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1、岩体双千斤法顶直剪验指导书III?一 试验目的本试验的目的是通过岩体直剪试验确定岩体的抗剪强度参数（内聚力C、内 摩擦角）和剪切刚度系数。测定岩体抗剪强度参数和剪切刚度系数有室内测试和原位测试两种方法，在 室内试验中，岩体样本尽管可以通过努力把取样扰动和切样扰动降低到最小限度, 但是试样从地层深部取出时因应力释放而引起的扰动是无法避免的，而且精细的取 样和试验技术现在还难以普遍推广应用。而原位直剪试验试体比室内试样大，能包 含岩体宏观结构的变化，而且岩体结构没有受到扰动破坏，试验条件接近工程实际 情况。而且原位测试是在原位应力条件下进行实验，不用取样，避免或减轻了对岩 样的扰动程度，测定岩体的
2、范围大，能反映微观、宏观结构对岩性的影响，比室内 岩块试验更符合实际情况。二 试验原理现场直接剪切试验原理与室内直剪试验原理相同，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。根据库伦破坏准则，有r j - c er lan（2-1）式中，Tf剪切破坏面上的剪应力（kPa），即岩土体的抗剪强度；。破坏面上的法向应力（kPa）；c岩土体的粘聚力（kPa）；岩土体的内摩擦角（）；依据所测得的Tf可推求出相应的C、值。岩体抗剪强度试验在现场可以有各种不同的布置方案，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
3、推法 试验和斜推法试验。采用平推法和斜推法时，由于剪切应力方向不一样，因此所采 用的计算公式也有所不同。图 2.1 平推法与斜推法示意图平推法试验按下面公式计算各法向荷载下的法向应力和剪切应力：2-2)。二P/FT=Q/F（2-3）式中：。剪切面上的法向应力，Mpa;t剪切面上的剪切应力，Mpa;P剪切面上的总法向荷载，N;Q剪切面上的总剪切荷载，N;F剪切面面积，mm2斜推法试验按下面公式计算法向应力和剪切应力：2-4)o=P/F+Qsina/Ft二 Qcosa/F(2-5)式中：Q作用于剪切面上的总斜向荷载，N;a斜向荷载方向与剪切面之间的夹角；其他符号含义同上文。三 试验设备(1) 试体
4、制备设备：手风钻(或切石机)、模具、人工开挖工具各1套。(2) 加载设备：液压千斤顶，2台；根据岩体强度，最大荷载及剪切面积选 用不同行程；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。(3) 传力设备：高压胶管：若干(配有快速接头)，输送油压用；传力柱：无 缝钢管一套，要求钢管必须有足够的刚度和强度；钢垫板：用45 钢制成，一 套，其面积可根据试体尺寸而定；滚轴排：一套，面积根据试体尺寸而定。(4) 测量设备：压力表：精度为一级的标准压力表一套，测油压用；千分 表： 812只；磁性表架： 812只；测量表架：工字钢2根；测量标点：有机玻 璃或不锈纲。(5)
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)辅助设备：安装工具一套；浇捣混凝土工具一套；照像设备一套。四 试验方法4.1 试验前的准备工作4.1.1 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
6、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、试体展示图等。4.1.2 试点的选择及整理1）选试点同一组试体（不少于 5 块），选用工程地质条件相同地段，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
7、混凝 土地基面起伏差控制在试体边长的12%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）。4.1.3 试体制备根据岩土工程勘察规范（GB50021 2009 ）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（或梯形体），每组试体数量不宜少于 5 个，并尽 可能处在同一高程。通常平推法采用方形试体，斜推法采用梯形试体。（2）试体剪切面积不宜小于2500cm2,边长不宜小于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
8、槽。剪 切面周围的岩体应该大致凿平，清理干净浮渣。（4）根据设计要求，对试体保持天然含水量或者浸水饱和。（5）试验的布置方案一般如下图 4.1 所示，当剪切面水平或者接近水平时，采用 abcd 方案，剪切面较陡（如陡峭软弱结构面）时，采用 ef 方案。方案a：施加剪切荷载时有一力臂el存在，使得剪切面的剪切力和法向应力 分布不均匀。方案b：使施加的法向荷载产生的偏心力矩e2与剪切荷载产生的力矩el平 衡，改善了剪切面的应力分布，但是法向荷载偏心力矩难以控制，实际操作困难。方案c：剪切面上应力分布均匀，但是试体施工困难。方案d：斜推法合力通过剪切面中心，在剪切面上不产生力矩，接近纯剪切 试验。方
9、案e：适用于剪切面正应力较大的情况。方案f：适用于剪切面正应力较小的情况。图 4.1 岩体现场直剪试验布置方案4.2 试验前的资料准备4.2.1 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：o=P/F+Qsina/F=p + qsina4-1)（1）随着斜向荷载的施加，同步减小垂
10、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。上述（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，才能使试验顺
11、利进行。2 施力公式推导一 ： J止上丄$斗吏、旳?-:； ! -k -j挞* l-l-.fe7；J|!Il:；f:.?： :X.Si如下图4.2所示，梯形试体受到垂直荷载P和斜向荷载Q。法向应力与剪切应力分 布为：法向应力：(记 P/F = p, Q/F=q)剪切应力：t二Qcosa/F=qcosa（4-2）式中：P作用于试体上的垂直荷载，kN；图 4.2 斜推法试验Q作用于试体上的斜向荷载，kN；F剪切面面积，cm2；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Qmax。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
12、足库仑公式：（/唤 cosx = rrtan + c（4-3）或者表达为：COS空（4-4）式中：qmax试体发生剪切破坏时的最大单位推力，qmax=Qmax/F；Qmax预估试件破坏时总斜向荷载，kN；F剪切面面积，cm2；o剪切面上的法向应力，kPa； tan 预估剪切面上的摩擦系数;c预估的剪切面上的粘聚力，kPa；a斜向荷载作用方向与剪切面夹角，()在试验过程中，为了保持剪切面上的正应力o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 o=P/F+Qsina/F = p + qsina，得出：p = P/F=oqsina(4-5)式中，符号意义同前。试验前，还应估计出剪切面上最小正应力omin，防止因同步减少p而发生p 值为负的情况。为使在剪切时p0，即：oqsina0，在极限状态下，还应满 足：qcosa 二 otand+c，联立求得：cof cl - lan p(4-6)
