現(xiàn)場直接剪切試驗課件

現(xiàn)場直接剪切試驗主要內(nèi)容1、概述2、試驗基本原理3、試驗儀器設(shè)備4、試驗方法及技術(shù)要求5、資料整理及影響因素分析6、工程實例應(yīng)用一、概述發(fā)展史直剪試驗最早在一百多年前被AlexandreCollin用于邊坡穩(wěn)定研究所使用。早期的直剪試驗儀均為應(yīng)力控制式，第一臺現(xiàn)代的直剪儀是在1932年Casagrande在哈佛大學(xué)設(shè)計的，Gilboy于1936年在麻省理工學(xué)院將位移控制引入到直剪儀中，從而可以得到土體材料較為準(zhǔn)確的應(yīng)力-位移關(guān)系和峰值以后的強度特性。目前常規(guī)的室內(nèi)直剪儀一般都是應(yīng)變控制式，試驗時用環(huán)刀切出厚為20mm的圓形土餅，將土餅推入剪切盒內(nèi),分別在不同的垂直壓力P下，施加水平剪切力進行剪切，使試樣在上下剪切盒之間的水平面上發(fā)生剪切至破壞，求得破壞時的剪切應(yīng)力τ，根據(jù)庫倫定律確定土的抗剪強度參數(shù)：內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。直剪試驗所測試的巖土體的抗剪強度，在工程應(yīng)用中具有重要的參考價值。

試驗分類

現(xiàn)場直剪試驗可分為以下三種：1、巖土體本身直剪試驗2、巖土體沿軟弱結(jié)構(gòu)面的直剪試驗3、巖土體與混凝土接觸面的直剪試驗。每種試驗又可細(xì)分為：1、抗剪斷試驗：試體在法向應(yīng)力作用下沿剪切面剪切破壞的直剪試驗；2、抗剪試驗（摩擦試驗）：試體剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的抗剪試驗；3、抗切試驗：法向應(yīng)力為0時對試體進行的直剪試驗。（1）平推法法向應(yīng)力：σ＝P/A切向應(yīng)力：τ=Q/A（2）斜推法法向應(yīng)力：σ＝P/A＋Qsinα/A切向應(yīng)力：τ=Qcosα/A

式中，Q——作用于剪切面上的總斜向荷載（N）；

α——斜向荷載施力方向與剪切面之間的夾角。三、試驗儀器設(shè)備1、設(shè)備組成2.設(shè)備安裝設(shè)備組成1．試體制備系統(tǒng)手風(fēng)鉆（或切石機）、模具、人工開挖工具各1套。2．加荷系統(tǒng)（1）液壓千斤頂，2臺；根據(jù)巖土體強度，最大荷載及剪切面積選用不同規(guī)格；（2）油壓泵（附壓力表、高壓油管、測力計等），2臺；手搖式或電動式，對千斤頂供油用。4．測量系統(tǒng)（1）壓力表：精度為一級的標(biāo)準(zhǔn)壓力表一套，測油壓用；（2）千分表：8－12只；（3）磁性表架：8－12只；（4）測量表架：工字鋼2根；（5）測量標(biāo)點：有機玻璃或不銹綱。5．反力系統(tǒng)若試驗是在平硐中進行，則不需要另外的反力裝置，直接利用巖體承擔(dān)反力；若在井巷、露天場地的試坑或平的巖體表面進行，則需要安裝加荷系統(tǒng)的反力裝置，一般是打地錨。6．輔助系統(tǒng)（1）安裝工具一套；（2）澆搗混凝土工具一套；（3）照像設(shè)備一套。圖3-1現(xiàn)場直剪施加垂直荷載裝置安裝應(yīng)按下列順序進行：1、在試樣表面鋪砂、擊實并末平整至剪切盒表面；2、安裝下鋼板、滾排、上鋼板；3、安裝油壓千斤頂，將施力中心對準(zhǔn)試樣中心；4、安裝滑塊、傳力柱，并對準(zhǔn)工字形鋼梁中心。施加橫向荷載裝置安裝應(yīng)按下列順序進行：1、安裝定頂壓鋼板，并在底部墊約1cm厚木板2塊，兩端放置緊貼剪切盒，巖石試驗還應(yīng)在頂壓鋼板與剪切盒之間墊放橡皮墊；2、安裝油壓千斤頂，使其施力中心對準(zhǔn)剪切面，且位于試樣中線；3、安放滑塊位于油壓千斤頂后座中心；4、安放后座鋼板，并將該鋼板與試槽壁之間填實，

1、安裝斜向千斤頂時，須嚴(yán)格定位。斜向推力作用方向與剪切面的夾角一般為12～17°，一般用15°。使千斤頂?shù)妮S線穿過剪切面中心，力爭剪切面受力均勻。

2、安裝水平千斤頂時須嚴(yán)格定位，水平推力應(yīng)通過預(yù)定的剪斷面。當(dāng)難以滿足此要求時，著力點距剪切面距離應(yīng)控制在試件邊長（巖剪切方向）的5％以內(nèi)，試驗前應(yīng)對此距離進行實測記錄，供資料分析用。

針對斜推和平推兩種不同情況，需要特別關(guān)注以下兩點：

油壓剪切試驗裝置（豎向施力裝置），可參照圖3-3進行安裝測量垂直變形的百分表應(yīng)安裝在剪切盒對角線上。測量水平位移的百分表應(yīng)安裝在受剪方向的兩側(cè)。為保證試驗的順利進行，各測量儀表支架固定端應(yīng)牢固可靠。圖3-3油壓剪切試驗裝置圖四、試驗方法及技術(shù)要求2、試驗前的資料準(zhǔn)備1、試驗前準(zhǔn)備工作3、實驗步驟及技術(shù)要求1、試驗前準(zhǔn)備工作1．試驗前的地質(zhì)描述

地質(zhì)描述為試驗成果的整理分析和計算指標(biāo)的選擇提供可靠依據(jù)，并為綜合評價巖體工程地質(zhì)性質(zhì)提供依據(jù)。具體內(nèi)容包括：（1）試驗地段開挖、試樣制備方法及出現(xiàn)的問題；（2）試點編號、位置、尺寸；（3）試段編號、位置、高程、方位、深度、斷面形狀和尺寸；（4）巖土體巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、主要造巖礦物、顏色等；（5）各種結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布特點、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、組合關(guān)系等；（6）巖土體的風(fēng)化程度、風(fēng)化特點、風(fēng)化深度等；（7）水文地質(zhì)條件，包括地下水類型、化學(xué)成分、活動規(guī)律、出露位置等；（8）巖爆、硐室變形等與初始地應(yīng)力有關(guān)的現(xiàn)象；（9）試驗地段地質(zhì)橫剖面圖、地質(zhì)素描圖、鉆孔柱狀圖、試體展示圖等。

2．試點的選擇及整理（1）選試點試驗場地應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件和建（構(gòu)）筑物的受力特點等選擇在具有代表性的地段。同一地質(zhì)單元，試驗組數(shù)不得少于3組，每一組試驗不應(yīng)少于5個試驗點，同一組各試驗點應(yīng)在同一地質(zhì)單元。（2）試點整理在所選試點上，對硐頂板及斜向(或水平)推力后座大致加工平整。預(yù)澆混凝土地基面起伏差控制在試體邊長的1～2％內(nèi)(沿推力方向)，試體范圍外起伏差約為試體邊長的10％。(平推法同時開挖放置水平千斤頂?shù)目硬?。2、試驗前的資料準(zhǔn)備1．斜推法試驗（1）加荷分析首先應(yīng)對每一個試體施加一定的垂直荷載，然后再施加斜向剪切荷載，進行試驗。由于斜向荷載可分解為平行于剪切面的切應(yīng)力和垂直剪切面的正應(yīng)力，故一旦加上斜向荷載，剪切面上的正應(yīng)力隨之增加這個分量。從而出現(xiàn)了正應(yīng)力的處理問題，即在剪切過程中，剪切面上的正應(yīng)力是保持常數(shù)還是變數(shù)的問題。當(dāng)正應(yīng)力為變數(shù)時，剪切面上的應(yīng)力條件比較復(fù)雜，而且作出的剪應(yīng)力—剪位移曲線圖形失真，對試驗成果的整理和分析都帶來困難，因此，現(xiàn)行規(guī)范將正應(yīng)力視作常數(shù)處理。為此，在試驗前，就要求設(shè)計出試體應(yīng)施加多大的垂直荷載和斜向荷載，才能使試驗顧利進行。

2）施力公式推導(dǎo)1）應(yīng)力計算法向應(yīng)力：σ＝P/A＋Qsinα/A＝p＋qsinα（記P/A＝p，Q/A=q）切向應(yīng)力：τ=Qcosα/A＝qcosα建立聯(lián)立方程組解得：把根據(jù)試體實際情況估計的剪切面的f、C及α值代入上式，即可計算出剪切面上所需施加的σmin值。如小于此值，將會出現(xiàn)P值不夠減的情況。顯然，還要對f、C值的估計應(yīng)接近剪切面的實際值；估計值偏大時，試件破壞時的斜向荷載Q將達不到設(shè)計的值，估計值偏小時，同樣全出現(xiàn)P值不夠減的情況。2．平推法試驗不需要減少P值，但試驗前，也要對剪切荷載進行估算。在極限平衡狀態(tài)下，剪切面上的應(yīng)力條件符合莫爾－庫侖公式：得：如果根據(jù)巖性、構(gòu)造等條件，預(yù)估出f、C值，代入上式即可估算出試體剪切破壞時最大剪切荷載，方便在試驗過程中分級施加。

3、試驗步驟及技術(shù)要求1．儀器的標(biāo)定、檢測

試驗前，根據(jù)對千斤頂（或液壓枕）作的率定曲線和試體剪切面面積，計算施加的荷載和壓力表讀數(shù)對應(yīng)關(guān)系。檢查各測表的工作狀態(tài)，測讀初始讀數(shù)。

2．施加垂直荷載1）在每組(≥3個)試體上，分別施加不同的垂直荷載，加于試體上的最大垂直荷載，以不小于設(shè)計法向應(yīng)力為宜。當(dāng)剪切面有軟弱物充填時，最大法向應(yīng)力以不擠出充填物為限。2）按變形控制：荷載可分4到5級等量施加，每施加一級荷載，立即測記垂直變形，此后每隔5min讀數(shù)一次，當(dāng)5min內(nèi)垂直變形值不超過0.05mm時，可施加下一級荷載，施加最后一級荷載后按5min、10min、15min的時間間隔測記垂直變形值當(dāng)連續(xù)兩個15min垂直變形累計不超過0.05mm時，即認(rèn)為垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定，可施加剪切荷載3．施加剪切荷載

剪切荷載的施加應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）每級剪切荷載按預(yù)估計最大剪切荷載的8%~10%或按垂直荷載的5%~10%分級等量施加。2）當(dāng)施加剪切荷載所引起的剪切變形為前一級的1.5倍以上時，下一級剪切荷載則減半施加。

3）巖體按每5min~10min，土體按30s施加一級剪切荷載。

4）每級剪切荷載施加完成后，應(yīng)立即測記垂直變形量、剪切荷載和剪切變形量。

5）當(dāng)達到剪應(yīng)力峰值或剪切變形急劇增加或剪切變形大于試件直徑（或變長）的1/10時，即認(rèn)為已剪切破壞，可終止試驗。

從目前資料看，剪切荷載的施加亦可分為應(yīng)變控制和時間控制，國外大部分采用變形控制法。國內(nèi)在五十年代大都按照蘇聯(lián)的方法，即采用變形控制法，近來大都轉(zhuǎn)向以時間控制。試體剪斷后，可進行剪斷面的殘余抗剪強度試驗，就是將抗剪試驗后的試樣推回原處，重新檢查調(diào)整儀器設(shè)備使其符合第三章所述要求，然后再次剪切。試驗需要注意以下幾點：1、殘余抗剪強度試驗應(yīng)分為單點法和多點法；2、殘余抗剪強度試驗的各種垂直荷載的確定應(yīng)與峰值試驗的一致；3、橫向推力的施加應(yīng)與峰值試驗的一致；4、當(dāng)完成各級垂直荷載下的殘余抗剪強度試驗后，應(yīng)在現(xiàn)場將試驗結(jié)果初步繪制σ—τ曲線圖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某組數(shù)據(jù)不合理時，應(yīng)立即補做該組試驗。4．試驗記錄（1）試驗前記錄好以下內(nèi)容：工程名稱、巖石名稱、試體編號、試體位置、試驗方法、混凝土的強度、剪切面面積、測表布置、法向荷載、剪切荷載、法向位移、試驗人員、試驗日期。（2）試驗過程中：詳細(xì)記錄碰表、調(diào)表、換表、千斤頂漏油補壓，混凝土或巖體松動、掉塊、出現(xiàn)裂縫等異常情況。（3）試驗結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試體，測量實際剪切面面積。詳細(xì)記錄剪切面的破壞情況、破壞方式、擦痕的分布、方向及長度，繪出素描圖及剖面圖，拍照，并計算試驗后試件面積。當(dāng)完成各級垂直荷載下的抗剪試驗后，在現(xiàn)場將試驗結(jié)果初步繪制σ—τ曲線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某組數(shù)據(jù)偏離回歸直線較大時，立即補做該組試驗。五、資料整理及分析1、資料整理2、影響因素分析1、資料整理應(yīng)力計算現(xiàn)場直剪試驗，可參照試樣受力示意圖（見圖5-1）分別按公式5.1或5.2計算垂直壓應(yīng)力pv和剪應(yīng)力pH。圖5-1試樣受力示意圖5.15.2式中pv——垂直應(yīng)力（kPa）；

pH——剪應(yīng)力（kPa）；

P1——測力器測得的垂直荷載（kN）；

P2——測力器以下的設(shè)備自重（kN；）

P3——試樣自重（kN）；

Q——剪切荷載（kN）；

f——滾動滑板的西擦系數(shù)；

A——試樣剪切面面積（m2）

α——剪切面與水平面的夾角（°）抗剪強度（τ）的取值1、以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切變形為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線圖，見圖5-2，取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強度（τ）。2、當(dāng)剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線上無明顯峰值時，取剪切變形量為試樣直徑（或變長）1/10處的剪應(yīng)力作為抗剪強度（τ）圖5-2剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線殘余抗剪強度（τT）

以剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線上剪應(yīng)力的穩(wěn)定值作為殘余抗剪強度（τT），見圖5-3，值得注意的是此穩(wěn)定值即為相鄰兩次剪切應(yīng)力的差值不大于10%。圖5-3剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線巖土體粘聚力（C）及內(nèi)摩擦角（φ）的確定1、圖解法以抗剪強度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力C，直線的傾斜角為內(nèi)摩擦角φ，如圖5-4所示：圖5-4抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線2、用最小二乘法計算式中τ—抗剪強度（kPa）；

n—每組試驗的試樣個數(shù)。巖土體殘余粘聚力及殘余內(nèi)摩擦角的確定1、圖解法以殘余抗剪強度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制殘余抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線在縱坐標(biāo)上的截距為殘余粘聚力Cr,直線的傾角為殘余內(nèi)摩擦角φr,，如圖5-5所示：圖5-5殘余抗剪強度與垂直壓應(yīng)力關(guān)系曲線2、用最小二乘法計算式中τr——殘余抗剪強度（kPa）

試驗工作全部結(jié)束后，應(yīng)編制試驗成果報告，內(nèi)容包括：1、文字部分：

1）各組試驗的坐標(biāo)位置及高程；

2）試驗地層描述；

3）試驗方法；

4）測力器和兩側(cè)變形儀表的精度；

5）C、φ值及確定標(biāo)準(zhǔn)；

6）試驗過程中有關(guān)情況說明。2、圖表部分：

1)試驗段的地質(zhì)剖面圖；

2）各試樣剪應(yīng)力、剪切變形成果表及關(guān)系曲線；

3）抗剪強度、垂直壓力成果表及關(guān)系曲線；4）試驗設(shè)備安裝示意圖5）殘余抗剪強度、垂直壓力成果表及關(guān)系曲線。2、影響因素分析1．試體尺寸的影響

特別是巖體試件，含有節(jié)理、裂隙、層面和斷層等要素，一般認(rèn)為，試體應(yīng)具有一定數(shù)量的裂隙條數(shù)(100條到200條），或其邊長大于裂隙平均間距的5～20倍。結(jié)合國際巖石力學(xué)建議方法和國內(nèi)經(jīng)驗，規(guī)定如下：一般巖體，試體為70cm×70cm×70cm；對完整堅硬巖石，試體為50cm×50cm×50cm，試體受壓剪切面積大于2500cm2

。2．剪切面平整度對抗剪強度有重要影響

結(jié)合國內(nèi)實踐經(jīng)驗，規(guī)定制備的剪切面，其起伏差不大于剪切方向邊長的1％～2％。

3．在制備試體時，若軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱巖石受到擾動，則將嚴(yán)重影響測定成果。因此，在制備過程中應(yīng)嚴(yán)格防止擾動試體，才能取得可信的試驗結(jié)果。

4．剪切過程中，垂直壓應(yīng)力保持常量并盡量使其均勻分布；平推法的剪力作用線與剪切面間存在偏距，加大了垂直壓應(yīng)力的分布不均，影響測定成果。因此，規(guī)定試驗中偏距應(yīng)嚴(yán)格控制在剪切面邊長的5％以內(nèi)。5．直剪試驗的剪力施加速率有快速、時間控制和剪切位移控制三種方式。國內(nèi)經(jīng)驗表明，在屈服點以前，時間控制法和位移控制法得到的結(jié)果是一致的；但在之后，位移持續(xù)發(fā)展，按位移就很難控制剪力施加速率，而采用時間控制就便于掌握。

六、工程實例應(yīng)用工程實例1該工程位于某河流南岸,地形坡度較陡,巖石破碎,植被稀少,在河流切割、地表水沖刷、地下水侵蝕以及煤窯采空等因素,對該場區(qū)邊坡的穩(wěn)定造成一定影響,特別是近年來由于因特大洪水、地下水動力條件的急劇改變、河流改道施工等原因,不斷改變著山體的環(huán)境地質(zhì)條件,河流改道切割山體,在滑坡上加荷,這一切都進一步惡化了滑坡的穩(wěn)定環(huán)境,產(chǎn)生緩慢滑移而形成的滑坡,對該場區(qū)內(nèi)的建筑物造成安全隱患,因此必須對邊坡進行穩(wěn)定性分析和治理。工程實例2該工程位于某市西側(cè)一緩斜坡上,整個場地屬斜坡地貌,植被覆蓋好,局部為舊房拆除區(qū),地形總體呈斜坡狀,由北西向南東傾斜,局部存在土坎,最大相對高差約13m。從地質(zhì)構(gòu)造上來看,擬建場區(qū)為都勻向斜西翼軸部地帶,巖層單斜產(chǎn)出,傾向南東(約140),傾角55左右。表層為第四紀(jì)殘、坡積土,下伏為二疊系上統(tǒng)吳家坪組之灰、灰白色薄至中厚層硅質(zhì)巖,間夾綠色薄層頁巖,無大斷裂通過場區(qū);據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露,該場區(qū)巖土層自上而下分別由耕土、碎石粘土層及基巖層組成的混合土;由于在場區(qū)內(nèi)上覆的碎石粘土層厚度較大,在場地平整后,其東北、西南、南西面將有高為3.0m-12.0m不等的土質(zhì)邊坡,且該類邊坡穩(wěn)定性較差,須對邊坡進行治理,作永久性保護。室外水平推剪試驗與室內(nèi)直剪試驗室外試驗點的選取根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、邊坡土體的種類、成因、性質(zhì)和軟弱層的分布及其下伏基巖面的形態(tài)及坡角,確定其潛在滑動面,在現(xiàn)場選取具有代表性的土層、控制邊坡穩(wěn)定的軟弱面進行現(xiàn)場原位剪切試驗。為了使現(xiàn)場土體的剪切方向盡量與邊坡滑動方向一致,根據(jù)勘察資料選用水平推剪試驗水平推剪法試驗結(jié)果

工程一

1、山體滑坡現(xiàn)場剪切根據(jù)各試點滑動面草圖,繪制滑動體斷面圖,并將滑動體分成若干條塊,得到以下第一組、第二組各試點滑動體斷面圖，如下圖3所示；

2、計算單位寬度的每塊土體的重量g,然后按公式

計算c、φ值，所得結(jié)果見表1；工程2邊坡工程現(xiàn)場剪切試驗根據(jù)各試點滑動面的草圖,繪制滑動體斷面圖,并將滑動體分成若干條塊,