现场岩土体直剪试验
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图3-2 卧式斜支撑安装示意图
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施加垂直荷载装置安装应按下列顺序进行： 1、在试样表面铺砂、击实并末平整至剪切盒表面； 2、安装下钢板、滚排、上钢板； 3、安装油压千斤顶，将施力中心对准试样中心； 4、安装滑块、传力柱，并对准工字形钢梁中心。 施加横向荷载装置安装应按下列顺序进行： 1、安装定顶压钢板，并在底部垫约1cm厚木板2块，两 端放置紧贴剪切盒，岩石试验还应在顶压钢板与剪切盒 之间垫放橡皮垫； 2、安装油压千斤顶，使其施力中心对准剪切面，且位 于试样中线； 3、安放滑块位于油压千斤顶后座中心； 4、安放后座钢板，并将该钢板与试槽壁之间填实，
现场直剪试验可分为以下三种：
1、岩土体本身直剪试验
2、岩土体沿软弱结构面的直剪试验
3、岩土体与混凝土接触面的直剪试验。
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每种试验又可细分为：
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。
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3、试件的制备
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）规定的试件布置、制备、 加工尺寸应符合一般规定： （1）试件宜加工成方形体（或楔形体），每组试体数量不宜少于3个，并尽 可能处在同一高程。 （2）试件剪切面积不宜小于2500cm2，边长不宜小于50cm，试件高度不宜小 于边长的2/3，试体间距应大于1.5倍试件最短边长。 （3）试件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，为试验的分析提供合理参考依据。 （5）如需混凝土浇筑试件，待浇注完毕，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
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四、试验方法及技术要求
1、试验前准备工作
2、试验前的资料准备
3、实验步骤及技术要求
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1、试验前准备工作
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、试样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、断面形 状和尺寸； （4）岩土体岩性、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）岩土体的风化程度、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。
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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。
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4．测量系统 （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； （5）测量标点：有机玻璃或不锈纲。
因此，只要预估出剪切面上的f（摩擦系数，tanυ）、
C值，α、σ都可给定，即可计算qmax。然后乘
以剪切面积A就是Qmax，按Qmax分级加载试验。
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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： 由σ＝p＋qsinα，得出： p＝P/A＝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：
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介绍一种新型直剪试验法
日本学者松冈元与刘斯宏等人开发研制了
ຫໍສະໝຸດ Baidu
一种新型现场直剪试验法，如图3-4所示：
用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中 的上剪切盒，并取消下剪切盒，将格子状的剪切 框直接埋于要测定强度的地盆中，在剪切框内的
图3-4 新型现场直剪概念图
试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需
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建立联立方程组
解得：
把根据试体实际情况估计的剪切面的f、C及α值代入上式， 即可计算出剪切面上所需施加的σmin值。如小于此值，将会 出现P值不够减的情况。显然，还要对f、C值的估
计应接近剪切面的实际值；估计值偏大时，试件破坏时的斜
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。
2. 设备安装
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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；根据岩土体强度， 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。
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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。
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优点: 由于现场直剪试验土样的受剪面积比室内试验大得多，且又是在现场直接进行 试验的，因此较室内试验更能符合天然状态，得出的结果更加符合实际工程的技术要 求。 适用条件
现场直剪试验主要适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土以及它们所组成的混合土层。
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LOGO 试验分类
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2．试点的选择及整理 （1）选试点
试验场地应根据工程地质条件和建（构）筑物的受力 特点等选择在具有代表性的地段。同一地质单元，试 验组数不得少于3组，每一组试验不应少于5个试验点， 同一组各试验点应在同一地质单元。
（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 坑槽)。
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（1）平推法 法向应力：σ＝P/A 切向应力：τ=Q/A （2）斜推法 法向应力：σ＝P/A＋Qsinα/A 切向应力：τ= Qcosα/A 式中，Q——作用于剪切面上的总斜向荷载（N）； α——斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。
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三、试验仪器设备
1、设备组成
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二、试验基本原理
尽管现场直剪试验分类不同，试验的对象不同，试点的选取、试样的 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，有 τ f = c +σ tanυ 式中 τ f —剪切破坏面上的剪应力（kPa），即土体的抗剪强 度； σ —破坏面上的法向应力（kPa）； c —土的内聚力（kPa）； υ —土的内摩擦角（°）。 依据测得的τ f，就可以求出c和υ 。
要的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条上的荷重计量测。在钢板的后侧中央部位设置一 水平位移计，用于测量试样的剪切位移，同时在钢板的前后对角线上各设置一垂直位移计，试样 的垂直位移取2只垂直位移计读数的平均值。 通常的直剪试验，由于用推动剪切盒的方法来使试样受剪，剪切盒与剪力环之间必 定是刚性连接。在剪切过程中，若试样发生剪胀，会在其接触点处产生一方向向下的摩擦力， 而该摩擦力在试验中无法测定，从而使得剪切面上的正应力比实际外加的正应力要大。这就是 通常的直剪试验测得的抗剪强度高于其实际强度的原因，上述新型试验解决了这一难题，使测 得的指标更符合实际工程需要。
在哈佛大学设计的， Gilboy 于1936 年在麻省理工学院将位移控制引入到直剪仪中， 从而可以得到土体材料较为准确的应力-位移关系和峰值以后的强度特性。 目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式，试验时用环刀切出厚为20mm 的 圆形土饼，将土饼推入剪切盒内,分别在不同的垂直压力P 下，施加水平剪切力进行 剪切，使试样在上下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，求得破坏时的剪切应 力τ ，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角υ和粘聚力c。直剪试验所 测试的岩土体的抗剪强度，在工程应用中具有重要的参考价值。
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图3-1 现场直剪
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设备安装
在安装仪器设备之前，应 按有关规定测定滚排摩擦力 f0； 安装垂直加荷反力装置卧 式斜支撑应符合下列规定： 1、在试样间隔处合适位 置的槽壁上修制斜撑板的倒 角。 2、修制斜撑板倒角图3-2 所示。
现场直接剪切试验
主要内容
1、概述
2、试验基本原理
3、试验仪器设备 4、试验方法及技术要求
5、资料整理及影响因素分析
6、工程实例应用
一、概述
发展史 直剪试验最早在一百多年前被Alexandre Collin 用于边坡稳定研究所使用。
早期的直剪试验仪均为应力控制式，第一台现代的直剪仪是在1932 年Casagrande
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2）施力公式推导 1）应力计算 法向应力： σ＝P/A＋Qsinα/A＝p ＋qsinα （记P/A＝p，Q/A=q） 切向应力： τ= Qcosα/A ＝qcosα
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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。 在极限状态下，应力条件应满足库仑公式：
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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
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针对斜推和平推两种不同情况，需要 特别关注以下两点： 1、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。 2、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。
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图3-3 油压剪切试验装置图
油压剪切试验装置（竖向施力装置），可 参照图3-3进行安装 测量垂直变形的百分表应安装在剪切 盒对角线上。测量水平位移的百分表应安装 在受剪方向的两侧。为保证试验的顺利进行 ，各测量仪表支架固定端应牢固可靠。
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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。
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2、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。 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，因此，现行规范将正应力视 作常数处理。为此，在试验前，就要求设计出试体应施 加多大的垂直荷载和斜向荷载，才能使试验顾利进行。
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施加垂直荷载装置安装应按下列顺序进行： 1、在试样表面铺砂、击实并末平整至剪切盒表面； 2、安装下钢板、滚排、上钢板； 3、安装油压千斤顶，将施力中心对准试样中心； 4、安装滑块、传力柱，并对准工字形钢梁中心。 施加横向荷载装置安装应按下列顺序进行： 1、安装定顶压钢板，并在底部垫约1cm厚木板2块，两 端放置紧贴剪切盒，岩石试验还应在顶压钢板与剪切盒 之间垫放橡皮垫； 2、安装油压千斤顶，使其施力中心对准剪切面，且位 于试样中线； 3、安放滑块位于油压千斤顶后座中心； 4、安放后座钢板，并将该钢板与试槽壁之间填实，
现场直剪试验可分为以下三种：
1、岩土体本身直剪试验
2、岩土体沿软弱结构面的直剪试验
3、岩土体与混凝土接触面的直剪试验。
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每种试验又可细分为：
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。
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3、试件的制备
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）规定的试件布置、制备、 加工尺寸应符合一般规定： （1）试件宜加工成方形体（或楔形体），每组试体数量不宜少于3个，并尽 可能处在同一高程。 （2）试件剪切面积不宜小于2500cm2，边长不宜小于50cm，试件高度不宜小 于边长的2/3，试体间距应大于1.5倍试件最短边长。 （3）试件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，为试验的分析提供合理参考依据。 （5）如需混凝土浇筑试件，待浇注完毕，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
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四、试验方法及技术要求
1、试验前准备工作
2、试验前的资料准备
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1、试验前准备工作
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、试样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、断面形 状和尺寸； （4）岩土体岩性、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）岩土体的风化程度、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。
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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。
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4．测量系统 （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； （5）测量标点：有机玻璃或不锈纲。
因此，只要预估出剪切面上的f（摩擦系数，tanυ）、
C值，α、σ都可给定，即可计算qmax。然后乘
以剪切面积A就是Qmax，按Qmax分级加载试验。
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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： 由σ＝p＋qsinα，得出： p＝P/A＝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：
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介绍一种新型直剪试验法
日本学者松冈元与刘斯宏等人开发研制了
ຫໍສະໝຸດ Baidu
一种新型现场直剪试验法，如图3-4所示：
用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中 的上剪切盒，并取消下剪切盒，将格子状的剪切 框直接埋于要测定强度的地盆中，在剪切框内的
图3-4 新型现场直剪概念图
试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需
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解得：
把根据试体实际情况估计的剪切面的f、C及α值代入上式， 即可计算出剪切面上所需施加的σmin值。如小于此值，将会 出现P值不够减的情况。显然，还要对f、C值的估
计应接近剪切面的实际值；估计值偏大时，试件破坏时的斜
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。
2. 设备安装
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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；根据岩土体强度， 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。
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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。
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优点: 由于现场直剪试验土样的受剪面积比室内试验大得多，且又是在现场直接进行 试验的，因此较室内试验更能符合天然状态，得出的结果更加符合实际工程的技术要 求。 适用条件
现场直剪试验主要适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土以及它们所组成的混合土层。
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2．试点的选择及整理 （1）选试点
试验场地应根据工程地质条件和建（构）筑物的受力 特点等选择在具有代表性的地段。同一地质单元，试 验组数不得少于3组，每一组试验不应少于5个试验点， 同一组各试验点应在同一地质单元。
（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 坑槽)。
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（1）平推法 法向应力：σ＝P/A 切向应力：τ=Q/A （2）斜推法 法向应力：σ＝P/A＋Qsinα/A 切向应力：τ= Qcosα/A 式中，Q——作用于剪切面上的总斜向荷载（N）； α——斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。
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三、试验仪器设备
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二、试验基本原理
尽管现场直剪试验分类不同，试验的对象不同，试点的选取、试样的 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，有 τ f = c +σ tanυ 式中 τ f —剪切破坏面上的剪应力（kPa），即土体的抗剪强 度； σ —破坏面上的法向应力（kPa）； c —土的内聚力（kPa）； υ —土的内摩擦角（°）。 依据测得的τ f，就可以求出c和υ 。
要的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条上的荷重计量测。在钢板的后侧中央部位设置一 水平位移计，用于测量试样的剪切位移，同时在钢板的前后对角线上各设置一垂直位移计，试样 的垂直位移取2只垂直位移计读数的平均值。 通常的直剪试验，由于用推动剪切盒的方法来使试样受剪，剪切盒与剪力环之间必 定是刚性连接。在剪切过程中，若试样发生剪胀，会在其接触点处产生一方向向下的摩擦力， 而该摩擦力在试验中无法测定，从而使得剪切面上的正应力比实际外加的正应力要大。这就是 通常的直剪试验测得的抗剪强度高于其实际强度的原因，上述新型试验解决了这一难题，使测 得的指标更符合实际工程需要。
在哈佛大学设计的， Gilboy 于1936 年在麻省理工学院将位移控制引入到直剪仪中， 从而可以得到土体材料较为准确的应力-位移关系和峰值以后的强度特性。 目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式，试验时用环刀切出厚为20mm 的 圆形土饼，将土饼推入剪切盒内,分别在不同的垂直压力P 下，施加水平剪切力进行 剪切，使试样在上下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，求得破坏时的剪切应 力τ ，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角υ和粘聚力c。直剪试验所 测试的岩土体的抗剪强度，在工程应用中具有重要的参考价值。
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图3-1 现场直剪
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设备安装
在安装仪器设备之前，应 按有关规定测定滚排摩擦力 f0； 安装垂直加荷反力装置卧 式斜支撑应符合下列规定： 1、在试样间隔处合适位 置的槽壁上修制斜撑板的倒 角。 2、修制斜撑板倒角图3-2 所示。
现场直接剪切试验
主要内容
1、概述
2、试验基本原理
3、试验仪器设备 4、试验方法及技术要求
5、资料整理及影响因素分析
6、工程实例应用
一、概述
发展史 直剪试验最早在一百多年前被Alexandre Collin 用于边坡稳定研究所使用。
早期的直剪试验仪均为应力控制式，第一台现代的直剪仪是在1932 年Casagrande
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2）施力公式推导 1）应力计算 法向应力： σ＝P/A＋Qsinα/A＝p ＋qsinα （记P/A＝p，Q/A=q） 切向应力： τ= Qcosα/A ＝qcosα
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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。 在极限状态下，应力条件应满足库仑公式：
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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
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针对斜推和平推两种不同情况，需要 特别关注以下两点： 1、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。 2、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。
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图3-3 油压剪切试验装置图
油压剪切试验装置（竖向施力装置），可 参照图3-3进行安装 测量垂直变形的百分表应安装在剪切 盒对角线上。测量水平位移的百分表应安装 在受剪方向的两侧。为保证试验的顺利进行 ，各测量仪表支架固定端应牢固可靠。
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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。
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2、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。 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，因此，现行规范将正应力视 作常数处理。为此，在试验前，就要求设计出试体应施 加多大的垂直荷载和斜向荷载，才能使试验顾利进行。