现场直接剪切试验 (2)

及地下洞室围岩等岩体本身可能发生剪切失稳时，可采用 本试验方法。
目前，在现场测定岩体的抗剪强度有多种方法，如直
剪试验、三轴试验、扭转试验、拔锚试验等。为国内外最 为通用的直剪试验。
2．岩体沿软弱结构面直剪试验
是测定岩体沿软弱结构面的抗剪强度和变形的试验。
岩体中软弱结构面的抗剪强度，是指在外力作用下，软弱
三、现场剪切试验的目的
可确定岩体的抗剪强度参数和剪切刚度系数。
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，比室 内岩块试验更符合实际情况。
四、各类剪切试验的适用性
1．岩体本身直剪试验
岩体本身直剪试验是为测定在外力作用下，岩体本身
的抗剪强度和变形的试验。在验算坝基、坝肩、岩质边被
同一组试体(不少于5块)，选用工程地质条件相同地段，
3．浇注混凝土试体
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）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（或楔形体），每组试体数量 不宜少于5个，并尽可能处在同一高程。 （2）试体剪切面积不宜小于2500cm2，边长不宜小于
在极限状态下，应力条件应满足库仑公式：
qmaxcosα σtan C
qmax σtan C cosα
只要预估出剪切面上的f（摩擦系数，tanφ）、C值，α
＝15°，σ也可给定，即可计算qmax。然后乘以剪切面积F
就是Qmax，按Qmax分级加载试验。
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：
试体展示图等。
2．试点的选择及整理
（1）选试点
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)。
τ f C σ tan
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（°）； 依据所测得的τ 可推求出相应的C、φ值。
依据所测得的τf可推求出相应的C、φ值。
（1）平推法
法向应力：σ＝P/F 切向应力：τ=q/F （2）斜推法 法向应力：σ＝P/F＋Qsinα/F 切向应力：τ= Qcosα/F 式中，Q——作用于剪切面上的总斜向荷载（N）；
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。
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，如图8—2。
4．岩体现场载荷试验
岩体现场载荷试验是为确定地基破坏时的极限荷载所 做的试验。它可以为工程设计提供岩体地基的允许承载力
数据。通常只有半坚硬及软弱岩体才做此项试验。该试验
第8章 现场直接剪切试验


第一节 概述 第二节 试验的基本原理
第三节 试验的仪器设备 第四节 试验技术要求及方法
第五节 资料整理及影响因素分析 第六节 岩休沿软弱结构面的直剪试验
第一节
概 述
一、岩体强度的概念
二、现场剪切试验分类 三、现场剪切试验的目的 四、各类剪切试验的适用性
第 一 节 概 述
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，见图8－3。
1．安装垂直加荷系统 在试体顶面铺以一层橡皮板或砂浆地层，垫层上
放传压钢板，并用水平尺找平，然后依次放置：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)。
（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。
二、设备安装
（2）施力公式推导
1）应力计算
法向应力： σ＝P/F＋Qsinα/F＝p＋qsinα （记P/F＝p，Q/F=q） 切向应力：
τ= Qcosα/F ＝qcosα
2) 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。
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
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（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：8－12只； （3）磁性表架：8－12只； （4）测量表架：工字钢2根；
整个垂直加荷系统必须与剪切面垂直，垂直合力应
通过剪切面中心。
2．安装侧向剪切加荷系统 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12～17°，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。
安装水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
第三节 试验方法及技术要求
一、试验前的准备工作 二、试验前的资料准备 三、试验步骤及技术要求
第 三 节 试 验 方 法 与 技 术 要 求
一、试验前的准备工作
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、
(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，才能使试验顾利进行。
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。
3．布置安装测表 （1）混凝土试体两侧靠近剪切面的四个角点处，布置水 平向和垂直向测表各四只，测量绝对变形；
（2）根据需要可在试体及其周围基岩面上，安装测量绝
对位移和相对位移的测表； （3）测表支架应牢固地安装于支点上，支点位于变形影 响范围以外，最好是简支梁形式； （4）支架固定后安装测表。
每类试验又可细分为：
（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。 抗剪强度（摩擦强度），抗切强度。如图8－1所示：
从而根据库仑方程得到相应的强度指标：抗剪断强度，
由σ＝p＋qsinα，得出： p＝P/F＝σ－qsinα
4）最小正应力σmin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σmin值。 为使在剪切时p≥0，即：σ－qsinα≥0 在极限状态下，还应满足：
qcosα σtan C
建立联立方程组 σ－qsinα＝0
α——斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。
第三节 试验的仪器设备
一、设备组成 二、设备安装
一、设备组成
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。
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。
（4）在试验之前，先测定混凝土的强度，以供试验分析
资料用。
（5）试体浇注完毕，即可注水饱和，同时对混凝土进行 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。
如小于此值，将会出现P值不够减的情况。显然，还要对f、
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
Q max σtan C F
Q max (σtan C ) F
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。
qcosα σtan C
解得
min
C ctgα tan
把根据试体实际情况估计的剪切面的f、C值、α＝
15°，代入上式，即可计算出剪切面上所需施加的σmin值。 C值的估计应接近剪切面的实际值；估计值偏大时，试体 破坏时的斜向荷载Q将达不到设计的值，估计值偏小时， 同样全出现P值不够减的情况。
（6）试验的布置方案一般如图8－4所示：
图8－4 岩体现场直剪试验布置方案
当剪切面水平或接近水平时，采用abcd方案； 当剪切面较陡时（如软弱结构面），采用ef方案。
二、试验前的资料准备
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。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：
结构面抵抗剪切的能力。 为评价坝基、坝肩、岩质边坡及洞室围岩可能沿软弱 结构面产生滑动失稳时所采用的试验方法。
3．混凝土与岩体直剪试验
混凝土与岩体直剪试验是为测定现场混凝土与岩体之
间(胶结面)的抗剪强度和变形特征所进行的试验。为评价 水工建筑物沿基础接触面可能发生剪切破坏时，校核其抗 滑稳定性时采用此项试验。 混凝土与岩体抗剪强度试验在现场可以有各种不同的
一、岩体强度的概念
通常所讲的岩体强度是指岩体的抗剪强度，即岩体
抵抗剪切破坏的能力。也就是说，岩体在任一法向应力
作用下，剪切破坏时所能抵抗的最大剪应力值，称该剪 切面在此法向应力下的抗剪强度。
二、现场剪切试验分类
现场剪切试验可分为三类：
（1）岩体本身直剪试验；
（2）岩体沿软弱结构面的直剪试验； （3）岩体与混凝土接触面的直剪试验。
原理及方法与土体载荷试验基本相同，一般与岩体变形试 验结合在一起进行。
第二节 试验的基本原理
上述几种现场直剪试验，由于剪切对象不同，其试
第 二 节 试 验 原 理
点的选取、试体的规格和制备要求、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（1776），有：