岩土工程测试第九章现场直接剪切试验课件.ppt
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1、第九章第九章 现场直接剪切试验现场直接剪切试验第二节第二节 试验的基本原理试验的基本原理第三节第三节 试验的仪器设备试验的仪器设备第四节第四节 试验技术要求及方法试验技术要求及方法第五节第五节 资料整理及影响因素分析资料整理及影响因素分析现场直接剪切试验现场直接剪切试验 现场直剪试验现场直剪试验可用于岩土体本身、岩土体沿软弱结构面和岩体与其他材料接触面的剪切试验,可分为岩土体试体在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的抗剪断试验,岩土体剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验(摩擦试验),法向应力为零时岩体剪切的抗切试验。 第一节第一节 概述概述现场直接剪切试验现场直接剪切试验现场直接剪切试验现场直接剪切试
2、验P剪切面剪切面Q 现场直接剪切试验可求得试验对象的抗剪强度现场直接剪切试验可求得试验对象的抗剪强度和剪切刚度系数,试验结果更符合实际情况。和剪切刚度系数,试验结果更符合实际情况。一、岩体强度的概念一、岩体强度的概念 通常所讲的岩体强度是指岩体的抗剪强度,即岩体抵通常所讲的岩体强度是指岩体的抗剪强度,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。此法向应力下的抗剪强度。二、现场剪切试验分类二、现场剪切试验分类
3、现场剪切试验可分为三类:现场剪切试验可分为三类:(1)岩体本身直剪试验;)岩体本身直剪试验;(2)岩体沿软弱结构面的直剪试验;)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。)岩体与混凝土接触面的直剪试验。每类试验又可细分为: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)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;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)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;剪切的抗剪试验;(3)抗切试验:法向应力为)抗切试验:法向应力为0时对试体进行的直剪试验。时对试
4、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,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。如图抗剪强度(摩擦强度),抗切强度。如图91所示:所示:三、各类剪切试验的适用性三、各类剪切试验的适用性1岩体本身直剪试验岩体本身直剪试验 岩体本身直剪试验是为测定在外力作用下,岩体本身岩体本身直剪试验是为测定在外力作用下,岩体本身的抗剪强度和变形的试验。在的抗剪强度和变形的试验。在验算坝基、坝肩、岩质边坡验算坝基、坝肩、岩质边坡及地下洞室围岩及地下洞室围岩等岩体本身可能发生剪切失稳时,可采用等岩体本身可能发生剪切失稳时,可采用本试验方法。本试验方
5、法。 目前,在现场测定岩体的抗剪强度有多种方法,如直目前,在现场测定岩体的抗剪强度有多种方法,如直剪试验、三轴试验、扭转试验、拔锚试验等。为国内外最剪试验、三轴试验、扭转试验、拔锚试验等。为国内外最为通用的直剪试验。为通用的直剪试验。2 2岩体沿软弱结构面直剪试验岩体沿软弱结构面直剪试验 是测定岩体沿软弱结构面的抗剪强度和变形的试验。是测定岩体沿软弱结构面的抗剪强度和变形的试验。岩体中软弱结构面的抗剪强度,是指在外力作用下,软弱岩体中软弱结构面的抗剪强度,是指在外力作用下,软弱结构面抵抗剪切的能力。结构面抵抗剪切的能力。 为评价坝基、坝肩、岩质边坡及洞室围岩可能沿软弱为评价坝基、坝肩、岩质边坡
6、及洞室围岩可能沿软弱结构面产生滑动失稳时所采用的试验方法。结构面产生滑动失稳时所采用的试验方法。 3 3混凝土与岩体直剪试验混凝土与岩体直剪试验 混凝土与岩体直剪试验是为测定现场混凝土与岩体之混凝土与岩体直剪试验是为测定现场混凝土与岩体之间间( (胶结面胶结面) )的抗剪强度和变形特征所进行的试验。为评价的抗剪强度和变形特征所进行的试验。为评价水工建筑物沿基础接触面可能发生剪切破坏时,校核其抗水工建筑物沿基础接触面可能发生剪切破坏时,校核其抗滑稳定性时采用此项试验。滑稳定性时采用此项试验。 岩体抗剪强度试验在现场可以有各种不同的布置方案,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
7、荷载施加的方式只有两种,因此,按剪切荷载施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,如图法试验,如图9292。 上述几种现场直剪试验,由于剪切对象不同,其试点的选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。一致。第二节第二节 试验的基本原理试验的基本原理
8、根据库仑定律(根据库仑定律(1776),有:),有:式中,式中,f剪切破坏面上的剪应力(剪切破坏面上的剪应力(kPa),即岩土体的),即岩土体的抗剪强度;抗剪强度;破坏面上的法向应力(破坏面上的法向应力(kPa);); C岩土体的内聚力(岩土体的内聚力(kPa););岩土体的内摩擦角(岩土体的内摩擦角(););tanCf依据所测得的依据所测得的f可推求出相应的可推求出相应的C、值。值。(1)平推法)平推法法向应力:P/F切向应力:=q/F(2)斜推法)斜推法法向应力:P/FQsin/F切向应力:= Qcos/F 式中,Q作用于剪切面上的总斜向荷载(N); 斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。第
9、三节第三节 试验的仪器设备试验的仪器设备一、设备组成一、设备组成1试体制备系统试体制备系统 手风钻(或切石机)、模具、人工开挖工具各手风钻(或切石机)、模具、人工开挖工具各1套。套。2加荷系统加荷系统 (1)液压千斤顶,)液压千斤顶,2台;根据岩体强度,最大荷载及剪台;根据岩体强度,最大荷载及剪切面积选用不同规格,行程切面积选用不同规格,行程70mm; (2)油压泵(附压力表、高压油管、测力计等),)油压泵(附压力表、高压油管、测力计等),2台;台;手摇式或电动式,对千斤顶供油用。手摇式或电动式,对千斤顶供油用。 3 3传力系统传力系统(1 1)高压胶管,若干)高压胶管,若干( (配有快速接头
10、配有快速接头) ),输送油压用;,输送油压用;(2 2)传力柱:无缝钢管一套,要求钢管必须有足够的刚度和)传力柱:无缝钢管一套,要求钢管必须有足够的刚度和强度;强度;(3 3)钢垫板:用)钢垫板:用4545钢制成,一套,其面积可根据试体尺寸钢制成,一套,其面积可根据试体尺寸而定;而定;(4 4)滚轴排:一套,面积根据试体尺寸而定。)滚轴排:一套,面积根据试体尺寸而定。4 4测量系统测量系统(1 1)压力表:精度为一级的标准压力表一套,测油压用;)压力表:精度为一级的标准压力表一套,测油压用;(2 2)百分表(量程)百分表(量程50mm )、千分表)、千分表(量程(量程250mm ) :8 81
11、212只;只;(3 3)磁性表架:)磁性表架:8 81212只;只;(4 4)测量表架:工字钢)测量表架:工字钢2 2根;根;(5 5)测量标点:有机玻璃或不锈纲。)测量标点:有机玻璃或不锈纲。5反力系统反力系统 若试验是在平硐中进行,则不需要另外的反力装置,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,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。一般是打地锚。6辅助系统辅助系统(1)安装工具一套;)安装工具一套;(2)浇捣混凝土工具
12、一套;)浇捣混凝土工具一套;(3)照像设备一套。)照像设备一套。二、设备安装二、设备安装 总的安装顺序为:首先检查所有仪器设备,认为可总的安装顺序为: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,见图装法向荷载系统,后安装切向荷载系统,见图9 93 3。 1安装垂直加荷系统安装垂直加荷系统 在试体顶面铺以一层橡皮板或砂浆垫层,垫层上放传在试体顶面铺以一层橡皮板或砂浆垫层,垫层上放传压钢板,并用水平尺找平,然后依次放置:滚轴排、钢垫压钢板,并用水平尺找平,然后依次放置:滚轴排、钢垫板
13、、液压千斤顶、传力柱和顶部钢垫板等板、液压千斤顶、传力柱和顶部钢垫板等(滚轴排视具体情滚轴排视具体情况也可放于顶部况也可放于顶部)。 整个垂直加荷系统必须与剪切面垂直,垂直合力应通整个垂直加荷系统必须与剪切面垂直,垂直合力应通过剪切面中心。过剪切面中心。 2安装侧向剪切加荷系统安装侧向剪切加荷系统 安装斜向千斤顶时,须严格定位。斜向推力作用方向与安装斜向千斤顶时,须严格定位。斜向推力作用方向与剪切面的夹角一般为剪切面的夹角一般为1217,一般用,一般用15。使千斤顶的轴。使千斤顶的轴线穿过剪切面中心,力争剪切面受力均匀。线穿过剪切面中心,力争剪切面受力均匀。 安装水平千斤顶时须严格定位,水平推
14、力应通过预定的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(沿剪切方向)的在试件边长(沿剪切方向)的5以内,试验前应对此距离以内,试验前应对此距离进行实测记录,供资料分析用。进行实测记录,供资料分析用。3布置安装测表布置安装测表(1)混凝土试体两侧靠近剪切面的四个角点处,布置水平)混凝土试体两侧靠近剪切面的四个角点处,布置水平向和垂直向测表各四只,测量绝对变形;向和垂直向测表各四只,测量绝对变形;(2)根据需要可在试体及其周围基岩面上,安装测量绝对)根据需要可在试体及其周围基岩
15、面上,安装测量绝对位移和相对位移的测表;位移和相对位移的测表;(3)测表支架应牢固地安装于支点上,支点位于变形影响)测表支架应牢固地安装于支点上,支点位于变形影响范围以外,最好是简支梁形式;范围以外,最好是简支梁形式;(4)支架固定后安装测表。)支架固定后安装测表。 第四节第四节 试验方法及技术要求试验方法及技术要求 一、试验前的准备工作一、试验前的准备工作1试验前的地质描述试验前的地质描述 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:据
16、。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;)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;)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)试段编号、位置、高程、方位、深度、硐室断面形状和尺寸;状和尺寸;(4)岩石岩性、结构、构造、主要造岩矿物、颜色等;)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)各种结构面的产状、分布特点、结构面性质、组合关系等;关系等;(6)岩体的风化程度、风化特点、风化深度等;)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、
17、化学成分、活动)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;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;)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。试体展示图等。 2试点的选择及整理试点的选择及整理(1)选试点)选试点 同一组试体同一组试体(不少于不少于5块块),选用工程地质条件相同地段,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
18、,试体间距应大于工程工作条件,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。倍试体最短边长,以免受力后变形互相影响。(2)试点整理)试点整理 在所选试点上,对硐顶板及斜向在所选试点上,对硐顶板及斜向(或水平或水平)推力后座大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内内(沿推力方向沿推力方向),试体范围外起伏差约为试体边长,试体范围外起伏差约为试体边长的的10。(平推法同时开挖放置水平千斤顶的的坑槽平推法同时开挖放置水平千斤顶的的坑槽)。 3浇注混凝土试体浇注混凝土试体 根据根据岩土工程
19、勘察规范岩土工程勘察规范(GB500212001)规定)规定的试体布置、制备、加工尺寸应符合一般规定: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)试体宜加工成方形体(或楔形体),每组试体数量不宜少于不宜少于5个,并尽可能处在同一高程。个,并尽可能处在同一高程。(2)试体剪切面积不宜小于)试体剪切面积不宜小于2500cm2,边长不宜小于,边长不宜小于50cm,试体高度不宜小于边长的,试体高度不宜小于边长的2/3,试体间距应大于,试体间距应大于1.5倍试体最短边长。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)试体的推力部位应
20、留有安装千斤顶的足够空间,平推法应开挖千斤顶槽。推法应开挖千斤顶槽。(4)在试验之前,先测定混凝土的强度,以供试验分析)在试验之前,先测定混凝土的强度,以供试验分析资料用。资料用。(5)试体浇注完毕,即可注水饱和,同时对混凝土进行)试体浇注完毕,即可注水饱和,同时对混凝土进行养护,待养护,待28天后,即可进行试验。有时因工作需要,需天后,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,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。待混凝土标号达到要求后即可试验。(6)试验的布置方案见)试验的布置方案见P132图图96所示。所示。
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