(完整word版)岩土现场原位直剪验指导书.pdf

《(完整word版)岩土现场原位直剪验指导书.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(完整word版)岩土现场原位直剪验指导书.pdf（12页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、岩体双千斤法顶直剪验指导书岩体双千斤法顶直剪验指导书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

2、的范围大，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f c t a n（2-1）式中，f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 f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：即平推法试验和斜推法试

3、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11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：=P/F（2-2）=Q/F（2-3）式中：剪切面上的法向应力，Mpa;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：P/FQsin/F（2-4）=Qcos/F（2-5）式中：Q作用于剪切面上的总斜向荷载，N;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）试体制备设备：手风钻（或切石机）、模具、人工开

4、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）反力系统：若试验是在平硐中进行，则不需要另外的反力

5、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12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）

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

7、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（GB500212009）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

8、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 e1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 e1平衡，13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

9、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：（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

10、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，才能使试验顺利进行。2施力公式推导14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：P/FQsin/F

11、pqsin（4-1）（记 P/Fp，Q/F=q）剪切应力：=Qcos/Fqcos（4-2）式中：P作用于试体上的垂直荷载，kN；Q作用于试体上的斜向荷载，kN；F剪切面面积，cm2；图 4.2斜推法试验在试验进行之前，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，应力条件应满足库仑公式：qmaxcos tan c（4-3）或者表达为：Qm a x F(t a n c)c os（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，k

12、N；F剪切面面积，cm2；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；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 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 P/FQsin/Fpqsin，得出：pP/Fqsin（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 min，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：qsin0，在极限状态下，还应满足：qcos=tan+c，联立求得：式中，符号意义同前。mi ncc ot t a n（4-6）15

13、4.2.2平推法试验不需要减少法向荷载 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：计算得：F(t a nc)（4-8）Qm a xQmFa xt a n c（4-7）如果根据岩性、构造等条件，预估出 、c 值，代入上式即可估算出试体剪切破坏时最大剪切荷载 Qmax，方便在试验过程中分级施加。4.3实验仪器安装总的安装顺序为：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。试验仪器安装示意图如图 4.3：图 4.3平推法（左）、斜推法（右）仪器安装示意图4.3.1法向荷载系统安装

14、在试体顶面铺以一层水泥砂浆（也可以是橡皮板或砂浆地层），放上钢垫板，垫板应该平行于预定剪切面，然后在垫板上依次安放：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)。在顶部垫板和岩面之间浇筑混凝土或者砂浆，或安装反力装置。法向荷载系统应具有足够的强度与刚度。当剪切面倾斜或者荷载系统超过一定高度时，应对法向荷载系统进行支撑。整个法向荷载系统所有部件必须保持在加载方向同一轴线上，必须与预定剪切面垂直，垂直合力应通过剪切面中心。安装完毕，启动千斤顶，施加接触压力使整个法向荷载系统接触紧密，目的16是防止倒塌造成安全事故。千斤顶应该预留足够的行程。另外，在露天或者场地无

15、法利用硐室顶板作反力支撑时，可用地锚作反力装置。当法向荷载不大时也可以采用压重物的方式。4.3.3剪切荷载系统安装在试体剪切荷载受力面使用水泥浆粘贴一块条形垫板，垫板底部与剪切面之间应预留约 1cm 的间隙，目的是防止条形垫板与试体底部的摩擦力对试验结果造成误差。在条形垫板后依次安放传力块、千斤顶、垫板。斜推法还应该加装滚轴排。在垫板和反力坐之间浇筑混凝土或砂浆。当试体推力面与剪切面垂直且采用斜推法时，在垫板后面依次安装斜垫块、千斤顶、垫板。安装剪切荷载系统时，千斤顶须严格定位，平推法推力中心线应平行于预定剪切面，且与剪切面的距离不应大于剪切方向试体边长的 5%，试验前应对此距离进行实测记录，

16、供资料分析用。根据 岩土工程勘察规范（GB 50021-2009），斜推法推力中心线应通过预定剪切面中心，与剪切面夹角宜为 1217。4.3.4测量系统安装测量支架的支点应在基岩变形影响范围外，支架应具有足够的刚度。在支架上安装测量表架和测量表。在试体两侧对称部位分别安装测量切向和法向（绝对位移）的测量表，每侧法向、切向位移测量表不少于2 只。根据需要可布置测量试体及其周围基岩面之间相对位移的测表；测表布置示意图如下图 4.4。图 4.4测表布置示意图4.4试验步骤及技术要求（1）试验前，根据对液压千斤顶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

17、读初始读数。（2）施加垂直荷载。根据岩土工程勘察规范（GB50021-2009）要求：在每组(45 个)试体上，分别施加不同的垂直荷载，其值为最大法向荷载的等分值，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。17对每个试体分 45 级施加其垂直荷载。垂直荷载一次施加完毕，加载用时间控制，每隔5min 加载一次，加荷后立即读数，5min 后再读一次，即可施加下一级荷载。当加至预定荷载时，仍需每隔 5min 读一次数，当连续两次垂直变形之差小于 0.01mm，即认为稳定，可以施加剪切荷载。对于软弱夹层，在加到预订垂直荷载后，低塑性软弱夹层每隔10m

18、in，高塑性夹层每隔 15min 读一次垂直变形，当两次变形读数差小于 0.05mm，可认为已经稳定，施加荷载容许误差为2。法向荷载应该尽可能通过剪切面中心，各试体的垂直荷载达到预定值时，在整个试验中保持不变。（3）施加剪切荷载。剪力分级施加的方法，国内通常有两种：一种是按预估的最大剪应力百分数分级施加，一种是按荷载的百分数分级施加。剪力施加速率有快速法、时间控制法、剪切位移控制法三种方法，为尽可能符合工程实际，剪切位移控制法比较理想，但剪切位移控制法很难控制剪力施加速率，实际操作比较困难，时间控制法则便于实际操作。根据岩土工程勘察规范（GB50021-2009）要求：剪切荷载按照预估的最大值

19、的 10%分级施加，如发生后一级荷载的水平变形为前一级的 1.5 倍以上时，应减荷载，按照 5%施加。过程中保持法向应力为常数，采用斜推法时，应该同步减少因为施加斜向荷载而引起的法向荷载增加，保持法向荷载不变。施加剪切荷载采用时间控制，一般是每隔5min 加载一次，施加前后对法向和切向位移测表各读一次，接近剪断时，应该加密测度荷载和位移，峰值前不得少于 10 组读数。当剪切面有充填结构面时，应根据剪切位移大小，每隔 10min或 15min 加荷载一次，加荷前后均需测读各测表的读数。试体被剪断时，测度剪切荷载峰值。根据需要可以继续施加剪切荷载，直到测出大致相等的剪切荷载为止，（表现为剪切荷载趋

20、于稳定）。当剪切荷载无法稳定或者剪切位移明显增大时，应测读剪切荷载峰值，在剪切荷载缓慢退回零的时候，法向应力保持常数，测度试体回弹读数。对于软弱夹层，低塑性夹层按照10%，高塑性按照5%的最大预估荷载分级等量施加，加荷载后每 10min 读数一次，10min 内变形小于 0.1mm 时，即视为已经稳定，施加下一级荷载，直到剪断。抗剪断试验完成后，用同样的方法沿剪断面进行抗剪试验（摩擦试验）。五试验记录（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、剪切位移、试验人员、试验日期。18（2）试验过程中：

21、对加载设备和测表使用情况、测表数据、试件发出的声响、混凝土和岩体出现松掉、掉块、和裂缝开裂等现象，均应作详细描述和记录。（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，并照相。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。表 5.1 试验数据记录表岩石直剪试验数据记录表格工程名称试验人员样品状态试样编号岩石名称时间水平压力剪应力水平位移（mm）（min）表（MPa）（MPa）测表 1备注：测表 2测表 1测表 2（mm）垂直位移（mm）水平位移

22、平均垂直位移平均（mm）计算人员仪器设备剪切类型垂直压力表（MPa）cm*cm*cm垂直应力（MPa）位移读数试验日期校核人员试件尺寸19六 试验数据整理与分析（一）计算法向应力和剪切应力根据试验采用的是平推法还是斜推法，分别用下面公式计算法向应力和剪切应力。平推法：法向应力：=P/F（6-1）剪切应力：=Q/F（6-2）斜推法：法向应力：=P/F+Qsin/F（6-3）剪切应力：=Qcos/F（6-4）（二）相关参数的确定（1）根据同一组直剪试验结果，以剪应力为纵轴，剪切位移为横轴，绘制每一个试验的剪应力-剪切位移关系曲线图。而后从曲线上选取剪应力的峰值和残余值，如图 6.1 所示。图 6.

23、1剪应力与剪切位移关系曲线（2）比例强度、屈服强度、峰值强度、残余强度比例强度：比例强度定义为剪应力与剪切位移曲线直线段末端相应的剪应力，见图 6.1 中的 a 点。如果直线段不明显，可以采取一些辅助手段确定：(A)用循环荷载法，在比例强度前卸载后的剪切位移基本恢复，过比例强度后则不然；(B)利用试体以下基底岩土体的水平位移与试样的水平位移的关系判断，在比例强度之前，两者相近；过了比例强度后，试样水平位移大于基底岩土水平位移；(C)以剪应力 为纵轴，剪切位移 u 为横轴，绘制u 曲线，在比例强度前，u/变化极小，过了比例强度后 u 值增大加快。屈服强度：剪应力剪切位移曲线过比例强度 a 点之后

24、开始偏离直线，随剪应力加大，剪切位移开始增大较快，试件体积由压缩转为膨胀，图6.1 中 b 点即为屈服强度，屈服强度可以通过绘制试样的绝对剪切位移 uA与试样和基底之110间的相对位移 uR以及与剪应力 的关系曲线来确定，如图 6.2 所示，在屈服强度前，uR增率小于 uA，过屈服强度后，基底变形趋于零，则 uA与 uR的增率相等，其起始点为 A，剪应力 与 uA曲线上 A 点相应的剪应力即为屈服强度；图 6.2确定屈服强度的辅助方法峰值强度：图 6.1 中 bc 段曲线斜率迅速减小，试体体积膨胀加速，变形随应力迅速增长，至 c 点达到最大值，相应 c 点的剪切强度即为峰值强度；残余强度：试件

25、在 c 点破坏后，并不是完全失去承载能力，而是保持较小的数值，即为残余强度，见图 6.1 中的 d 点。（三）岩土体粘聚力（c）及内摩擦角（）的确定1、图解法不同的抗剪强度参数可以通过绘制法向正应力 与不同的强度（比例强度、屈服强度、峰值强度、残余强度）的曲线，确定相应的强度参数。图6.3 即为剪应力峰值、残余值与相应的法向应力的关系曲线图 6.3 抗剪强度与垂直压应力关系曲线2、用最小二乘法计算将试验所得数对(i，i)，按照最小二乘法原理计算 c 和(c n()2iii2iiii)（6-5）2n(ii)ii（6-6）a r c t a n22ni(i)111式中：i第 i 次试验的法向应力（

26、Kpa）；i对应于 i的抗剪强度（Kpa）；n每组试样样本数量；（四）.确定剪切刚度系数剪切刚度系数 ks定义为岩石试件在一定的法向应力和剪应力作用下,相应的剪应力与剪切位移之比值。用公式表示为:ksus（6-7）式中：us为一定剪力作用下的剪切位移。七.试验结果影响因素分析1试体尺寸的影响岩体是含有节理、裂隙、层面和断层等要素的地质体。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

27、 2500cm2。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。112