巖土工程測試第九章現場直接剪切試驗第一頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術現場直接剪切試驗

現場直剪試驗可用于巖土體本身、巖土體沿軟弱結構面和巖體與其他材料接觸面的剪切試驗，可分為巖土體試體在法向應力作用下沿剪切面剪切破壞的抗剪斷試驗，巖土體剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的抗剪試驗（摩擦試驗），法向應力為零時巖體剪切的抗切試驗。第一節(jié)概述第二頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術現場直接剪切試驗第三頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術現場直接剪切試驗P剪切面Q

現場直接剪切試驗可求得試驗對象的抗剪強度和剪切剛度系數，試驗結果更符合實際情況。第四頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術一、巖體強度的概念

通常所講的巖體強度是指巖體的抗剪強度，即巖體抵抗剪切破壞的能力。也就是說，巖體在任一法向應力作用下，剪切破壞時所能抵抗的最大剪應力值，稱該剪切面在此法向應力下的抗剪強度。二、現場剪切試驗分類

現場剪切試驗可分為三類：（1）巖體本身直剪試驗；（2）巖體沿軟弱結構面的直剪試驗；（3）巖體與混凝土接觸面的直剪試驗。第五頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術每類試驗又可細分為：（1）抗剪斷試驗：試體在法向應力作用下沿剪切面剪切破壞的直剪試驗；（2）抗剪試驗（摩擦試驗）：試體剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的抗剪試驗；（3）抗切試驗：法向應力為0時對試體進行的直剪試驗。從而根據庫侖方程得到相應的強度指標：抗剪斷強度，抗剪強度（摩擦強度），抗切強度。如圖9－1所示：第六頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術第七頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術三、各類剪切試驗的適用性1．巖體本身直剪試驗

巖體本身直剪試驗是為測定在外力作用下，巖體本身的抗剪強度和變形的試驗。在驗算壩基、壩肩、巖質邊坡及地下洞室圍巖等巖體本身可能發(fā)生剪切失穩(wěn)時，可采用本試驗方法。目前，在現場測定巖體的抗剪強度有多種方法，如直剪試驗、三軸試驗、扭轉試驗、拔錨試驗等。為國內外最為通用的直剪試驗。第八頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術2．巖體沿軟弱結構面直剪試驗

是測定巖體沿軟弱結構面的抗剪強度和變形的試驗。巖體中軟弱結構面的抗剪強度，是指在外力作用下，軟弱結構面抵抗剪切的能力。為評價壩基、壩肩、巖質邊坡及洞室圍巖可能沿軟弱結構面產生滑動失穩(wěn)時所采用的試驗方法。第九頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術3．混凝土與巖體直剪試驗

混凝土與巖體直剪試驗是為測定現場混凝土與巖體之間(膠結面)的抗剪強度和變形特征所進行的試驗。為評價水工建筑物沿基礎接觸面可能發(fā)生剪切破壞時，校核其抗滑穩(wěn)定性時采用此項試驗。巖體抗剪強度試驗在現場可以有各種不同的布置方案，但就剪切荷載施加的方式只有兩種，因此，按剪切荷載施加的不同方式，分為兩種試驗方法：即平推法試驗和斜推法試驗，如圖9—2。第十頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術

上述幾種現場直剪試驗，由于剪切對象不同，其試點的選取、試體的規(guī)格和制備要求、數據讀取時間間隔等方面存在差異。但在試驗原理、設備、步驟及結果處理分析方法上都基本一致。第十一頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術第二節(jié)試驗的基本原理

根據庫侖定律（1776），有：式中，τf——剪切破壞面上的剪應力（kPa），即巖土體的抗剪強度；σ——破壞面上的法向應力（kPa）；

C——巖土體的內聚力（kPa）；φ——巖土體的內摩擦角（°）；第十二頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術依據所測得的τf可推求出相應的C、φ值。（1）平推法法向應力：σ＝P/F切向應力：τ=q/F（2）斜推法法向應力：σ＝P/F＋Qsinα/F切向應力：τ=Qcosα/F

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。第十三頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術第三節(jié)試驗的儀器設備一、設備組成1．試體制備系統手風鉆（或切石機）、模具、人工開挖工具各1套。2．加荷系統

（1）液壓千斤頂，2臺；根據巖體強度，最大荷載及剪切面積選用不同規(guī)格，行程≥70mm；（2）油壓泵（附壓力表、高壓油管、測力計等），2臺；手搖式或電動式，對千斤頂供油用。第十四頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術

3．傳力系統（1）高壓膠管，若干(配有快速接頭)，輸送油壓用；（2）傳力柱：無縫鋼管一套，要求鋼管必須有足夠的剛度和強度；（3）鋼墊板：用45＃鋼制成，一套，其面積可根據試體尺寸而定；（4）滾軸排：一套，面積根據試體尺寸而定。4．測量系統（1）壓力表：精度為一級的標準壓力表一套，測油壓用；（2）百分表（量程≥50mm

）、千分表（量程≥2~50mm

）

：8－12只；（3）磁性表架：8－12只；（4）測量表架：工字鋼2根；（5）測量標點：有機玻璃或不銹綱。第十五頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術5．反力系統

若試驗是在平硐中進行，則不需要另外的反力裝置，直接利用巖體承擔反力；若在井巷、露天場地的試坑或平的巖體表面進行，則需要安裝加荷系統的反力裝置，一般是打地錨。6．輔助系統（1）安裝工具一套；（2）澆搗混凝土工具一套；（3）照像設備一套。第十六頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術二、設備安裝

總的安裝順序為：首先檢查所有儀器設備，認為可靠后才能使用；標出垂直及剪切荷載安裝位置后，先安裝法向荷載系統，后安裝切向荷載系統，見圖9－3。

第十七頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術第十八頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術1．安裝垂直加荷系統

在試體頂面鋪以一層橡皮板或砂漿墊層，墊層上放傳壓鋼板，并用水平尺找平，然后依次放置：滾軸排、鋼墊板、液壓千斤頂、傳力柱和頂部鋼墊板等(滾軸排視具體情況也可放于頂部)。整個垂直加荷系統必須與剪切面垂直，垂直合力應通過剪切面中心。第十九頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術2．安裝側向剪切加荷系統

安裝斜向千斤頂時，須嚴格定位。斜向推力作用方向與剪切面的夾角一般為12～17°，一般用15°。使千斤頂的軸線穿過剪切面中心，力爭剪切面受力均勻。安裝水平千斤頂時須嚴格定位，水平推力應通過預定的剪斷面。當難以滿足此要求時，著力點距剪切面距離應控制在試件邊長（沿剪切方向）的5％以內，試驗前應對此距離進行實測記錄，供資料分析用。第二十頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術3．布置安裝測表（1）混凝土試體兩側靠近剪切面的四個角點處，布置水平向和垂直向測表各四只，測量絕對變形；（2）根據需要可在試體及其周圍基巖面上，安裝測量絕對位移和相對位移的測表；（3）測表支架應牢固地安裝于支點上，支點位于變形影響范圍以外，最好是簡支梁形式；（4）支架固定后安裝測表。

第二十一頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術第四節(jié)試驗方法及技術要求

一、試驗前的準備工作1．試驗前的地質描述

地質描述為試驗成果的整理分析和計算指標的選擇提供可靠依據，并為綜合評價巖體工程地質性質提供依據。具體內容包括：（1）試驗地段開挖、試體制備方法及出現的問題；（2）試點編號、位置、尺寸；（3）試段編號、位置、高程、方位、深度、硐室斷面形狀和尺寸；（4）巖石巖性、結構、構造、主要造巖礦物、顏色等；第二十二頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術（5）各種結構面的產狀、分布特點、結構面性質、組合關系等；（6）巖體的風化程度、風化特點、風化深度等；（7）水文地質條件，包括地下水類型、化學成分、活動規(guī)律、出露位置等；（8）巖爆、硐室變形等與初始地應力有關的現象；（9）試驗地段地質橫剖面圖、地質素描圖、鉆孔柱狀圖、試體展示圖等。第二十三頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術2．試點的選擇及整理（1）選試點同一組試體(不少于5塊)，選用工程地質條件相同地段，試體受力大小、方向及裂隙相對位置等，應盡量接近實際工程工作條件，盡可能位于同一高程上，試體間距應大于1.5倍試體最短邊長，以免受力后變形互相影響。（2）試點整理在所選試點上，對硐頂板及斜向(或水平)推力后座大致加工平整。預澆混凝土地基面起伏差控制在試體邊長的1～2％內(沿推力方向)，試體范圍外起伏差約為試體邊長的10％。(平推法同時開挖放置水平千斤頂的的坑槽)。第二十四頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術3．澆注混凝土試體

根據《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）規(guī)定的試體布置、制備、加工尺寸應符合一般規(guī)定：（1）試體宜加工成方形體（或楔形體），每組試體數量不宜少于5個，并盡可能處在同一高程。（2）試體剪切面積不宜小于2500cm2，邊長不宜小于50cm，試體高度不宜小于邊長的2/3，試體間距應大于1.5倍試體最短邊長。（3）試體的推力部位應留有安裝千斤頂的足夠空間，平推法應開挖千斤頂槽。第二十五頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術（4）在試驗之前，先測定混凝土的強度，以供試驗分析資料用。（5）試體澆注完畢，即可注水飽和，同時對混凝土進行養(yǎng)護，待28天后，即可進行試驗。有時因工作需要，需提早進行試驗，在澆注混凝土時可適當添加些速凝劑，待混凝土標號達到要求后即可試驗。（6）試驗的布置方案見P132圖9－6所示。第二十六頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術二、試驗前的資料準備

1．斜推法試驗（1）加荷分析首先應對每一個試體施加一定的垂直荷載，然后再施加斜向剪切荷載，進行試驗。由于斜向荷載可分解為平行于剪切面的切應力和垂直剪切面的正應力，故一旦加上斜向荷載，剪切面上的正應力隨之增加這個分量。從而出現了正應力的處理問題，即在剪切過程中，剪切面上的正應力是保持常數還是變數的問題。國外對這個問題持不同看法。在國內，大致采用以下三種方式來處理：第二十七頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術1）隨著斜向荷載的施加，同步減小垂直壓力表讀數，使剪切面上的正應力在整個剪切過程中始終保持常數。2）在施加斜向荷載時，始終不調整垂直壓力表讀數(實際上垂直壓力表讀數在增加)，此時剪切面上的正應力是變數。3）在施加斜向荷載時，同步調整垂直壓力表讀數，使壓力表讀數始終保持在初始讀數上。此時加于試體的正應力也是變數。第二十八頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術1)種方法，稱之為常正應力法；2)、3)兩種方法稱之為變正應力法。當正應力為變數時，剪切面上的應力條件比較復雜，而且作出的剪應力—剪位移曲線圖形失真，對試驗成果的整理和分析都帶來困難。故現行規(guī)范規(guī)定為按常正應力法試驗。為此，在試驗前，就要求我們設計出試體應施加多大的垂直荷載和斜向荷載，才能使試驗順利進行。第二十九頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術（2）施力公式推導1）應力計算法向應力：σ＝P/F＋Qsinα/F＝p＋qsinα（記P/F＝p，Q/F=q）切向應力：τ=Qcosα/F＝qcosα第三十頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術2)最大單位推力qmax的估算在試驗進行之前，需要預估試體發(fā)生剪切破壞時的最大單位推力qmax，從而計算出斜向總荷載Q。據此，可在試驗過程中分級施加斜向推力，直至試體剪斷。在極限狀態(tài)下，應力條件應滿足庫侖公式：

只要預估出剪切面上的f（摩擦系數，tanφ）、C值，α＝15°，σ也可給定，即可計算qmax。然后乘以剪切面積F就是Qmax，按Qmax分級加載試驗。第三十一頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術3）同步加減荷載計算在試驗過程中，為了保持剪切面上的正應力σ為常數，因此逐級施加q的同時，須同步減少p值。同步加減的荷載按下式計算：由σ＝p＋qsinα，得出：p＝P/F＝σ－qsinα4）最小正應力σmin的確定為了避兔試驗過程中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力σmin值。為使在剪切時p≥0，即：σ－qsinα≥0在極限狀態(tài)下，還應滿足：第三十二頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術建立聯立方程組σ－qsinα＝0

解得

把根據試體實際情況估計的剪切面的f、C值、α＝15°，代入上式，即可計算出剪切面上所需施加的σmin值。如小于此值，將會出現P值不夠減的情況。顯然，還要對f、C值的估計應接近剪切面的實際值；估計值偏大時，試體破壞時的斜向荷載Q將達不到設計的值，估計值偏小時，同樣全出現P值不夠減的情況。第三十三頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術2．平推法試驗

不需要減少P值，但試驗前，也要對剪切荷載進行估算。在極限平衡狀態(tài)下，剪切面上的應力條件符合莫爾－庫侖公式：得

如果根據巖性、構造等條件，預估出f、C值，代入上式即可估算出試體剪切破壞時最大剪切荷載，方便在試驗過程中分級施加。第三十四頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術三、試驗步驟及技術要求1．儀器的標定、檢測

試驗前，根據對千斤頂（或液壓枕）作的率定曲線和試體剪切面面積，計算施加的荷載和壓力表讀數對應關系。檢查各測表的工作狀態(tài)，測讀初始讀數。2．施加垂直荷載1）在每組(4～5個)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，以不小于設計法向應力為宜。當剪切面有軟弱物充填時，最大法向應力以不擠出充填物為限。2）對每個試體分4～5級施加其垂直荷載。加載用時間控制，每隔5分鐘加一次，加荷后立即讀數，5分鐘后再讀一次，即可施加下一級荷載。當加至預定荷載時，仍需每隔5分鐘讀一次數，當連續(xù)兩次垂直變形之差小于0.01mm，即認為穩(wěn)定，可以施加水平荷載。第三十五頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術3．施加剪切荷載1）以時間控制：開始按最大剪切荷載的10％分級施加。隔5分鐘加荷一次（有充填物每隔10或15min加荷一次），

，每級荷載施加前后各測讀變形一次。當所加荷數引起的水平變形大于前一級的1.5~2倍時，剪切荷載減至按5％施加，直至剪斷，臨近剪斷時，應密切注視和測記壓力變化情況及相應的水平變形(壓力與變形應同步觀測)，整個剪切過程中，垂直荷載須始終保持常數。試件被剪斷時，測讀峰值。2）按變形控制：方法基本同上，只是每級剪切荷載施加后，每隔一定時間讀數一次直到最后相鄰兩次或三次測讀的變形小于某一定值，即認為穩(wěn)定，方可加下一級荷載。

從目前資料看，對剪切荷載的施加，國外大部分采用變形控制法。國內在五十年代大都按照蘇聯的方法，即采用變形控制法，近來大都轉向以時間控制。試體剪斷后，可進行剪斷面的抗摩擦試驗。

第三十六頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術4．試驗記錄（1）試驗前記錄好以下內容：工程名稱、巖石名稱、試體編號、試體位置、試驗方法、混凝土的強度、剪切面面積、測表布置、法向荷載、剪切荷載、法向位移、試驗人員、試驗日期。（2）試驗過程中：詳細記錄碰表、調表、換表、千斤頂漏油補壓，混凝土或巖體松動、掉塊、出現裂縫等情況。（3）試驗結束后，翻轉試體，測量實際剪切面面積。詳細記錄剪切面的破壞情況、破壞方式、擦痕的分布、方向及長度，繪出素描圖及剖面圖，并照相。第三十七頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術第五節(jié)資料整理分析一、法向應力、剪切應力的計算

無論采用哪種試驗方法，分別采用以上介紹的公式計算各級荷載下的法向應力和剪切應力。法向應力：σ＝P/F＋Qsinα/F切向應力：τ=Qcosα/F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。第三十八頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術二、試驗曲線繪制1．繪制剪應力—水平位移及剪應力—垂直位移曲線，確定比例極限、屈服極限、峰值強度和殘余強度，確定曲線破壞類型(圖9—6)

。也可以只繪制不同正應力下剪應力與剪切變形(水平變形)關系曲線(圖9—7)。第三十九頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術2．視需要，繪制正應力—垂直位移關系曲線(σ—v曲線)，剪應力—時間(τ－t)曲線，時間—垂直位移—剪位移（t－v－u)曲線。第四十頁，共47頁。河南城建學院巖土工程測試技術3．確定與比例極限、屈服極限、峰值強度及殘余強度及相對應的剪切變形和垂直變形，根據需要，分析各階段剪切特征值(剪脹角、剪切剛度等