現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)

1、,現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn),,,主要內(nèi)容,一、概述,發(fā)展史 直剪試驗(yàn)最早在一百多年前被Alexandre Collin 用于邊坡穩(wěn)定研究所使用。早期的直剪試驗(yàn)儀均為應(yīng)力控制式，第一臺(tái)現(xiàn)代的直剪儀是在1932 年Casagrande 在哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)的， Gilboy 于1936 年在麻省理工學(xué)院將位移控制引入到直剪儀中，從而可以得到土體材料較為準(zhǔn)確的應(yīng)力-位移關(guān)系和峰值以后的強(qiáng)度特性。 目前常規(guī)的室內(nèi)直剪儀一般都是應(yīng)

2、變控制式，試驗(yàn)時(shí)用環(huán)刀切出厚為20mm 的圓形土餅，將土餅推入剪切盒內(nèi),分別在不同的垂直壓力P 下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，使試樣在上下剪切盒之間的水平面上發(fā)生剪切至破壞，求得破壞時(shí)的剪切應(yīng)力τ，根據(jù)庫(kù)倫定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)：內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。直剪試驗(yàn)所測(cè)試的巖土體的抗剪強(qiáng)度，在工程應(yīng)用中具有重要的參考價(jià)值。,優(yōu)點(diǎn): 由于現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)土樣的受剪面積比室內(nèi)試驗(yàn)大得多，且又是在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行試驗(yàn)的，因

3、此較室內(nèi)試驗(yàn)更能符合天然狀態(tài)，得出的結(jié)果更加符合實(shí)際工程的技術(shù)要求。適用條件 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)主要適用于粘性土、粉土、砂土、碎石土以及它們所組成的混合土層。,試驗(yàn)分類 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)可分為以下三種：,每種試驗(yàn)又可細(xì)分為：1、抗剪斷試驗(yàn)：試體在法向應(yīng)力作用下沿剪切面剪切破壞的直剪試驗(yàn)；2、抗剪試驗(yàn)（摩擦試驗(yàn)）：試體剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的抗剪試驗(yàn)；3、抗切試驗(yàn)：法向應(yīng)力為0時(shí)對(duì)試體進(jìn)行的直剪試驗(yàn)。,,,二、試驗(yàn)基本原理

4、,盡管現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)分類不同，試驗(yàn)的對(duì)象不同，試點(diǎn)的選取、試樣的規(guī)格和制備要求、數(shù)據(jù)讀取時(shí)間間隔等方面存在差異。但在試驗(yàn)原理、設(shè)備、步驟及結(jié)果處理分析方法上都基本一致。 根據(jù)庫(kù)侖定律，有 τf = c +σtanφ 式中 τf —剪切破壞面上的剪應(yīng)力（kPa），即土體的抗剪強(qiáng) 度； σ—破壞面上的法向應(yīng)力（kPa）；

5、 c —土的內(nèi)聚力（kPa）； φ —土的內(nèi)摩擦角（°）。 依據(jù)測(cè)得的τf，就可以求出c和φ。,（1）平推法法向應(yīng)力：σ＝P/A切向應(yīng)力：τ=Q/A（2）斜推法法向應(yīng)力：σ＝P/A＋Qsinα/A切向應(yīng)力：τ= Qcosα/A 式中，Q——作用于剪切面上的總斜向荷載（N）； α——斜向荷載施力方向與剪切面之間的夾角。,三、試驗(yàn)儀器設(shè)備,設(shè)備組成,1．試體制備系統(tǒng)手風(fēng)鉆（或切

6、石機(jī)）、模具、人工開挖工具各1套。2．加荷系統(tǒng)（1）液壓千斤頂，2臺(tái)；根據(jù)巖土體強(qiáng)度，最大荷載及剪切面積選用不同規(guī)格；（2）油壓泵（附壓力表、高壓油管、測(cè)力計(jì)等），2臺(tái)；手搖式或電動(dòng)式，對(duì)千斤頂供油用。,3．傳力系統(tǒng)（1）高壓膠管，若干(配有快速接頭)，輸送油壓用；（2）體力柱：無(wú)縫鋼管一套，要求鋼管必須有足夠的剛度和強(qiáng)度；（3）鋼墊板：用45＃鋼制成，一套，其面積可根據(jù)試體尺寸而定；（4）滾軸排：一套，面積根據(jù)試體尺寸而

7、定。,4．測(cè)量系統(tǒng)（1）壓力表：精度為一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力表一套，測(cè)油壓用；（2）千分表：8－12只；（3）磁性表架：8－12只；（4）測(cè)量表架：工字鋼2根；（5）測(cè)量標(biāo)點(diǎn)：有機(jī)玻璃或不銹綱。,5．反力系統(tǒng) 若試驗(yàn)是在平硐中進(jìn)行，則不需要另外的反力裝置，直接利用巖體承擔(dān)反力；若在井巷、露天場(chǎng)地的試坑或平的巖體表面進(jìn)行，則需要安裝加荷系統(tǒng)的反力裝置，一般是打地錨。6．輔助系統(tǒng)（1）安裝工具一套；（2）澆搗混凝

8、土工具一套；（3）照像設(shè)備一套。,,圖3-1 現(xiàn)場(chǎng)直剪,設(shè)備安裝,在安裝儀器設(shè)備之前，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定測(cè)定滾排摩擦力f0； 安裝垂直加荷反力裝置臥式斜支撐應(yīng)符合下列規(guī)定： 1、在試樣間隔處合適位置的槽壁上修制斜撐板的倒角。 2、修制斜撐板倒角圖3-2所示。,圖3-2 臥式斜支撐安裝示意圖,施加垂直荷載裝置安裝應(yīng)按下列順序進(jìn)行： 1、在試樣表面鋪砂、擊實(shí)并末平整至剪切盒表面； 2、安裝下鋼板、滾排、上鋼板；

9、3、安裝油壓千斤頂，將施力中心對(duì)準(zhǔn)試樣中心； 4、安裝滑塊、傳力柱，并對(duì)準(zhǔn)工字形鋼梁中心。,施加橫向荷載裝置安裝應(yīng)按下列順序進(jìn)行： 1、安裝定頂壓鋼板，并在底部墊約1cm厚木板2塊，兩 端放置緊貼剪切盒，巖石試驗(yàn)還應(yīng)在頂壓鋼板與剪切盒 之間墊放橡皮墊； 2、安裝油壓千斤頂，使其施力中心對(duì)準(zhǔn)剪切面，且位 于試樣中線； 3、安放滑塊位于油壓千斤頂后座中心； 4、安放后座鋼板，并將該鋼板與試槽壁之間填實(shí)，,1、

10、安裝斜向千斤頂時(shí)，須嚴(yán)格定位。斜向推力作用方向與剪切面的夾角一般為12～17°，一般用15°。使千斤頂?shù)妮S線穿過剪切面中心，力爭(zhēng)剪切面受力均勻。 2、安裝水平千斤頂時(shí)須嚴(yán)格定位，水平推力應(yīng)通過預(yù)定的剪斷面。當(dāng)難以滿足此要求時(shí)，著力點(diǎn)距剪切面距離應(yīng)控制在試件邊長(zhǎng)（巖剪切方向）的5％以內(nèi)，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)此距離進(jìn)行實(shí)測(cè)記錄，供資料分析用。,針對(duì)斜推和平推兩種不同情況，需要特別關(guān)注以下兩點(diǎn)：,油壓剪切試驗(yàn)裝

11、置（豎向施力裝置），可參照?qǐng)D3-3進(jìn)行安裝 測(cè)量垂直變形的百分表應(yīng)安裝在剪切盒對(duì)角線上。測(cè)量水平位移的百分表應(yīng)安裝在受剪方向的兩側(cè)。為保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，各測(cè)量?jī)x表支架固定端應(yīng)牢固可靠。,圖3-3 油壓剪切試驗(yàn)裝置圖,日本學(xué)者松岡元與劉斯宏等人開發(fā)研制了一種新型現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)法，如圖3-4所示： 用一格子狀的剪切框代替通常直剪試驗(yàn)儀中的上剪切盒，并取消下剪切盒，將格子狀的剪切框直接埋于要測(cè)定強(qiáng)度的地盆中，在剪切

12、框內(nèi)的試樣上先放上一塊厚鋼板，再在鋼板上根據(jù)所需要的垂直荷載堆上重鐵塊。水平方向上用一鏈條上的荷重計(jì)量測(cè)。在鋼板的后側(cè)中央部位設(shè)置一水平位移計(jì)，用于測(cè)量試樣的剪切位移，同時(shí)在鋼板的前后對(duì)角線上各設(shè)置一垂直位移計(jì)，試樣的垂直位移取2只垂直位移計(jì)讀數(shù)的平均值。,介紹一種新型直剪試驗(yàn)法,圖3-4 新型現(xiàn)場(chǎng)直剪概念圖,,通常的直剪試驗(yàn)，由于用推動(dòng)剪切盒的方法來(lái)使試樣受剪，剪切盒與剪力環(huán)之間必定是剛性連接。在剪切過程中，若試樣發(fā)生剪脹，

13、會(huì)在其接觸點(diǎn)處產(chǎn)生一方向向下的摩擦力，而該摩擦力在試驗(yàn)中無(wú)法測(cè)定，從而使得剪切面上的正應(yīng)力比實(shí)際外加的正應(yīng)力要大。這就是通常的直剪試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度高于其實(shí)際強(qiáng)度的原因，上述新型試驗(yàn)解決了這一難題，使測(cè)得的指標(biāo)更符合實(shí)際工程需要。,四、試驗(yàn)方法及技術(shù)要求,1、試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作,,1、試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作,1．試驗(yàn)前的地質(zhì)描述 地質(zhì)描述為試驗(yàn)成果的整理分析和計(jì)算指標(biāo)的選擇提供可靠依據(jù)， 并為綜合評(píng)價(jià)巖體工程地質(zhì)性質(zhì)提供

14、 依據(jù)。具體內(nèi)容包括：（1）試驗(yàn)地段開挖、試樣制備方法及出現(xiàn)的問題；（2）試點(diǎn)編號(hào)、位置、尺寸；（3）試段編號(hào)、位置、高程、方位、深度、斷面形 狀和尺寸；（4）巖土體巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、主要造巖礦物、顏色等；（5）各種結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、組合關(guān)系等；（6）巖土體的風(fēng)化程度、風(fēng)化特點(diǎn)、風(fēng)化深度等；（7）水文地質(zhì)條件，包括地下水類型、化學(xué)成分、活動(dòng)規(guī)律、出露位置等；（8）巖爆、硐室變形等與初始地應(yīng)力有關(guān)的

15、現(xiàn)象；（9）試驗(yàn)地段地質(zhì)橫剖面圖、地質(zhì)素描圖、鉆孔柱狀圖、試體展示圖等。,2．試點(diǎn)的選擇及整理,（1）選試點(diǎn) 試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件和建（構(gòu)）筑物的受力特點(diǎn)等選擇在具有代表性的地段。同一地質(zhì)單元，試驗(yàn)組數(shù)不得少于3組，每一組試驗(yàn)不應(yīng)少于5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，同一組各試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)在同一地質(zhì)單元。 （2）試點(diǎn)整理 在所選試點(diǎn)上，對(duì)硐頂板及斜向(或水平)推力后座大致加工平整。預(yù)澆混凝土地基面起伏差控制在試體邊長(zhǎng)的1～2

16、％內(nèi)(沿推力方向)，試體范圍外起伏差約為試體邊長(zhǎng)的10％。(平推法同時(shí)開挖放置水平千斤頂?shù)目硬?。,根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）規(guī)定的試件布置、制備、加工尺寸應(yīng)符合一般規(guī)定：（1）試件宜加工成方形體（或楔形體），每組試體數(shù)量不宜少于3個(gè)，并盡可能處在同一高程。（2）試件剪切面積不宜小于2500cm2，邊長(zhǎng)不宜小于50cm，試件高度不宜小于邊長(zhǎng)的2/3，試體間距應(yīng)大于1.5倍試件最短邊長(zhǎng)。（3）試件

17、的推力部位應(yīng)留有安裝千斤頂?shù)淖銐蚩臻g，平推法應(yīng)開挖千斤頂槽。（4）在試驗(yàn)之前，先測(cè)定混凝土的強(qiáng)度，為試驗(yàn)的分析提供合理參考依據(jù)。（5）如需混凝土澆筑試件，待澆注完畢，即可注水飽和，同時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待28天后，即可進(jìn)行試驗(yàn)。有時(shí)因工作需要，需提早進(jìn)行試驗(yàn)，在澆注混凝土?xí)r可適當(dāng)添加些速凝劑，待混凝土標(biāo)號(hào)達(dá)到要求后即可試驗(yàn)。,3、試件的制備,2、試驗(yàn)前的資料準(zhǔn)備,1．斜推法試驗(yàn)（1）加荷分析 首先應(yīng)對(duì)每一個(gè)試體

18、施加一定的垂直荷載，然后再施加斜向剪切荷載，進(jìn)行試驗(yàn)。由于斜向荷載可分解為平行于剪切面的切應(yīng)力和垂直剪切面的正應(yīng)力，故一旦加上斜向荷載，剪切面上的正應(yīng)力隨之增加這個(gè)分量。從而出現(xiàn)了正應(yīng)力的處理問題，即在剪切過程中，剪切面上的正應(yīng)力是保持常數(shù)還是變數(shù)的問題。 當(dāng)正應(yīng)力為變數(shù)時(shí)，剪切面上的應(yīng)力條件比較復(fù)雜，而且作出的剪應(yīng)力—剪位移曲線圖形失真，對(duì)試驗(yàn)成果的整理和分析都帶來(lái)困難，因此，現(xiàn)行規(guī)范將正應(yīng)力視作常數(shù)處理

19、。為此，在試驗(yàn)前，就要求設(shè)計(jì)出試體應(yīng)施加多大的垂直荷載和斜向荷載，才能使試驗(yàn)顧利進(jìn)行。,2）施力公式推導(dǎo) 1）應(yīng)力計(jì)算 法向應(yīng)力：σ＝P/A＋Qsinα/A＝p＋qsinα（記P/A＝p，Q/A=q）切向應(yīng)力：τ= Qcosα/A ＝qcosα,,2) 最大單位推力qmax的估算 在試驗(yàn)進(jìn)行之前，需要預(yù)估試體發(fā)生剪切破壞時(shí)的最大單位推力qmax，從而計(jì)算出斜向總荷載Q。據(jù)此，可在試驗(yàn)過程中分級(jí)施加斜

20、向推力，直至試體剪斷。在極限狀態(tài)下，應(yīng)力條件應(yīng)滿足庫(kù)侖公式：,因此，只要預(yù)估出剪切面上的f（摩擦系數(shù)，tanφ）、 C值，α、σ都可給定，即可計(jì)算qmax。然后乘 以剪切面積A就是Qmax，按Qmax分級(jí)加載試驗(yàn)。,3）同步加減荷載計(jì)算 在試驗(yàn)過程中，為了保持剪切面上的正應(yīng)力σ為常數(shù)，因此逐級(jí)施加q的同時(shí)，須同步成少p值。同步加減的荷載按下式計(jì)算：由σ＝p＋qsinα，得出： p＝P/A＝σ－qsinα

21、4）最小正應(yīng)力σmin的確定 為了避兔試驗(yàn)過程中p值不夠減的情況發(fā)生，必須首先確定剪切面上的最小正應(yīng)力σmin值。為使在剪切時(shí)p≥0，即：σ－qsinα≥0在極限狀態(tài)下，還應(yīng)滿足：,建立聯(lián)立方程組,解得：,把根據(jù)試體實(shí)際情況估計(jì)的剪切面的f、C及α值代入上式，即可計(jì)算出剪切面上所需施加的σmin值。如小于此值，將會(huì)出現(xiàn)P值不夠減的情況。顯然，還要對(duì)f、C值的估計(jì)應(yīng)接近剪切面的實(shí)際值；估計(jì)值偏大時(shí)，試件破壞時(shí)的斜

22、向荷載Q將達(dá)不到設(shè)計(jì)的值，估計(jì)值偏小時(shí)，同樣全出現(xiàn)P值不夠減的情況。,2．平推法試驗(yàn) 不需要減少P值，但試驗(yàn)前，也要對(duì)剪切荷載進(jìn)行估算。在極限平衡狀態(tài)下，剪切面上的應(yīng)力條件符合莫爾－庫(kù)侖公式：,得：,如果根據(jù)巖性、構(gòu)造等條件，預(yù)估出f、C值，代入上式即可估算出試體剪切破壞時(shí)最大剪切荷載，方便在試驗(yàn)過程中分級(jí)施加。,3、試驗(yàn)步驟及技術(shù)要求,1．儀器的標(biāo)定、檢測(cè) 試驗(yàn)前，根據(jù)對(duì)千斤頂（或液壓枕）作的率定曲線

23、和試體剪切面面積，計(jì)算施加的荷載和壓力表讀數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。檢查各測(cè)表的工作狀態(tài)，測(cè)讀初始讀數(shù)。,2．施加垂直荷載1）在每組(≥3個(gè))試體上，分別施加不同的垂直荷載，加于試體上的最大垂直荷載，以不小于設(shè)計(jì)法向應(yīng)力為宜。當(dāng)剪切面有軟弱物充填時(shí)，最大法向應(yīng)力以不擠出充填物為限。,2）按變形控制：荷載可分4到5級(jí)等量施加，每施加一級(jí)荷載，立即測(cè)記垂直變形，此后每隔5min讀數(shù)一次，當(dāng)5min內(nèi)垂直變形值不超過0.05mm時(shí)，可施加下

24、一級(jí)荷載，施加最后一級(jí)荷載后按5min、10min、15min的時(shí)間間隔測(cè)記垂直變形值當(dāng)連續(xù)兩個(gè)15min垂直變形累計(jì)不超過0.05mm時(shí)，即認(rèn)為垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定，可施加剪切荷載,,3．施加剪切荷載 剪切荷載的施加應(yīng)符合下列規(guī)定： 1） 每級(jí)剪切荷載按預(yù)估計(jì)最大剪切荷載的8%~10%或按垂直荷載的5%~10%分級(jí)等量施加。 2） 當(dāng)施加剪切荷載所引起的剪切變形為前一級(jí)的1.5倍以上時(shí)，下一級(jí)剪切荷載則減半施

25、加。 3） 巖體按每5min~10min，土體按30s施加一級(jí)剪切荷載。 4）每級(jí)剪切荷載施加完成后，應(yīng)立即測(cè)記垂直變形量、剪切荷載和剪切變形量。 5） 當(dāng)達(dá)到剪應(yīng)力峰值或剪切變形急劇增加或剪切變形大于試件直徑（或變長(zhǎng)）的1/10時(shí)，即認(rèn)為已剪切破壞，可終止試驗(yàn)。,,從目前資料看，剪切荷載的施加亦可分為應(yīng)變控制和時(shí)間控制，國(guó)外大部分采用變形控制法。國(guó)內(nèi)在五十年代大都按照蘇聯(lián)的方法，即采用變形控制法，近來(lái)

26、大都轉(zhuǎn)向以時(shí)間控制。 試體剪斷后，可進(jìn)行剪斷面的殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，就是將抗剪試驗(yàn)后的試樣推回原處，重新檢查調(diào)整儀器設(shè)備使其符合第三章所述要求，然后再次剪切。試驗(yàn)需要注意以下幾點(diǎn)：1、殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)分為單點(diǎn)法和多點(diǎn)法；2、殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的各種垂直荷載的確定應(yīng)與峰值試驗(yàn)的一致；3、橫向推力的施加應(yīng)與峰值試驗(yàn)的一致；4、當(dāng)完成各級(jí)垂直荷載下的殘余抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)后，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)將試驗(yàn)結(jié)果初步繪制σ—τ曲線圖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某組數(shù)據(jù)

27、不合理時(shí)，應(yīng)立即補(bǔ)做該組試驗(yàn)。,4．試驗(yàn)記錄（1）試驗(yàn)前記錄好以下內(nèi)容：工程名稱、巖石名稱、試體編號(hào)、試體位置、試驗(yàn)方法、混凝土的強(qiáng)度、剪切面面積、測(cè)表布置、法向荷載、剪切荷載、法向位移、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)日期。（2）試驗(yàn)過程中：詳細(xì)記錄碰表、調(diào)表、換表、千斤頂漏油補(bǔ)壓，混凝土或巖體松動(dòng)、掉塊、出現(xiàn)裂縫等異常情況。（3）試驗(yàn)結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試體，測(cè)量實(shí)際剪切面面積。詳細(xì)記錄剪切面的破壞情況、破壞方式、擦痕的分布、方向及長(zhǎng)度，

28、繪出素描圖及剖面圖，拍照，并計(jì)算試驗(yàn)后試件面積。當(dāng)完成各級(jí)垂直荷載下的抗剪試驗(yàn)后，在現(xiàn)場(chǎng)將試驗(yàn)結(jié)果初步繪制σ—τ曲線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某組數(shù)據(jù)偏離回歸直線較大時(shí)，立即補(bǔ)做該組試驗(yàn)。,五、資料整理及分析,1、資料整理,應(yīng)力計(jì)算,現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，可參照試樣受力示意圖（見圖5-1）分別按公式5.1或5.2計(jì)算垂直壓應(yīng)力pv和剪應(yīng)力pH。,圖5-1 試樣受力示意圖,5.1,5.2,式中 pv ——垂直應(yīng)力（kPa）； pH ——剪

29、應(yīng)力（kPa）； P1 ——測(cè)力器測(cè)得的垂直荷載（kN）； P2 —— 測(cè)力器以下的設(shè)備自重（kN；） P3——試樣自重（kN）； Q——剪切荷載（kN）； f——滾動(dòng)滑板的西擦系數(shù)； A——試樣剪切面面積（m2） α ——剪切面與水平面的夾角（°）,抗剪強(qiáng)度（τ）的取值,1、以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切變形為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲

30、線圖，見圖5-2，取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度（τ）。2、當(dāng)剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線上無(wú)明顯峰值時(shí)，取剪切變形量為試樣直徑（或變長(zhǎng)）1/10處的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度（τ）,圖5-2 剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線,殘余抗剪強(qiáng)度（τT）,以剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線上剪應(yīng)力的穩(wěn)定值作為殘余抗剪強(qiáng)度（ τT ），見圖5-3，值得注意的是此穩(wěn)定值即為相鄰兩次剪切應(yīng)力的差值不大于10%。,圖5-3 剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)

31、系曲線,巖土體粘聚力（C）及內(nèi)摩擦角（φ）的確定,1、圖解法 以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力C，直線的傾斜角為內(nèi)摩擦角φ，如圖5-4所示：,圖5-4 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線,2、用最小二乘法計(jì)算,式中 τ— 抗剪強(qiáng)度（kPa）； n —每組試驗(yàn)的試樣個(gè)數(shù)。,巖土體殘余粘聚力及殘余內(nèi)摩擦角的確

32、定,1、 圖解法 以殘余抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制殘余抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線在縱坐標(biāo) 上的截距為殘余粘聚力Cr,直線的傾角為殘余內(nèi)摩擦角φr,，如圖5-5所示：,圖5-5 殘余抗剪強(qiáng)度與垂直壓應(yīng)力關(guān)系曲線,2、用最小二乘法計(jì)算,式中 τr——?dú)堄嗫辜魪?qiáng)度（kPa）,試驗(yàn)工作全部結(jié)束后，應(yīng)編制試驗(yàn)成果報(bào)告，內(nèi)容包括：1、文字部分： 1）各組試驗(yàn)的坐標(biāo)位置及高程；

33、 2）試驗(yàn)地層描述； 3）試驗(yàn)方法； 4）測(cè)力器和兩側(cè)變形儀表的精度； 5）C、φ值及確定標(biāo)準(zhǔn)； 6） 試驗(yàn)過程中有關(guān)情況說明。2、圖表部分： 1) 試驗(yàn)段的地質(zhì)剖面圖； 2） 各試樣剪應(yīng)力、剪切變形成果表及關(guān)系曲線； 3） 抗剪強(qiáng)度、垂直壓力成果表及關(guān)系曲線； 4）試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖 5） 殘余抗剪強(qiáng)度、垂直壓力成果表及關(guān)系曲線。,2、影響因素分析,1

34、．試體尺寸的影響 特別是巖體試件，含有節(jié)理、裂隙、層面和斷層等要素，一般認(rèn)為，試體應(yīng)具有一定數(shù)量的裂隙條數(shù)(100條到200條），或其邊長(zhǎng)大于裂隙平均間距的5～20倍。結(jié)合國(guó)際巖石力學(xué)建議方法和國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定如下：一般巖體，試體為70cm×70cm×70cm；對(duì)完整堅(jiān)硬巖石，試體為50cm×50cm×50cm，試體受壓剪切面積大于2500cm 2 。2．剪切面平整度對(duì)抗剪

35、強(qiáng)度有重要影響 結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定制備的剪切面，其起伏差不大于剪切方向邊長(zhǎng)的1％～2％。,3．在制備試體時(shí)，若軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱巖石受到擾動(dòng)，則將嚴(yán)重影響測(cè)定成果。因此，在制備過程中應(yīng)嚴(yán)格防止擾動(dòng)試體，才能取得可信的試驗(yàn)結(jié)果。 4．剪切過程中，垂直壓應(yīng)力保持常量并盡量使其均勻分布；平推法的剪力作用線與剪切面間存在偏距，加大了垂直壓應(yīng)力的分布不均，影響測(cè)定成果。因此，規(guī)定試驗(yàn)中偏距應(yīng)嚴(yán)格控制在剪切面邊長(zhǎng)的

36、5％以內(nèi)。 5．直剪試驗(yàn)的剪力施加速率有快速、時(shí)間控制和剪切位移控制三種方式。國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)表明，在屈服點(diǎn)以前，時(shí)間控制法和位移控制法得到的結(jié)果是一致的；但在之后，位移持續(xù)發(fā)展，按位移就很難控制剪力施加速率，而采用時(shí)間控制就便于掌握。,六、工程實(shí)例應(yīng)用,工程實(shí)例1 該工程位于某河流南岸, 地形坡度較陡, 巖石破碎, 植被稀少, 在河流切割、地表水沖刷、地下水侵蝕以及煤窯采空等因素, 對(duì)該場(chǎng)區(qū)邊坡的穩(wěn)定造成一定

37、影響, 特別是近年來(lái)由于因特大洪水、地下水動(dòng)力條件的急劇改變、河流改道施工等原因, 不斷改變著山體的環(huán)境地質(zhì)條件, 河流改道切割山體, 在滑坡上加荷, 這一切都進(jìn)一步惡化了滑坡的穩(wěn)定環(huán)境, 產(chǎn)生緩慢滑移而形成的滑坡, 對(duì)該場(chǎng)區(qū)內(nèi)的建筑物造成安全隱患, 因此必須對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和治理。,工程實(shí)例2 該工程位于某市西側(cè)一緩斜坡上, 整個(gè)場(chǎng)地屬斜坡地貌, 植被覆蓋好, 局部為舊房拆除區(qū), 地形總體呈斜坡狀, 由北西向南東傾

38、斜, 局部存在土坎, 最大相對(duì)高差約13m。從地質(zhì)構(gòu)造上來(lái)看, 擬建場(chǎng)區(qū)為都勻向斜西翼軸部地帶, 巖層單斜產(chǎn)出, 傾向南東( 約140􀀁) , 傾角55􀀁左右。表層為第四紀(jì)殘、坡積土, 下伏為二疊系上統(tǒng)吳家坪組之灰、灰白色薄至中厚層硅質(zhì)巖, 間夾綠色薄層頁(yè)巖, 無(wú)大斷裂通過場(chǎng)區(qū); 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露, 該場(chǎng)區(qū)巖土層自上而下分別由耕土、碎石粘土層及基巖層組成的混合土; 由于在場(chǎng)區(qū)內(nèi)上覆的碎

39、石粘土層厚度較大, 在場(chǎng)地平整后, 其東北、西南、南西面將有高為3. 0m- 12. 0m 不等的土質(zhì)邊坡, 且該類邊坡穩(wěn)定性較差, 須對(duì)邊坡進(jìn)行治理, 作永久性保護(hù)。􀀁,室外水平推剪試驗(yàn)與室內(nèi)直剪試驗(yàn),室外試驗(yàn)點(diǎn)的選取 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件、邊坡土體的種類、成因、性質(zhì)和軟弱層的分布及其下伏基巖面的形態(tài)及坡角, 確定其潛在滑動(dòng)面, 在現(xiàn)場(chǎng)選取具有代表性的土層、控制邊坡穩(wěn)定的軟弱面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)。

40、為了使現(xiàn)場(chǎng)土體的剪切方向盡量與邊坡滑動(dòng)方向一致, 根據(jù)勘察資料選用水平推剪試驗(yàn),水平推剪法試驗(yàn)結(jié)果 工程一 1、 山體滑坡現(xiàn)場(chǎng)剪切 根據(jù)各試點(diǎn)滑動(dòng)面草圖, 繪制滑動(dòng)體斷面圖, 并將滑動(dòng)體分成若干條塊, 得到以下第一組、 第二組各試點(diǎn)滑動(dòng)體斷面圖，如下圖3所示； 2、計(jì)算單位寬度的每塊土體的重量g, 然后按公式 計(jì)算c、φ值，所得結(jié)果見表1；,工程2 邊坡工程現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn) 根據(jù)各試點(diǎn)滑動(dòng)面的

41、草圖, 繪制滑動(dòng)體斷面圖, 并將滑動(dòng)體分成若干條塊, 得到以下各試點(diǎn)滑動(dòng)體斷面圖, 如圖4 所示。,根據(jù)以上斷面尺寸計(jì)算單位寬度的每塊土體的體積, 與密度的乘積得各塊土體重量gi , 然后按計(jì)算c、φ值，所得成果見表2。,工程1 室內(nèi)剪切試驗(yàn),工程2 室內(nèi)剪切試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果分析現(xiàn)將以上的2 個(gè)工程的現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較, 列表如下:,從表6 可見, 室內(nèi)原狀土中夾有碎石, 剪切面受到碎石嵌入阻隔作用, 如圖3 所示, 加之

42、運(yùn)輸中試樣含水減少, 試驗(yàn)結(jié)果較大, 而在進(jìn)行土的反復(fù)直剪試驗(yàn)時(shí), 按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)將含水量增加至液限狀態(tài)( 含水量較大) , 并在試樣制備過程中要將碎塊石剔除, 其試驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)度指標(biāo)較小, 經(jīng)分析, 主要原因是含水量大、在剔除碎石、塊石等雜質(zhì)后, 導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降。,從以上2 個(gè)工程的邊坡土質(zhì)情況來(lái)看, 采用水平推剪試驗(yàn)?zāi)茌^真實(shí)地反應(yīng)土的抗剪性能, 通過實(shí)際工程的應(yīng)用, 與室內(nèi)試驗(yàn)c、φ值指標(biāo)有一定差別。,結(jié)論

43、 通過對(duì)以上兩個(gè)具體工程實(shí)例的室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的對(duì)比研究不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更能準(zhǔn)確地反應(yīng)出復(fù)雜地質(zhì)條件下土體的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)實(shí)際工程的施工設(shè)計(jì)提供更加可靠的參數(shù)。,[1] GB50021－2001.巖土工程勘察規(guī)范.[2] YS5221-2000.現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)規(guī)程.[3] HG/T20693—2006.巖土體現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)規(guī)程.[4] 劉斯宏、肖貢元等.宜興抽水蓄能電站上庫(kù)堆石料的新型現(xiàn)場(chǎng) 直剪試驗(yàn).巖土工程學(xué)報(bào)