现场直接剪切试验分解

• 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
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 。
一、基本原理 在现场对几个式样(不少于3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， 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。
二、试验方法 1）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2.5M×1.6M.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 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 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1CM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 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。
建立联立方程组
解得：
把根据试体实际情况估计的剪切面的f、C及α值代入上式， 即可计算出剪切面上所需施加的σmin值。如小于此值，将会 出现P值不够减的情况。显然，还要对f、C值的估
计应接近剪切面的实际值；估计值偏大时，试件破坏时的斜
向荷载Q将达不到设计的值，估计值偏小时，同样全出现P值 不够减的情况。
介绍一种新型直剪试验法
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
图3-4 新型现场直剪概念图
试பைடு நூலகம்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。 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。
图3-1 现场直剪
试验的技术要求
• 1、剪切面积（试样截面积）不宜小于0.3m^2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 验的标准应符合上述试验方法中的相关要求。
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，
• 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。
现场直剪试验可分为以下两种：
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：
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。
二、试验基本原理及方法
现场直接剪切试验
主要内容
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 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
• 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，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。
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。
2、试验前的资料准备
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。
在哈佛大学设计的， 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,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τ ，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数：内摩擦角υ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。
因此，只要预估出剪切面上的f（摩擦系数，tanυ）、
C值，α、σ都可给定，即可计算qmax。然后乘
以剪切面积A就是Qmax，按Qmax分级加载试验。
3）同步加减荷载计算 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＋qsinα，得出： p＝P/A＝σ－qsinα 4）最小正应力σmin的确定 为了避兔试验过程中p值不够减的情况发生，必须首先 确定剪切面上的最小正应力σmin值。 为使在剪切时p≥0，即：σ－qsinα≥0 在极限状态下，还应满足：
2）施力公式推导 1）应力计算 法向应力： σ＝P/A＋Qsinα/A＝p ＋qsinα （记P/A＝p，Q/A=q） 切向应力： τ= Qcosα/A ＝qcosα
2) 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公式：
3、试件的制备
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）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
试验成果及应用
• 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。
试验目的： 测定岩土体特定剪切面上的抗剪强度指标 优点: 由于现场直剪试验土样的受剪面积比室内试验大得多，且又是在现场直接进行 试验的，因此较室内试验更能符合天然状态，得出的结果更加符合实际工程的技术要
求。
适用条件 现场直剪试验主要适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土以及它们所组成的混合土层。
试验分类
四、试验方法及技术要求
1、试验前准备工作
2、试验前的资料准备
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
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。