岩体双千斤顶法直剪实验

岩体双千斤顶法直剪实验第一页，共44页。

岩体的抗剪强度，即岩体抵抗剪切破坏的能力。也就是说，岩体在任一法向应力作用下，剪切破坏时所能抵抗的最大剪应力值，称该剪切面在此法向应力下的抗剪强度。一概述

第二页，共44页。现场剪切试验可分为三类：（1）岩体本身直剪试验；（2）岩体沿软弱结构面的直剪试验；（3）岩体与混凝土接触面的直剪试验。每类试验又可细分为：（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。从而根据库仑方程得到相应的强度指标：抗剪断强度，抗剪强度（摩擦强度），抗切强度。如图1所示：第三页，共44页。第四页，共44页。

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验。关于两种试验方法的选取，因为两种方法各有优劣，目前尚无定论，大量试验表明两种方法最终结果没有明显差别，国内两种方法被同时采用。第五页，共44页。

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φ）和剪切刚度系数。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，比室内岩块试验更符合实际情况。

二试验目的第六页，共44页。

上述几种现场直剪试验，由于剪切对象不同，其试点的选取、试体的规格和制备要求、数据读取时间间隔等方面存在差异。但在试验原理、设备、步骤及结果处理分析方法上都基本一致。根据库仑破坏准则有：（3-1）式中，τf——剪切破坏面上的剪应力（kPa），即岩土体的抗剪强度；σ——破坏面上的法向应力（kPa）；

c——岩土体的粘聚力（kPa）；

φ——岩土体的内摩擦角（°）；依据所测得的τf可推求出相应的c、φ值。三试验原理第七页，共44页。

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。

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：

σ=P/F（3-2）τ=Q/F（3-3）式中：σ——剪切面上的法向应力，Mpa;

τ——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：σ＝P/F＋Qsinα/F（3-4）τ=Qcosα/F

（3-5）式中：Q——作用于剪切面上的总斜向荷载，N;

α——斜向荷载方向与剪切面之间的夹角;其他符号含义同上文。第八页，共44页。（1）试体制备设备：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：8－12只；磁性表架：8－12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。四试验仪器第九页，共44页。第十页，共44页。五试验方法步骤5.1试验前的准备工作5.2试验前的资料准备5.3试验仪器设备安装5.4试验步骤及技术要求第十一页，共44页。5.1.1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。

5.1试验前的准备工作第十二页，共44页。5.1.2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1～2％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)。第十三页，共44页。

5.1.3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（或楔形体），每组试体数量不宜少于5个，并尽可能处在同一高程。

（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所示：

第十四页，共44页。

当剪切面水平或接近水平时，采用abcd方案；当剪切面较陡时（如软弱结构面），采用ef方案。

第十五页，共44页。

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与剪切荷载产生的力矩平衡，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。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较小的情况。第十六页，共44页。5.2.1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。5.2试验前的资料准备第十七页，共44页。

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，才能使试验顾利进行。第十八页，共44页。（2）施力公式推导法向应力：σ＝P/F＋Qsinα/F＝p＋qsinα（5-1）（记P/F＝p，Q/F=q）切向应力：τ=Qcosα/F＝qcosα（5-2）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；第十九页，共44页。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：（5-3）或者表达为：（5-4）

式中：qmax——试体发生剪切破坏时的最大单位推力，

Qmax——预估试件破坏时总斜向荷载，kN；

F——剪切面面积，cm2；

σ——剪切面上的法向应力，kPa；

tanφ——预估剪切面上的摩擦系数；

c——预估的剪切面上的粘聚力，kPa；

α——斜向荷载作用方向与剪切面夹角，（°）。

注：这里预估的粘聚力和摩擦系数根据岩体性质、工程

特点、以及地区经验查阅地质资料确定。第二十页，共44页。

在试验过程中，为了保持剪切面上的正应力σ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σ＝P/F＋Qsinα/F＝p＋qsinα，得出：

p＝P/F＝σ－qsinα（5-5）

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σmin，防止因同步减少法向荷载而发生法向应力为负的情况。

为使在剪切时p≥0，即：σ－qsinα≥0

在极限状态下，还应满足：qcosα=σtanφ+c

联立求得：

（5-6）

式中，符号意义同前。

第二十一页，共44页。5.2.2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：

（5-7）

计算得：

（5-8）

如果根据岩性、构造等条件，预估出φ、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。

第二十二页，共44页。5.3试验仪器设备安装

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下：第二十三页，共44页。第二十四页，共44页。5.3.1法向荷载系统安装

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。第二十五页，共44页。5.3.3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，供资料分析用。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12°～17°。第二十六页，共44页。5.3.4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；测表布置示意图如右图：第二十七页，共44页。5.4.1仪器的标定、检测试验前，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，测读初始读数。5.4试验步骤及技术要求第二十八页，共44页。5.4.2施加垂直荷载

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009）要求：

（1）在每组(4～5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。（2）对每个试体分4～5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10min，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。（3）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。第二十九页，共44页。

5.4.3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：

（1）剪切荷载按照预估的最大值的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。

（2）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。

第三十页，共44页。

（3）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。（4）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，（表现为剪切荷载趋于稳定）。（5）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。（6）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。（7）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）。第三十一页，共44页。（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。（2）试验过程中：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σ—τ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。六试验数据记录第三十二页，共44页。七试验数据处理

7.1计算法向应力和剪切应力

7.2相关参数的确定

7.3参数c和φ的确定

7.4剪切刚度系数的确定

第三十三页，共44页。

平推法：

法向应力：σ=P/F（7-1）剪切应力：τ=Q/F（7-2）斜推法：

法向应力：σ=P/F+Qsinα/F（7-3）剪切应力：τ=Qcosα/F（7-4）7.1计算法向应力和剪切应力

第三十四页，共44页。斜剪试验资料整理表第三十五页，共44页。平剪试验资料整理表第三十六页，共44页。7.2.1剪应力—剪切位移关系曲线根据同一组试验结果，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与剪切位移关系曲线图如右图所示。7.2相关参数的确定

第三十七页，共44页。7.2.2比例强度、屈服强度、峰值强度、残余强度①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，见右图中的a点。如果直线段不明显，可以采取一些辅助手段确定：(A)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τ为纵轴，剪切位移u为横轴，绘制τ—u曲线，在比例强度前，u/τ变化极小，过了比例强度后u值增大加快。第三十八页，共44页。②屈服强度：剪应力—剪切位移曲线过比例强度a点之后开始偏离直线，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，上图中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