现场原状土直剪试验

现场原状土直剪试验

现场原状土的直剪试验计划书

一、概述

我们日常所得土体的力学性能参数大多是在实验室内做试验得到的。但在一些大型的、特殊的工程中实验室所得的参数就有它的局限性，因此，我们有必要在现场的条件下进行试验，从而得到土体实际的力学参数。进而知道工程的设计和施工。由于试验尺寸大且在现场进行，能把土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，比室内土体试验更符合实际情况。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。

土体的现场剪切试验可分为三类：

（1）土体本身直剪试验；

（2）土体沿软弱结构面的直剪试验；

（3）土体与混凝土接触面的直剪试验。

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。

从而根据库仑方程得到相应的强度指标：抗剪断强度，抗剪强度（摩擦强度），抗切强度。如图1所示.本文主要介绍现场原装土的直剪试验。

图1剪切试验种类

二、试验目的

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。通过大面积现场直接剪切试验，求出现场原状土的抗剪强度参数C, ?，研究观察现场原状土的抗剪性能。

三、实验原理

根据库仑定律（1776），有：

(1)

式中，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）；

--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。

（1）平推法

法向应力:

切向应力:

（2）斜推法

法向应力: +

切向应力:

式中，Q--作用于剪切面上的总斜向荷载（N）；

--斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。

四、试验前的准备工作

1、确定试验小组成员、组长，制定工作计划，分配任务。

实验小组共四名成员，应具备岩土工程的基础知识，有良好的组织协调和团队合作的能力，人员结构要求至少包含两名有相关试验经验的人员。试验小组成

立后，利用半天的时间让小组成员学习大面积直剪试验及在试验过程中应该注意的事项。制定工作计划以及分配任务，如表1所示。

表1 试验进度及人员安排计划表

试验名称：试验组长：

2、试验仪器设备的准备。本试验需要的仪器设备如表2所示

表2 原状土体直剪试验仪器设备表

注：以上仪器设备在试验前均需要校准核实，确保正常安全工作。

五、试验步骤

1、试样制备

（1）设计试样尺寸：700mm×700mm×300mm。满足剪切面积大于0.3m2，高度大于20cm或最大粒径的4-8倍规范要求。试验取三组，每组三个试样，共九个试样进行试验。

（2）选择了现场有代表性的三个试验地段开挖试坑，试坑的开口尺寸应根据土质情况和试验深度而定，初步拟定工作面尺寸5000mm×2000 mm。当试坑开挖到离要求试验深度315mm时，停止全面开挖，按图1所示预留一条宽800mm、高315mm 的土埂，以便制作试件。

（3）停止全面开挖时，在试坑内的拟定试样旁边取原状土样，保存好，带回实验室测定试验前土的重度和天然含水率。

（4）由预留土埂的一端（距试坑端壁250mm）开始制备试件，先将顶部粗略削平，使顶面与剪切面平行，再将土埂切削成三个边长780mm×780mm的土柱。土柱侧面必须与剪切面垂直。各试体之间距离等于1200mm，满足大于试件最小边长的1.5倍。

（5）将剪力盒套在土柱上端，用削土刀精削土柱，边削边压，直到剪力盒刃口部达到预定位置，再修整试样顶面并超出剪力盒上缘10mm

（6）若试件制备过程中出现的凹面、缺角等缺陷，应用原土或粉细砂填补。

（7）剪力盒与试样之间的缝隙应用粉细砂填实，可对缝隙附近的盒壁轻击震动，使砂土徐徐注入。剪切面的开缝应为最小粒径的1/3～1/4。清除周围余土，形成与剪切面一致的试坑基底。

图1 试样布置及加荷装置示意图 1、2、3、

4-地锚

1-剪力盒（内装试样）；2-滚动滑板；3-滚珠；

4-千斤顶；5力传感器；6-位移计；7-钢梁；

8-地锚；9-垫板

图2 大面积现场直剪试验设备安装示意图

2、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f

（1）安装法向荷载系统

在带有剪力盒的试样上，安装滚动滑板，滑板的上部安装千斤顶。在千斤顶活塞的上部安装垂向应力传感器，传感器接受千斤顶的作用力并传递作用于反力系统，反力系统采用地锚钢梁式，先安装钢梁，再用地锚拧入土中，进一步加固钢梁。滚动滑板底面与试样顶面间垫层薄砂，使滚动滑板平面与剪力盒顶面平行，反力合力作用点、测力计中心、千斤顶施力中心、滚动滑板中心、试件中心应保持在同一中轴线上，并且与预定剪切面垂直。安装完毕后，启动千斤顶，施加接触压力使整个法向荷载系统接触紧密。千斤顶活塞应预留足够的行程，以行程形

成不够。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。

（2）安装剪切荷载系统

安装水平反力装置，要求坑壁面平整，调整反力座使反力垫板与坑壁紧密接触，切向压力千斤顶利用基坑坑壁作反力底座，坑壁垫板的面积与千斤顶支撑杆的刚度应满足刚度要求。千斤顶的活塞顶升方向与剪力盒底面方向保持一致。剪应力传感器安装于千斤顶活塞与剪力盒之间，剪力盒的受力面上应垫上与之吻合的框架或钢板，以保证在切向力的作用下试验系统有足够的刚度，不致使剪力盒产生过大的变形，千斤顶在剪力盒上的施力点，应安置在剪力盒侧面的中心点上，力的作用方向应通过试样预剪面中心。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。

针对斜推法要关注下面这种情况：

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。

⑶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所示。

图3

（4）安装测量系统

量测试样垂向变形的位移计测点，安装在滚动滑板的两对角上，量测试样剪切变形的测点，安装在剪力受力面的另一侧，左右两边各一个。安装位移计的基座应注意避免试验影响。试样的制备和实验设备的安装应尽快完成，以保持试样的天然含水率状态。

3、加载方法

（1）施加法向荷载

首先对一个试体分级施加垂向荷载，分5级施加，每级30 kPa最大法向荷载为150kPa。分级施加荷载到预定压力后，每5min量测一次位移计读数。当每分钟内变化小于0.05mm时，即认为稳定，再施加下一级荷载。法向荷载达到最大值后，整个试验过程中应保持不变。

（2）施加剪切荷载

预加法向荷载达到稳定后，即可施加切向剪应力，控制千斤顶使其推力均匀的连续施加，剪切变形的速度控制在每分钟5mm左右，并在试验过程中每20s测度一次剪应力和剪切变形，直至随着变形增加而剪应力不再增加为止。若无上述情况出现，剪切变形达到35mm-70mm时，即可停止试验。在施加切向剪应力的过程中，应保持竖向荷载不变。剪损时间控制在5-10min内为宜。

（3）按上述步骤作另外两个试样在不同垂直荷载作用下的直剪试验。其中一个法向荷载分5级、每级60kPa、最大法向荷载300kPa施加；另一个法向荷载分5级、每级90kPa、最大法向荷载450kPa施加。加载过程中，注意及时准确的纪录数据。

4、取土样，保存好，带回试验室测定试验后土样的重度和天然含水率。

六、试验方法

岩体与混凝土接触面的直剪试验的试验方法有斜推法和平推法两种。我们在这里采用斜推法。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，剪切面上的正应力的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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

第⑴种方法，称之为常正应力法；⑵、⑶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。

2、施力公式推导

（1）应力计算

法向应力：+=+（记Q/F=, =q）

切向应力：=

(2) 最大单位推力的估算

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，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：

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。然后乘以剪切面积F就是，按分级加载试验。

(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 , 得出： =

(4）最小正应力的确定

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值。

为使在剪切时p≥0，即:≥0

在极限状态下，还应满足：

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值、α＝15°，代入上式，即可计算出剪切面上所需施加的值。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，试体破坏时的斜向荷载，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。

七、测量方案

为便于求出水平力和位移曲线的峰值，在施加水平力的过程中，在试块尚无出现位移（位移量极微）之前，水平力每增加0.1p（p为垂直荷载的总量）观察水平位移一次；当试块处于开始位移状态时，水平力每增加0.03~0.05p，观察一次位移；当试块处于位移状态中，水平力每增加或下降0.01p，观察一次位移。如水平力保持不变，而位移继续增大，是否观测位移，根据时间要求酌情考虑。

八、安全措施（人、设备）

1．进行地下水试验时，为防止由于开挖卸荷使试坑起拱而带来不利情况，应事先将水位降至实验标高以下，安装设备，待水位恢复后进行试验。

2．开挖基坑当接近试验面或坑壁面时，应用平底铁锹沿试验面或坑壁面将扰动土剥离，坑壁不稳定时应进行支撑。

3．安放承压板和千斤顶时应平置轻放，尽量一次置于坑中心，使试验面土体免受扰动，安装仪表和观测支架时，应保证各部件有足够的连接强度。

4．以千斤顶加荷时，启动杠杆要轻抬慢压，以免对地基造成脉冲荷载，增加沉降量；接近仪表最大行程时，一般在该级荷载沉降达到稳定标准，施加下一个荷载前将仪表调至零并加以记录。随时注意撑板上爬、坑壁变形等不安全因素，及时采取处理措施，必要时可终止试验。

5．尽量避免试验面和土体受到扰动和脚踩。

九、计算和记录表格

1、斜推法的计算

法向应力: +

切向应力:

式中，Q--作用于剪切面上的总斜向荷载（N）；

--斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。

2、抗剪强度的取值

（1）以剪应力为纵坐标，剪切变形为横坐标，绘制剪应力和剪切变形关系曲线，如图2所示。取曲线剪应力的峰值为抗剪强度（τ）。

（2）当剪应力与剪切变形关系曲线上无明显峰值时，取剪切变形量为试件边长1/10处的剪应力为作为抗剪强度（τ）如（图4）。

图4

3、抗剪强度参数的确定

确定抗剪强度参数，一般采用图解法或最小二乘法。本试验选择图解法计算c、?值。

根据试验结果中的剪应力和相应的垂直压应力分布点，做平均直线（或曲线），使其尽可能接近所有点，舍弃偏离直（曲）线较远的个别点，如图3所示（以其中一组为例）。由直线（或代表曲线的直线）的斜率及其在纵坐标上的截距，确定摩擦角（?）和粘聚力（C ）。

图5抗剪强度与垂直压力关系曲线

记录表格见附表1。

十、影响试验成果的因素分析

影响试验成果的主要因素有：试体（剪切面）尺寸的选定、剪切面起伏差、试体（剪切面）被扰动的程度、剪切面上垂直压应力分布、剪力施加速率等。 1、试样的尺寸对试验成果会产生影响。在试样制备、设备安装、以及记载过程中，土体会受到扰动、结构遭破坏，将严重影响测定结果。所以在整个试验过程中，应尽量减小对土体的扰动，并且在满足试验要求的前提下，缩短试验时间。 2、在试验开始时, 施加于试样顶部压力为轴向正压力p , 开始施加水平荷载后, 由于水平剪切力使得剪切面上下土体发生相对位移,从而使原来的垂直方向正压力变成偏心压力, 从而使试样发生斜剪, 这时，试验所得摩擦角比真摩擦角偏小。

3、剪切速率对土的抗剪强度的影响。抗剪强度一般随剪切速率而增加。

4、剪切面的影响。一方面，实际剪切面面积会对抗剪强度产生影响。在剪切

过程中, 垂直荷载偏移, 随着位移增加, 有效剪切面积相应减小, 所对应 f τ

也偏小, 而且随着应力增加, 这种趋势更为明显。剪切时, 剪切面逐渐减小, 但在

计算强度时, 仍按土样的原截面计算,使得算得的强度值f τ

比实际值偏小。另一方面，剪切面起伏差对抗剪强度也会产生影响。为统一试验条件，便于成果对比分析和减少其分散性，结合国内实践经验，规定制定的剪切面，其起伏差不大于剪切方向边长的1%-2%。

5、试验过程中，除保持剪切面上垂直压应力维持不变外，还应使其均匀的分布在剪切面上，剪力作用线与剪切面间存在偏距会使剪切面上垂直压应力分布不均匀。这种不均匀性随剪力的增大而增大，无疑将影响测定成果。为此，规定偏距应严格控制在剪切面边长的5%以内。

6、温度变化的影响。在试验中一般不考虑温度对土质的影响。实际上, 温度对土的强度和变形有很大的影响。假设其他影响因素不变, 温度升高, 会使孔隙压力增大, 有效压力减少, 导致土的强度降低, 蠕变变形及应变速率也会相应增加。

十一、参考文献

GB50021-2001《岩土工程勘察规范》

《工程地质手册》（第三版）中国建筑工业出版社

《岩土工程试验监测手册》/林宗元主编.北京：中国建筑工业出版社.2005 《土工试验与测试技术》侍倩编.化学工业出版社.2005

《土工试验与原位测试》袁聚云、徐超、赵春风编

《岩土工程原位测试》石林珂、孙文怀、郝小红编

《岩土工程测试技术》（新一版）任建喜编武汉理工大学出版社

附表1 现场原状土直剪试验记录表

工程名称试验者

试验地点计算者

试验编号校核者

试验方法试验日期