剪切力和法向应力分布不均匀。方案b：使施加的法向荷载产生的偏心力矩e2与剪切荷载产生的力矩e1平衡，14改善了剪切面的应力分布，但是法向荷载偏心力矩难以控制，实际操作困难。方案c：剪切面上应力分布均匀，但是试体施工困难。方案d：斜推法合力通过剪切面中心，在剪切面上不产生力矩，接近纯剪切试验。方案e：适用于剪切面正应力较大的情况。方案f：适用于剪切面正应力较小的情况。图4.1岩体现场直剪试验布置方案4.2试验前的资料准备4.2.1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。国外对这个问题持不同看法。在国内，大致采用以下三种方式来处理：（1）随着斜向荷载的施加，同步减小垂直压力表读数，使剪切面上的正应力在整个剪切过程中始终保持常数。（2）在施加斜向荷载时，始终不调整垂直压力表读数(实际上垂直压力表读数在增加)，此时剪切面上的正应力是变数。（3）在施加斜向荷载时，同步调整垂直压力表读数，使压力表读数始终保持在初始读数上。此时加于试体的正应力也是变数。上述（1）种方法，称之为常正应力法；（2）（3）两种方法称之为变正应力法。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。故现行规范规定为按常正应力法试验。为此，在试验前，就要求我们设计出试体应施加多大的垂直荷载和斜向荷载，才能使试验顺利进行。2施力公式推导15如下图4.2所示，梯形试体受到垂直荷载P和斜向荷载Q。法向应力与剪切应力分布为：法向应力：σ＝P/F＋Qsinα/F＝p＋qsinα（4-1）（记P/F＝p，Q/F=q）剪切应力：τ=Qcosα/F＝qcosα（4-2）式中：P——作用于试体上的垂直荷载，kN；Q——作用于试体上的斜向荷载，kN；F——剪切面面积，cm2；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Qmax。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：cσαqtancosmax（4-3）或者表达为：cos)tan(maxcFQ（4-4）式中：qmax——试体发生剪切破坏时的最大单位推力，qmax=Qmax/F；Qmax——预估试件破坏时总斜向荷载，kN；F——剪切面面积，cm2；σ——剪切面上的法向应力，kPa；tanφ——预估剪切面上的摩擦系数；c——预估的剪切面上的粘聚力，kPa；α——斜向荷载作用方向与剪切面夹角，（°）在试验过程中，为了保持剪切面上的正应力σ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σ＝P/F＋Qsinα/F＝p＋qsinα，得出：p＝P/F＝σ－qsinα（4-5）式中，符号意义同前。试验前，还应估计出剪切面上最小正应力σmin，防止因同步减少p而发生p值为负的情况。为使在剪切时p≥0，即：σ－qsinα≥0，在极限状态下，还应满足：qcosα=σtanφ+c，联立求得：tancotminc（4-6）式中，符号意义同前。图4.2斜推法试验164.2.2平推法试验不需要减少法向荷载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：cFQtanmax（4-7）计算得：)tan(maxcFQ（4-8）如果根据岩性、构造等条件，预估出φ、c值，代入上式即可估算出试体剪切破坏时最大剪切荷载Qmax，方便在试验过程中分级施加。4.3实验仪器安装总的安装顺序为：首先检查所有仪器设备，认为可靠后才能使用；标出垂直及剪切荷载安装位置后，先安装法向荷载系统，后安装切向荷载系统。试验仪器安装示意图如图4.3：图4.3平推法（左）、斜推法（右）仪器安装示意图4.3.1法向荷载系统安装在试体顶面铺以一层水泥砂浆（也可以是橡皮板或砂浆地层），放上钢垫板，垫板应该平行于预定剪切面，然后在垫板上依次安放：滚轴排、钢垫板、液压千斤顶、传力柱和顶部钢垫板等(滚轴排视具体情况也可放于顶部)。在顶部垫板和岩面之间浇筑混凝土或者砂浆，或安装反力装置。法向荷载系统应具有足够的强度与刚度。当剪切面倾斜或者荷载系统超过一定高度时，应对法向荷载系统进行支撑。整个法向荷载系统所有部件必须保持在加载方向同一轴线上，必须与预定剪切面垂直，垂直合力应通过剪切面中心。安装完毕，启动千斤顶，施加接触压力使整个法向荷载系统接触紧密，目的17是防止倒塌造成安全事故。千斤顶应该预留足够的行程。另外，在露天或者场地无法利用硐室顶板作反力支撑时，可用地锚作反力装置。当法向荷载不大时也可以采用压重物的方式。4.3.3剪切荷载系统安装在试体剪切荷载受力面使用水泥浆粘贴一块条形垫板，垫板底部与剪切面之间应预留约1cm的间隙，目的是防止条形垫板与试体底部的摩擦力对试验结果造成误差。在条形垫板后依次安放传力块、千斤顶、垫板。斜推法还应该加装滚轴排。在垫板和反力坐之间浇筑混凝土或砂浆。当试体推力面与剪切面垂直且采用斜推法时，在垫板后面依次安装斜垫块、千斤顶、垫板。安装剪切荷载系统时，千斤顶须严格定位，平推法推力中心线应平行于预定剪切面，且与剪切面的距离不应大于剪切方向试体边长的5%，试验前应对此距离进行实测记录，供资料分析用。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009），斜推法推力中心线应通过预定剪切面中心，与剪切面夹角宜为12°～17°。4.3.4测量系统安装测量支架的支点应在基岩变形影响范围外，支架应具有足够的刚度。在支架上安装测量表架和测量表。在试体两侧对称部位分别安装测量切向和法向（绝对位移）的测量表，每侧法向、切向位移测量表不少于2只。根据需要可布置测量试体及其周围基岩面之间相对位移的测表；测表布置示意图如下图4.4。图4.4测表布置示意图4.4试验步骤及技术要求（1）试验前，根据对液压千斤顶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。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009）要求：①在每组(4～5个)试体上，分别施加不同的垂直荷载，其值为最大法向荷载的等分值，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。18②对每个试体分4～5级施加其垂直荷载。垂直荷载一次施加完毕，加载用时间