现场直接剪切试验分解课件.ppt
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1、1、概述2、试验基本原理3、试验仪器设备4、试验方法及技术要求5、资料整理及影响因素分析一、概述 发展史 直剪试验最早在一百多年前被Alexandre Collin Alexandre Collin 用于边坡稳定研究所使用。早期的直剪试验仪均为应力控制式,第一台现代的直剪仪是在1932 年Casagrande Casagrande 在哈佛大学设计的,Gilboy Gilboy 于1936 年在麻省理工学院将位移控制引入到直剪仪中,从而可以得到土体材料较为准确的应力-位移关系和峰值以后的强度特性。目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式,试验时用环刀切出厚为20mm 的圆形土饼,将土饼推入剪切盒内
2、,分别在不同的垂直压力P 下,施加水平剪切力进行剪切,使试样在上下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏,求得破坏时的剪切应力,根据库伦定律确定土的抗剪强度参数:内摩擦角和粘聚力c。直剪试验所测试的岩土体的抗剪强度,在工程应用中具有重要的参考价值。1、土体现场直接剪切试验2、岩体现场剪切试验每种试验又可细分为:每种试验又可细分为:1、抗剪断试验:试体在法向应力作用下沿剪切面剪、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;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、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;续剪切的抗剪试验;3、抗切试验:法向应
3、力为、抗切试验:法向应力为0时对试体进行的直剪试时对试体进行的直剪试验。验。二、试验基本原理及方法 一、基本原理一、基本原理 在现场对几个式样在现场对几个式样(不少于不少于3个)施加不同的法向荷载,待其固结稳个)施加不同的法向荷载,待其固结稳定后再施加水平剪力使其破坏,同时记录下几个样式破坏时的剪切应力,定后再施加水平剪力使其破坏,同时记录下几个样式破坏时的剪切应力,绘制出剪应力与法向应力的关系曲线,继而可以得到土体在特定破坏面绘制出剪应力与法向应力的关系曲线,继而可以得到土体在特定破坏面上的抗剪强度参数即内摩擦角和念聚力。上的抗剪强度参数即内摩擦角和念聚力。二、试验方法二、试验方法1)试验的
4、第一步是试坑的开挖和试样的制备,一般情况下)试验的第一步是试坑的开挖和试样的制备,一般情况下工作面的尺寸为工作面的尺寸为2.5M1.6M.试样的制备一般在试坑中试样的制备一般在试坑中进行,用下端带有刃口的剪切盒,边压入土体边削去剪进行,用下端带有刃口的剪切盒,边压入土体边削去剪力盒外侧土体,一直到剪力盒全部切入到预定的试验深力盒外侧土体,一直到剪力盒全部切入到预定的试验深度为止,沿刃口的深度将周围土体削除,形成与剪切面度为止,沿刃口的深度将周围土体削除,形成与剪切面一致的试坑基底平面,同时修剪剪力盒中试样的顶面,一致的试坑基底平面,同时修剪剪力盒中试样的顶面,使试样顶面超出剪力盒顶面使试样顶面
5、超出剪力盒顶面1CM左右,并使其保持平整。左右,并使其保持平整。试样制备完成后,可安装法向应力施加装置和水平推力试样制备完成后,可安装法向应力施加装置和水平推力施加装置及相应的应力、位移测量装置(见图施加装置及相应的应力、位移测量装置(见图7-25),),试验装置安装完成之后,即可开始试验。试验装置安装完成之后,即可开始试验。2)对试样分级施加法向荷载,荷载的等效集中应力作用位置应位于剪切面的中心,最大法向荷载应大于设计荷载,一般可分4-5级逐渐达到试验所需的最终法向荷载。每级法向荷载施加后每5min测量一次试验变形,当每1min变形不超过0.05mm时可施加下一级荷载。最后一级法向荷载施加后
6、,当1h内竖直变形不超过0.05mm时,即达到相对稳定状态,可施加剪切荷载。3)施加水平剪切力,每级剪切荷载按预估价最大荷载的8%10%分级等量施加,也可按法向荷载的5%-10%分级等量施加。当剪切变形急剧增长或变形继续增长而剪应力无法增加或剪切变形达到试样边长(直径)的1/10时可终止试验。4)当需要根据剪切位移大于10mm时的试验成果确定土的残余抗剪强度时,可能需要沿剪切面继续进行摩擦试验。5)绘制有关试验成果曲线(详见试验成果及应用部分)三、试验设备三、试验设备土的现场直接剪切试验的主要设备有下列几部分构成:1、剪力盒,用以制备和装盛土样。2、法向荷载施加系统,由千斤顶、加压反力装置及滚
7、动滑板构成,用以施加法向应力。3、水平剪力施加系统,由千斤顶及附属装置(反力支座等)构成。4、测量系统,由位移量测系统(位移计、百分表等)和力测量系统(力传感器)构成,用以测量法向荷载、法向位移、水平剪力、水平位移等。图7-25是一种常见的土现场直接剪切试验装置的示意图。图3-1 现场直剪 1、剪切面积(试样截面积)不宜小于0.3m2高度不宜小于20cm或为试样土颗粒最大粒径的4-8倍。2、开挖试坑时,应避免对试样土体的扰动和使土样含水量发生显著变化。在地下水位以下试验时应先降低水位,待试验装置安装完毕,回复地下水位后再进行试验。3、试验过程及法向应力、水平剪切应力施加以及终止试验的标准应符合
8、上述试验方法中的相关要求。现场直接剪切试验的主要成果有:剪切应力与剪切位移关系曲线;抗剪强度与法向应力关系曲线。利用剪切应力与剪切位移关系曲线,可以确定一定法向应力条件下,剪切破坏面上的峰值抗剪强度和残余强度。利用抗剪强度和法向应力关系曲线可以确定剪切面上,土体的内摩擦角和粘聚力。除此之外,还可以通过绘制剪应力和垂直位移关系曲线,求得土体的剪胀强度。施加垂直荷载装置安装应按下列顺序进行:1、在试样表面铺砂、击实并末平整至剪切盒表面;2、安装下钢板、滚排、上钢板;3、安装油压千斤顶,将施力中心对准试样中心;4、安装滑块、传力柱,并对准工字形钢梁中心。施加横向荷载装置安装应按下列顺序进行:1、安装
9、定顶压钢板,并在底部垫约1cm厚木板2块,两 端放置紧贴剪切盒,岩石试验还应在顶压钢板与剪切盒 之间垫放橡皮垫;2、安装油压千斤顶,使其施力中心对准剪切面,且位 于试样中线;3、安放滑块位于油压千斤顶后座中心;4、安放后座钢板,并将该钢板与试槽壁之间填实,1、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1217,一般用15。使千斤顶的轴线穿过剪切面中心,力争剪切面受力均匀。2、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在试件边长(岩剪切方向)的5以内,试验前应对此距离进行实测记录,供资料分析用。针对斜推和平推两种不
10、同情况,需要特别关注以下两点:日本学者松冈元与刘斯宏等人开发研制了一种新型现场直剪试验法,如图3-4所示:用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中的上剪切盒,并取消下剪切盒,将格子状的剪切框直接埋于要测定强度的地盆中,在剪切框内的试样上先放上一块厚钢板,再在钢板上根据所需要的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条上的荷重计量测。在钢板的后侧中央部位设置一水平位移计,用于测量试样的剪切位移,同时在钢板的前后对角线上各设置一垂直位移计,试样的垂直位移取2只垂直位移计读数的平均值。介绍一种新型直剪试验法图3-4 新型现场直剪概念图 通常的直剪试验,由于用推动剪切盒的方法来使试样受剪,剪切盒与剪力环之间
11、必定是刚性连接。在剪切过程中,若试样发生剪胀,会在其接触点处产生一方向向下的摩擦力,而该摩擦力在试验中无法测定,从而使得剪切面上的正应力比实际外加的正应力要大。这就是通常的直剪试验测得的抗剪强度高于其实际强度的原因,上述新型试验解决了这一难题,使测得的指标更符合实际工程需要。四、试验方法及技术要求四、试验方法及技术要求2、试验前的资料准备1、试验前准备工作3、实验步骤及技术要求1、试验前准备工作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、试样制备方法及出现的问题;(2)试
12、点编号、位置、尺寸;(3)试段编号、位置、高程、方位、深度、断面形 状和尺寸;(4)岩土体岩性、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)岩土体的风化程度、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。2 2试点的选择及整理试点的选择及整理(1)选试点 试验场地应根据工程地质条件和建(构)筑物的受力特点等选择在具有代表性的地段。同一地质单元,试验组数不得少于3组,每一组试验不应少于5个
13、试验点,同一组各试验点应在同一地质单元。(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坑槽)。根据岩土工程勘察规范(GB500212001)规定的试件布置、制备、加工尺寸应符合一般规定:(1)试件宜加工成方形体(或楔形体),每组试体数量不宜少于3个,并尽可能处在同一高程。(2)试件剪切面积不宜小于2500cm2,边长不宜小于50cm,试件高度不宜小于边长的2/3,试体间距应大于1.5倍试件最短边长。(3)试件的推力部位应留有安装千斤顶的足
14、够空间,平推法应开挖千斤顶槽。(4)在试验之前,先测定混凝土的强度,为试验的分析提供合理参考依据。(5)如需混凝土浇筑试件,待浇注完毕,即可注水饱和,同时对混凝土进行养护,待28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,待混凝土标号达到要求后即可试验。3 3、试件的制备、试件的制备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
15、力是保持常数还是变数的问题。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,因此,现行规范将正应力视作常数处理。为此,在试验前,就要求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。2)施力公式推导 1)应力计算 法向应力:P/AQsin/Apqsin(记P/Ap,Q/A=q)切向应力:=Qcos/A qcos2)最大单位推力qmax的估算 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Q。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
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