現(xiàn)場直剪剪切試驗(yàn)和巖體原位應(yīng)力測試

1、現(xiàn)場直剪剪切試驗(yàn)和巖體原位應(yīng)力測試 按剪切荷載施加的不同方式分：平推法試驗(yàn)和斜推法試驗(yàn)。 平推法剪切荷載平行于剪切面 斜推法剪切荷載與剪切面成一定角度9.2 試驗(yàn)原理 根據(jù)庫侖定律（1776），有式中 f 剪切破壞面上的剪應(yīng)力（kPa），即巖土體的 抗剪強(qiáng)度； 破壞面上的法向應(yīng)力（kPa）； C巖土體的內(nèi)聚力（kPa）； 巖土體的內(nèi)摩擦角（）。 依據(jù)不同下測得的f 就可求出相應(yīng)的C、 值。平推法： F剪切面面積（mm2） 斜推法：9.3 試驗(yàn)設(shè)備 （1）試體制備設(shè)備：手風(fēng)鉆（或切石機(jī)）、模具、人工開挖工具各l套。切石機(jī)、模具應(yīng)符合試體尺寸要求。 （2）加載設(shè)備：液壓千斤頂（或液壓鋼枕）2套以上

2、，出力容量根據(jù)試驗(yàn)要求確定，行程70 mm。液壓泵（手動(dòng)或電動(dòng)）附壓力表、高壓油管、測力計(jì)等，與液壓千斤頂（或液壓鋼枕）配套使用。 （3）傳力設(shè)備：傳力柱（木、鋼或砼制品）、鋼墊塊（板）、高壓膠管、滾軸排。傳力柱宜具足夠的剛度。在露天或基坑試驗(yàn)時(shí)須使用巖錨、鋼索、螺夾或鋼梁等反力裝置。 （4）測量設(shè)備：百分表（量程50 mm）、千分表（量程250 mm），每種不少于6塊、對應(yīng)數(shù)量的磁性表座和萬能表架、測量標(biāo)點(diǎn)、量表支架（2）。支桿長度應(yīng)超過試驗(yàn)影響范圍。 （a）：1砂漿頂板；2墊板；3傳力柱；4壓力表；5混凝土試體；6混凝土后座；7液壓千斤頂；8傳力塊；9滾軸徘；10接液壓泵；11垂直位移測表

3、；12測量標(biāo)點(diǎn)；13水平位移測表；14試體受力簡圖（b）：1、2、3、4、14同（a）；5液壓千斤頂；6混凝土試體；7傳力塊；8滾軸排；9垂直位移測表；10測量標(biāo)點(diǎn)；11水平位移測表；12混凝土后座；13接液壓泵 在試體兩側(cè)的對稱部位分別安裝測量切向位移和法向位移（絕對位移）的測表，每側(cè)法向、切向位移測表均不得少于2只。 9.4 試驗(yàn)方法及技術(shù)要求 9.4.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作地質(zhì)描述 （1）試驗(yàn)段開挖、試體制備方法及出現(xiàn)的問題； （2）試點(diǎn)編號、位置、尺寸； （3）試段編號、位置、高程、方位、深度、硐斷面形狀和尺寸； （4）巖石名稱、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、主要礦物成分等； （5）結(jié)構(gòu)面的分布特點(diǎn)、

4、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)（產(chǎn)狀、成因、類型、寬度、延伸性和連續(xù)性、結(jié)構(gòu)面壁強(qiáng)度、起伏情況）、組合關(guān)系等； （6）充填物性質(zhì)（類型、厚度、礦物成分、顆粒組成、泥化、軟化、風(fēng)化程度和含水狀態(tài)等）； （7）巖體的完整程度、風(fēng)化程度、風(fēng)化特點(diǎn)、風(fēng)化深度等； （8）水文地質(zhì)條件（地下水類型、化學(xué)成分、活動(dòng)規(guī)律、出露位置等）; （9）試驗(yàn)地段地質(zhì)橫縱工程地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)素描圖、鉆孔柱狀圖、試體展示圖等。試體制備 （1）在巖體的預(yù)定部位加工試體，試體宜加工成方形體（或楔形體）；每組試體數(shù)量不宜少于5個(gè)，并應(yīng)盡可能處在同一高程上。開挖時(shí)應(yīng)盡量減少對試體的擾動(dòng)和破壞。 （2）試體剪切面積不宜小于2500 cm2，最小邊長不宜

5、小于50 cm，試體高度不宜小于最小邊長的2/3(或1/2-工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn))。試體間距宜大于試體最小邊長1.5倍，以免試驗(yàn)過程中相互影響和便于試體制備和設(shè)備安裝。 （3）試體的推力部位應(yīng)留有安裝千斤頂?shù)淖銐蚩臻g，平推法應(yīng)開挖千斤頂槽。剪切面周圍的巖體應(yīng)大致鑿平，浮渣應(yīng)清除干凈。 （4）平推法的推力方向宜與工程巖體的受力方向一致。斜推法的推力中心線與剪切面夾角宜為1217。 （5）對加壓過程可能出現(xiàn)破裂或松動(dòng)的試體，應(yīng)澆筑鋼筋混凝土保護(hù)套或采取其它保護(hù)措施，保護(hù)套應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，頂面應(yīng)平行預(yù)定剪切面，底部應(yīng)在預(yù)定剪切面的上部邊緣；水泥砂漿和混凝土應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。 （6）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對試

6、體保持天然含水量或浸水飽和。試驗(yàn)布置方案 資料準(zhǔn)備 （1）斜推法試驗(yàn) 斜推法正應(yīng)力是保持常數(shù)還是變數(shù)的問題。在國內(nèi)，用3種方式處理： 1）隨著斜向荷載的施加，同步減小垂直壓力表讀數(shù)，使剪切面上的正應(yīng)力在整個(gè)剪切過程中始終保持常數(shù)。 2）在施加斜向荷載時(shí)，始終不調(diào)整垂直壓力表讀數(shù)（實(shí)際上垂直壓力表讀數(shù)在增加），此時(shí)剪切面上的正應(yīng)力是變數(shù)。 3）在施加斜向荷載時(shí)，同步調(diào)整垂直壓力表讀數(shù)，使壓力表讀數(shù)始終保持在初始讀數(shù)上。此時(shí)加于試體上的正應(yīng)力也是變數(shù)。 1）方法常正應(yīng)力法，2）及3）方法變正應(yīng)力法?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定按常正應(yīng)力法試驗(yàn)。為此，在試驗(yàn)前，就要求設(shè)計(jì)出試體應(yīng)施加多大的垂直荷載和斜向荷載，才能使

7、試驗(yàn)順利進(jìn)行。 試驗(yàn)前，預(yù)先按下式預(yù)估試體剪壞時(shí)的斜向總荷載： 試驗(yàn)時(shí)，將斜向推力Qmax分級施加直至剪斷。為保持剪切面上的法向應(yīng)力始終不變，應(yīng)同步減少由斜向推力所引起的垂直荷載的增加量。同步加減的荷載按下式計(jì)算： 試驗(yàn)前，還應(yīng)估算出剪切面上的最小正應(yīng)力min，防止因同步減少垂直荷載而發(fā)生法向應(yīng)力為負(fù)數(shù)的情況出現(xiàn)。 min按下式計(jì)算： （2）平推法試驗(yàn) 在試驗(yàn)前，同樣需對最大剪切荷載Qmax進(jìn)行估算。在極限平衡狀態(tài)下，剪切面上的應(yīng)力條件符合摩爾-庫侖公式： 9.4.2 試驗(yàn)技術(shù)要求 1試驗(yàn)開始前準(zhǔn)備 根據(jù)對千斤頂（或液壓枕）作的率定曲線和試體剪切面面積，計(jì)算施加的荷載和壓力表讀數(shù)。檢查各測表的

8、工作狀態(tài)，測讀初始讀數(shù)。 2施加垂直荷載 （1）在每個(gè)試體上分別施加不同的垂直荷載，其值為最大法向荷載的等分值，最大垂直應(yīng)力以不小于設(shè)計(jì)法向應(yīng)力為宜。當(dāng)剪切面有軟弱充填物時(shí)，最大法向應(yīng)力應(yīng)以不擠出充填物為限。 （2）每個(gè)試體分45級施加其垂直荷載。每隔5min加一次，0min、5min分別讀一次數(shù)。在最后一級法向荷載作用下，法向位移應(yīng)相對穩(wěn)定后（各測表的連續(xù)兩次垂直變形讀數(shù)差不超過0.0l mm），再施加剪切荷載。 對于軟弱夾層，在加到預(yù)定的垂直荷載后，低塑性軟弱夾層每隔10min，高塑性軟弱夾層每隔15min，讀一次垂直變形。當(dāng)兩次變形讀數(shù)差小于0.05mm時(shí)，即視為已穩(wěn)定，施加荷載的容許誤

9、差為2。 各試體的垂直荷載達(dá)預(yù)定值后，整個(gè)試驗(yàn)中應(yīng)保持不變。3施加剪切荷載（1）剪切荷載按預(yù)估的最大值分812級施加，如發(fā)生后一級荷載的水平變形為前一級的1.5倍以上時(shí)，應(yīng)減荷按45施加。（2）試驗(yàn)過程中法向應(yīng)力應(yīng)始終保持為常數(shù)。采用斜推法時(shí)，應(yīng)同步降低因施加剪切荷載而產(chǎn)生的法向分量的增量，保持法向荷載不變。（3）剪切荷載一般按每5min加載一級，施加前后對法向和切向位移測表各測讀一次。接近剪斷時(shí)，應(yīng)加密測讀荷載和位移，峰值前不得少于l0組讀數(shù)。當(dāng)剪切面為有充填的結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)根據(jù)剪切位移的大小，每隔10min或15min加荷一次。加荷前后均須測讀各測表的讀數(shù)。（4）試體被剪斷時(shí)，測讀剪切荷載峰

10、值。根據(jù)需要可繼續(xù)施加剪切荷載，直到測出大致相等的剪切荷載值為止（表現(xiàn)為剪切荷載趨于穩(wěn)定）。（5）當(dāng)剪切荷載無法穩(wěn)定或剪切位移明顯增大時(shí)，應(yīng)測讀剪切荷載峰值。在剪切荷載緩慢退至零的過程中，法向應(yīng)力應(yīng)保持常數(shù)，測讀試體回彈位移讀數(shù)。（6）對于軟弱夾層，低塑性夾層按l0、高塑性夾層按5的最大預(yù)估荷載分級等量施加。加荷后每10 min讀一次數(shù)，l0min內(nèi)變形0.1mm/min時(shí)，即視為穩(wěn)定，施加下一級荷載，至剪斷。（7）抗剪斷試驗(yàn)完畢后用同樣方法沿剪斷面進(jìn)行抗剪試驗(yàn)（摩擦試驗(yàn)）。如有必要，可在不同的垂直荷載下進(jìn)行重復(fù)摩擦（即單點(diǎn)摩擦）試驗(yàn)。 4試驗(yàn)記錄 （1）試驗(yàn)前記錄以下內(nèi)容：工程名稱、巖石名稱

11、、試體編號、試體位置、試驗(yàn)方法、混凝的強(qiáng)度、剪切面面積、測表布置、法向荷載、剪切荷載、法向位移、剪切位移、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)日期。 （2）試驗(yàn)過程中，對加載設(shè)備和測表使用情況、試體發(fā)出的響聲、混凝土和巖體出現(xiàn)松動(dòng)、掉塊和裂縫開裂等現(xiàn)象，均應(yīng)作詳細(xì)描述和記錄。 （3）試驗(yàn)結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試體，測量實(shí)際剪切面面積。詳細(xì)記錄剪切面的破壞情況、破壞方式、擦痕的分布、方向及長度。應(yīng)描述巖體、混凝土內(nèi)局部被剪斷的部位和大小、剪切面上碎屑物質(zhì)的性質(zhì)和分布。對結(jié)構(gòu)面中的充填物，應(yīng)詳細(xì)記述其組成成分、性質(zhì)、厚度等。測定剪切面的起伏差，繪制沿剪切方向斷面高度的變化曲線。繪制剪切面素描圖并作剪切面等高線圖。計(jì)算法向和剪切應(yīng)

12、力 繪制試驗(yàn)曲線 （1）根據(jù)同一組直剪試驗(yàn)結(jié)果，繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與剪切位移或法向位移的關(guān)系曲線。 （2）根據(jù)上述曲線確定各階段特征點(diǎn)：如線性比例極限、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度或剪切過程中垂直和側(cè)向位移定出的剪脹點(diǎn)和剪脹強(qiáng)度等。 （3）繪制法向應(yīng)力與比例強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的曲線，按庫侖表達(dá)式確定相應(yīng)的C、值。 9.5 資料整理與分析剪應(yīng)力-剪切位移曲線剪應(yīng)力與垂直壓應(yīng)力關(guān)系曲線混凝土與巖石膠結(jié)面試驗(yàn)結(jié)果巖石結(jié)構(gòu)面或軟弱巖石面試驗(yàn)結(jié)果 對軟弱結(jié)構(gòu)面試驗(yàn) 應(yīng)求出結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角與有效爬坡面（擴(kuò)張角）。剪切剛度系數(shù)的確定 需要時(shí)，按下式確定剪切剛度系數(shù)ks（KN/m3）：10.1 概

13、述 10 巖體原位應(yīng)力測試試驗(yàn)?zāi)康?巖體應(yīng)力現(xiàn)場測量的目的是了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工程的受力狀態(tài)以及為巖體加固支護(hù)提供依據(jù)。 巖體應(yīng)力測量還是預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆的有力工具。 巖體應(yīng)力測量可以分為巖體初始應(yīng)力測量和地下工程應(yīng)力分布測量，前者是為了測定巖體初始地應(yīng)力場，后者則是為了測定巖體開挖后引起的應(yīng)力重分布狀況。 按測試的不同部位，分為表面法和孔內(nèi)法。 按測試的物理量，分為直接測量法和間接測量法兩大類。 按測試用的元件，分為機(jī)械式、電阻式和電感式三種。 按測試時(shí)巖體中應(yīng)力的改變狀態(tài)，分為應(yīng)力解除法和應(yīng)力恢復(fù)法。 按測試手段的不同，將在實(shí)際測量中使用過的測量方法

14、分為構(gòu)造法、變形法、電磁法、地震法和放射性法5大類。 按測試原理的不同，分為應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法共8類。 試驗(yàn)分類 直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力的量，如補(bǔ)償應(yīng)力、恢復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力，并由這些應(yīng)力量和原巖應(yīng)力的相互關(guān)系，通過計(jì)算獲得原巖應(yīng)力值。扁千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法均屬直接測量法。其中，水壓致裂法目前應(yīng)用最為廣泛，聲發(fā)射法次之。 間接測量法不是直接測量巖體的應(yīng)力量，而是借助傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應(yīng)變，巖體的密度、滲透性、吸水

15、性、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式計(jì)算巖體中的應(yīng)力值。 根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）的有關(guān)規(guī)定，應(yīng)力解除法中的孔壁應(yīng)變法、孔徑變形法和孔底應(yīng)變法是巖體原位應(yīng)力測試的推薦方法，這幾種方法都適用于無水、完整或較完整巖體的應(yīng)力量測。 本章主要介紹孔壁應(yīng)變法。 10.2 試驗(yàn)原理 孔壁應(yīng)變法、孔徑變形法和孔底應(yīng)變法屬于應(yīng)力解除法，它的基本原理是：假定巖體為均質(zhì)的、連續(xù)的、各向同性的彈性介質(zhì)，利用試驗(yàn)方法求得其彈性模量和泊松比。當(dāng)需要測定巖體中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為地將該點(diǎn)的巖體單元與其基巖分離，此時(shí)巖體單元上所受的應(yīng)力將被解

16、除，同時(shí)該單元體的幾何尺寸將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器（測試元件）測得這種彈性恢復(fù)的數(shù)值，最后根據(jù)彈性理論公式計(jì)算出該點(diǎn)的原始應(yīng)力狀態(tài)。 應(yīng)力解除法示意圖 10.3 試驗(yàn)設(shè)備 測量儀表和安裝設(shè)備：電阻應(yīng)變儀（附預(yù)調(diào)平衡箱），安裝桿及安裝器，孔壁孔端清洗器及烘干器，水平及垂直定向裝置，圍巖率定器，穩(wěn)壓電源設(shè)備。 鉆孔設(shè)備：坑道鉆機(jī)及配套的巖心管、鉆桿等器材，與應(yīng)變計(jì)型號配套的金剛石鉆頭、合金鉆頭、擴(kuò)孔器、孔底磨平鉆頭和錐形鉆頭等。 應(yīng)變計(jì)方 法儀 器鉆孔孔壁應(yīng)變測試法孔壁應(yīng)變計(jì)（鉆孔三叉應(yīng)變計(jì)、空心包體式三向應(yīng)變計(jì)）孔徑變形法孔徑變形計(jì)（壓磁應(yīng)力計(jì)、孔徑變形計(jì)）孔底應(yīng)變法孔底應(yīng)變計(jì) 三叉式應(yīng)變

17、計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 1-導(dǎo)向塊；2-橡皮叉；3-16芯插頭與插座；4-金屬殼；5-橡皮塞；6-電纜；7-楔頭；8-補(bǔ)償 鉆孔三叉應(yīng)變計(jì)因直接在孔壁上貼應(yīng)變片，要求孔壁干燥，故適用于地下水位以上完整、較完整細(xì)粒結(jié)構(gòu)的巖體，孔深不宜超過20m。為排除孔內(nèi)積水，鉆孔宜向上傾斜35。 空心包體式三向應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖1-安裝桿；2-定向器導(dǎo)線；3-定向器；4-讀數(shù)電纜；5-定向銷；6-密封圈；7-環(huán)氧樹脂筒；8-空腔；9-固定銷；10-應(yīng)變計(jì)與孔壁之間的孔隙；11-栓塞；12-巖石鉆孔；13-出膠小孔；14-接頭；15-導(dǎo)向頭；16-應(yīng)變叢10.4 試驗(yàn)過程 1試驗(yàn)孔鉆進(jìn) 先用大孔徑合金鉆頭開孔。鉆至預(yù)定深度

18、，取出巖芯，仔細(xì)觀察節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，進(jìn)行地質(zhì)描述。鉆孔一般上傾25，以便排水排渣。 2孔底磨平 檢查孔底有無殘留巖芯，如有且長度在10 cm以上，應(yīng)設(shè)法取出。用針狀合金平鉆頭，對孔底進(jìn)行粗磨。用金剛石或砂輪磨平鉆頭，對孔底再進(jìn)行細(xì)磨。隨后用錐形鉆頭打喇叭口。 3中心測孔鉆進(jìn) 測孔用小孔徑鉆頭鉆進(jìn)。要求測孔與解除孔（大孔）同心，同心度宜小于2mm，深度50cm左右。用卡簧或管卡扭斷巖心，取出后進(jìn)行地質(zhì)描述。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)均勻施力，全孔要求一個(gè)鉆頭連續(xù)鉆進(jìn)至終孔。如孔壁達(dá)不到要求，須采用金剛石擴(kuò)孔器擴(kuò)孔。當(dāng)巖芯破碎時(shí)，應(yīng)重復(fù)操作，直至找到完整巖芯。 4清洗測孔 先用清水沖洗測孔孔壁和大孔孔底巖面，隨

19、后用高壓風(fēng)吹干（或用電阻絲式烘烤器烘干，注意溫度不宜太高）。用紗布包扎脫脂棉，纏繞在安裝桿上，浸以丙酮，往返擦洗，直到脫脂棉上看不出有污垢物為止。 5測試元件安裝及讀數(shù) 1）安裝應(yīng)變計(jì)。安裝前須做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，并檢查應(yīng)變計(jì)是否合格。 2）初始讀數(shù) 向鉆孔內(nèi)沖水，每隔10 min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)差不超過5，即認(rèn)為穩(wěn)定。并將此讀數(shù)作為初始值。 3)鉆孔解除及應(yīng)變測量 用大孔徑鉆頭進(jìn)行解除時(shí)，開鉆后使鉆頭離開孔底1-2cm，使鉆機(jī)低速緩慢推進(jìn)；然后再換高速檔，以免鉆頭受損，也利于保持巖芯的完整性。 在解除過程中，按預(yù)定的分級深度（每級深度宜為2cm）停鉆讀數(shù)，每級連續(xù)讀數(shù)兩次。如發(fā)現(xiàn)兩次讀數(shù)有突變現(xiàn)象，可加測讀數(shù)一次。 套鉆解除深度應(yīng)超過孔底應(yīng)力集中影響區(qū)。解除深度達(dá)到35cm后，一般讀數(shù)趨于穩(wěn)定，此后連續(xù)兩級讀數(shù)不超過5時(shí)，可認(rèn)為已達(dá)到解除深度的要求。但最小解除深度不得小于38cm，最大解除深度達(dá)45cm即可。 隨后繼續(xù)往解除孔沖水。最后一級每隔510min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)不超過5，可認(rèn)為穩(wěn)定，不再解除，測試結(jié)束。 最后退出鉆具，提取巖芯，檢查巖芯節(jié)理、裂隙發(fā)育情