第10章-现场剪切试验

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70cmx70cm，并不小于50cmx50cm。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(7cmx7cmx7cm)和混凝土(15cmx15cmx15cm)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、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4—5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4—5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10—15min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1—2。•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0.5—1MPa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0.5~1mm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