现场直接剪切试验.ppt

,现场直接剪切试验,主要内容,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 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，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角和粘聚力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。,试验目的： 测定岩土体特定剪切面上的抗剪强度指标 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。,试验分类 现场直剪试验可分为以下两种：,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。,二、试验基本原理及方法,一、基本原理 在现场对几个式样(不少于3个）施加不同的法向荷载，待其固结稳定后再施加水平剪力使其破坏，同时记录下几个样式破坏时的剪切应力，绘制出剪应力与法向应力的关系曲线，继而可以得到土体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和念聚力。,二、试验方法 1）试验的第一步是试坑的开挖和试样的制备，一般情况下工作面的尺寸为2.5M1.6M.试样的制备一般在试坑中进行，用下端带有刃口的剪切盒，边压入土体边削去剪力盒外侧土体，一直到剪力盒全部切入到预定的试验深度为止，沿刃口的深度将周围土体削除，形成与剪切面一致的试坑基底平面，同时修剪剪力盒中试样的顶面，使试样顶面超出剪力盒顶面1CM左右，并使其保持平整。试样制备完成后，可安装法向应力施加装置和水平推力施加装置及相应的应力、位移测量装置（见图7-25），试验装置安装完成之后，即可开始试验。,2）对试样分级施加法向荷载，荷载的等效集中应力作用位置应位于剪切面的中心，最大法向荷载应大于设计荷载，一般可分4-5级逐渐达到试验所需的最终法向荷载。每级法向荷载施加后每5min测量一次试验变形，当每1min变形不超过0.05mm时可施加下一级荷载。最后一级法向荷载施加后，当1h内竖直变形不超过0.05mm时，即达到相对稳定状态，可施加剪切荷载。,3）施加水平剪切力，每级剪切荷载按预估价最大荷载的8%10%分级等量施加，也可按法向荷载的5%-10%分级等量施加。当剪切变形急剧增长或变形继续增长而剪应力无法增加或剪切变形达到试样边长（直径）的1/10时可终止试验。,4）当需要根据剪切位移大于10mm时的试验成果确定土的残余抗剪强度时，可能需要沿剪切面继续进行摩擦试验。 5）绘制有关试验成果曲线（详见试验成果及应用部分）,三、试验设备,土的现场直接剪切试验的主要设备有下列几部分构成：,1、剪力盒，用以制备和装盛土样。,2、法向荷载施加系统，由千斤顶、加压反力装置及滚动滑板构成，用以施加法向应力。,3、水平剪力施加系统，由千斤顶及附属装置（反力支座等）构成。,4、测量系统，由位移量测系统（位移计、百分表等）和力测量系统（力传感器）构成，用以测量法向荷载、法向位移、水平剪力、水平位移等。 图7-25是一种常见的土现场直接剪切试验装置的示意图。,图3-1 现场直剪,试验的技术要求,1、剪切面积（试样截面积）不宜小于0.3m2高度不宜小于20cm或为试样土颗粒最大粒径的4-8倍。 2、开挖试坑时，应避免对试样土体的扰动和使土样含水量发生显著变化。在地下水位以下试验时应先降低水位，待试验装置安装完毕，回复地下水位后再进行试验。 3、试验过程及法向应力、水平剪切应力施加以及终止试验的标准应符合上述试验方法中的相关要求。,试验成果及应用,现场直接剪切试验的主要成果有：剪切应力与剪切位移关系曲线；抗剪强度与法向应力关系曲线。 利用剪切应力与剪切位移关系曲线，可以确定一定法向应力条件下，剪切破坏面上的峰值抗剪强度和残余强度。 利用抗剪强度和法向应力关系曲线可以确定剪切面上，土体的内摩擦角和粘聚力。 除此之外，还可以通过绘制剪应力和垂直位移关系曲线，求得土体的剪胀强度。,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，,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1217，一般用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。,针对斜推和平推两种不同情况，需要 特别关注以下两点：,日本学者松冈元与刘斯宏等人开发研制了 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 试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需 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。,介绍一种新型直剪试验法,图3-4 新型现场直剪概念图,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。,四、试验方法及技术要求,1、试验前准备工作,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。,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 坑槽)。,根据岩土工程勘察规范（GB500212001）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 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。,3、试件的制备,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。,2）施力公式推导 1）应力计算 法向应力： P/AQsin/Apqsin （记P/Ap，Q/A=q） 切向应力： = Qcos/A qcos,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：,因此，只要预估出剪切面上的f（摩擦系数，tan）、 C值，、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。,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pqsin，得出： pP/Aqsin 4）最小正应力min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min值。 为使在剪切时p0，即：qsin0 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及值代入上式，即可计算出剪切面上所需施加的min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：,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。,3、试验步骤及技术要求,1仪器的标定、检测 试验前，根据对千斤顶（或液压枕）作的率定曲线 和试体剪切面面积，计算施加的荷载和压力表读数对应 关系。检查各测表的工作状态，测读初始读数。,2施加垂直荷载 1）在每组(3个)试体上，分别施加不同的垂直荷载， 加于试体上的最大垂直荷载，以不小于设计法向应力 为宜。当剪切面有软弱物充填时，最大法向应力以不 挤出充填物为限。,2）按变形控制：荷载可分4到5级等量施加，每施加一级 荷载，立即测记垂直变形，此后每隔5min读数一次，当 5min内垂直变形值不超过0.05mm时，可施加下一级荷载， 施加最后一级荷载后按5min、10min、15min的时间间隔 测记垂直变形值当连续两个15min垂直变形累计不超过 0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可施加剪切荷载,3施加剪切荷载 剪切荷载的施加应符合下列规定： 1） 每级剪切荷载按预估计最大剪切荷载的8%10%或按 垂直荷载的5%10%分级等量施加。 2） 当施加剪切荷载所引起的剪切变形为前一级的1.5倍 以上时，下一级剪切荷载则减半施加。 3） 岩体按每5min10min，土体按30s施加一级剪切荷载。 4）每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、 剪切荷载和剪切变形量。 5） 当达到剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形 大于试件直径（或变长）的1/10时，即认为已剪切破坏，可 终止试验。,从目前资料看，剪切荷载的施加亦可分为应变控制和时间 控制，国外大部分采用变形控制法。国内在五十年代大都按 照苏联的方法，即采用变形控制法，近来大都转向以时间控 制。 试体剪断后，可进行剪断面的残余抗剪强度试验，就是将 抗剪试验后的试样推回原处，重新检查调整仪器设备使其符 合第三章所述要求，然后再次剪切。试验需要注意以下几点： 1、残余抗剪强度试验应分为单点法和多点法； 2、残余抗剪强度试验的各种垂直荷载的确定应与峰值试验的 一致； 3、横向推力的施加应与峰值试验的一致； 4、当完成各级垂直荷载下的残余抗剪强度试验后，应在现场 将试验结果初步绘制曲线图，当发现某组数据不合理 时，应立即补做该组试验。,4试验记录 （1）试验前记录好以下内容：工程名称、岩石名称、试 体编号、试体位置、试验方法、混凝土的强度、剪切面面 积、测表布置、法向荷载、剪切荷载、法向位移、试验人 员、试验日期。 （2）试验过程中：详细记录碰表、调表、换表、千斤顶 漏油补压，混凝土或岩体松动、掉块、出现裂缝等异常情况。 （3）试验结束后，翻转试体，测量实际剪切面面积。详细 记录剪切面的破坏情况、破坏方式、擦痕的分布、方向及 长度，绘出素描图及剖面图，拍照，并计算试验后试件面积。 当完成各级垂直荷载下的抗剪试验后，在现场将试验结果初步 绘制曲线，当发现某组数据偏离回归直线较大时，立即 补做该组试验。,五、资料整理及分析,1、资料整理,应力计算,现场直剪试验，可参照试样受力示意图（见图5-1） 分别按公式5.1或5.2计算垂直压应力pv和剪应力 pH。,图5-1 试样受力示意图,5.1,5.2,式中 pv 垂直应力（kPa）； pH 剪应力（kPa）； P1 测力器测得的垂直荷载（kN）； P2 测力器以下的设备自重（kN；） P3试样自重（kN）； Q剪切荷载（kN）； f滚动滑板的西擦系数； A试样剪切面面积（m2） 剪切面与水平面的夹角（）,抗剪强度（）的取值,1、以剪应力为纵坐 标，剪切变形为横坐 标，绘制剪应力与剪 切位移关系曲线图， 见图5-2，取曲线上剪 应力的峰值为抗剪强度 （）。 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 为试样直径（或变长） 1/10处的剪应力作为抗 剪强度（）,图5-2 剪应力与剪切位移关系曲线,残余抗剪强度（T）,以剪应力与剪 切变形关系曲线 上剪应力的稳定 值作为残余抗剪 强度（ T ）， 见图5-3，值得注 意的是此稳定值 即为相邻两次剪 切应力的差值不 大于10%。,图5-3 剪应力与剪切变形关系曲线,岩土体粘聚力（C）及内摩擦角（）的确定,1、图解法 以抗剪强度为 纵坐标，法向应力为横坐标，绘制抗剪强度与法向应力关系曲线， 直线在纵坐标上的 截距为粘聚力C， 直线的倾斜角为内 摩擦角，如图 5-4所示：,图5-4 抗剪强度与法向应力关系曲线,2、用最小二乘法计算,式中 抗剪强度（kPa）； n 每组试验的试样个数。,岩土体残余粘聚力及残余内摩擦角的确定,1、 图解法 以残余抗剪强度为 纵坐标，垂直压力为 横坐标，绘制残余抗 剪强度与垂直压力关 系曲线，直线在纵坐 标 上的截距为残余粘 聚力Cr,直线的倾角为 残余内摩擦角r,，如 图5-5所示：,图5-5 残余抗剪强度与垂直压应力关系曲线,2、用最小二乘法计算,式中 r残余抗剪强度（kPa）,试验工作全部结束后，应编制试验成果报告，内容 包括： 1、文字部分： 1）各组试验的坐标位置及高程； 2）试验地层描述； 3）试验方法； 4）测力器和两侧变形仪表的精度； 5）C、值及确定标准； 6） 试验过程中有关情况说明。 2、图表部分： 1) 试验段的地质剖面图； 2） 各试样剪应力、剪切变形成果表及关系曲线； 3） 抗剪强度、垂直压力成果表及关系曲线； 4）试验设备安装示意图 5） 残余抗剪强度、垂直压力成果表及关系曲线。,2、影响因素分析,1试体尺寸的影响 特别是岩体试件，含有节理、裂隙、层面和断层等要 素，一般认为，试体应具有一定数量的裂隙条数(100条到 200条），或其边长大于裂隙平均间距的520倍。结合国 际岩石力学建议方法和国内经验，规定如下：一般岩体， 试体为70cm70cm70cm；对完整坚硬岩石，试体为 50cm50cm50cm，试体受压剪切面积大于2500cm 2 。 2剪切面平整度对抗剪强度有重要影响 结合国内实践经验，规定制备的剪切面，其起伏差 不大于剪切方向边长的12。,3在制备试体时，若软弱结构面或软弱岩石受到扰动， 则将严重影响测定成果。因此，在制备过程中应严格防止 扰动试体，才能取得可信的试验结果。 4剪切过程中，垂直压应力保持常量并尽量使其均匀分 布；平推法的剪力作用线与剪切面间存在偏距，加大了垂直 压应力的分布不均，影响测定成果。因此，规定试验中偏距 应严格控制在剪切面边长的5以内。 5直剪试验的剪力施加速率有快速、时间控制和剪切位 移控制三种方式。国内经验表明，在屈服点以前，时间控制 法和位移控制法得到的结果是一致的；但在之后，位移持续 发展，按位移就很难控制剪力施加速率，而采用时间控制就 便于掌握。,六、工程实例应用,工程实例1 该工程位于某河流南岸, 地形坡度较陡, 岩石破碎, 植被稀少, 在河流切割、地表水冲刷、地 下水侵蚀以及煤窑采空等因素, 对该场区边坡的稳定造成一定影响, 特别是近年来由于因特大洪水、 地下水动力条件的急剧改变、河流改道施工等原因, 不断改变着山体的环境地质条件, 河流改道切 割山体, 在滑坡上加荷, 这一切都进一步恶化了滑坡的稳定环境, 产生缓慢滑移而形成的滑坡, 对该 场区内的建筑物造成安全隐患, 因此必须对边坡进行稳定性分析和治理。,工程实例2 该工程位于某市西侧一缓斜坡上, 整个场地属斜坡地貌, 植被覆盖好, 局部为旧房拆除区, 地形总体呈斜坡状, 由北西向南东倾斜, 局部存在土坎, 最大相对高差约13m。从地质构造上来 看, 拟建场区为都匀向斜西翼轴部地带, 岩层单斜产出, 倾向南东( 约140) , 倾角55左右。 表层为第四纪残、坡积土, 下伏为二叠系上统吴家坪组之灰、灰白色薄至中厚层硅质岩, 间夹绿 色薄层页岩, 无大断裂通过场区; 据现场地质调查及钻孔揭露, 该场区岩土层自上而下分别由耕 土、碎石粘土层及基岩层组成的混合土; 由于在场区内上覆的碎石粘土层厚度较大, 在场地平整 后, 其东北、西南、南西面将有高为3. 0m- 12. 0m 不等的土质边坡, 且该类边坡稳定 性较差, 须对边坡进行治理, 作永久性保护。,室外水平推剪试验与室内直剪试验,室外试验点的选取 根据现场工程地质条件、边坡土体的种类、成因、性质和软弱层的分布及其下伏基岩 面的形态及坡角, 确定其潜在滑动面, 在现场选取具有代表性的土层、控制边坡稳定的软 弱面进行现场原位剪切试验。为了使现场土体的剪切方向尽量与边坡滑动方向一致, 根据 勘察资料选用水平推剪试验,水平推剪法试验结果 工程一 1、 山体滑坡现场剪切 根据各试点滑动面草图, 绘制滑动体断面图, 并将滑动体分成若干条块, 得到以下第一组、 第二组各试点滑动体断面图，如下图3所示； 2、计算单位宽度的每块土体的重量g, 然后按公式 计算c、值，所得结果见表1；,工程2 边坡工程现场剪切试验 根据各试点滑动面的草图, 绘制滑动体断面图, 并将滑动体分成若干条块, 得到以下 各试点滑动体断面图, 如图4 所示。,根据以上断面尺寸计算单位宽度的每块土体的体积, 与密度的乘积得各块土体重量gi , 然后按计算c、值，所得成果见表2。,工程1 室内剪切试验,工程2 室内剪切试验,试验结果分析 现将以上的2 个工程的现场、室内试验结果进行比较, 列表如下:,从表6 可见, 室内原状土中夹有碎石, 剪切面受到碎石嵌入阻隔作用, 如图3 所示, 加之运输中试样含水减少, 试验结果较大, 而在进行土的反复直剪试验时, 按照土工试 验方法标准将含水量增加至液限状态( 含水量较大) , 并在试样制备过程中要将碎块石 剔除, 其试验结果表明强度指标较小, 经分析, 主要原因是含水量大、在剔除碎石、块 石等杂质后, 导致土体强度下降。,从以上2 个工程的边坡土质情况来看, 采用水平推剪试验能较真实地反应土 的抗剪性能, 通过实际工程的应用, 与室内试验c、值指标有一定差别。,结论 通过对以上两个具体工程实例的室内、现场剪切试验的对比研究不难发现，现场 试验更能准确地反应出复杂地质条件下土体的物理力学性质，对实际工程的施工设计提供 更加可靠的参数。,1 GB500212001.岩土工程勘察规范. 2 YS5221-2000.现场直剪试验规程. 3 HG/T206932006.岩土体现场直剪试验规程. 4 刘斯宏、肖贡元等.宜兴抽水蓄能电站上库堆石料的新型现场 直剪试验.岩土工程学报，2004（6）. 5 赵青、黄质宏等.土质边坡抗剪强度试验结果分析.贵州工业大学学报. 2003（4） 6 臧德记. 直剪试验存在的问题及其改进.中国科技论文在线.TU223,参考文献,