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岩石直剪强度试验 主讲付小敏 成都理工大学 环境与土木工程学院 一、基本原理一、基本原理 二、仪器设备二、仪器设备 三、操作步骤三、操作步骤 四、成果整理四、成果整理 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 提提纲纲 岩石抵抗剪切破坏的最大岩石抵抗剪切破坏的最大 能力称为能力称为抗剪强度抗剪强度。。 测定岩石抗剪强度。测定岩石抗剪强度。 对对五个以上五个以上的试件，施加不同的试件，施加不同 的法向荷载的法向荷载, ,用用平推法平推法施加水施加水 平剪切力，直至试件被剪坏，平剪切力，直至试件被剪坏， 计算抗剪强度，根据莫尔理论，计算抗剪强度，根据莫尔理论， 求得抗剪强度参数求得抗剪强度参数 内摩擦角内摩擦角 （（φφ）和内聚力（）和内聚力（C C）） 。。 一、基本原理一、基本原理 一、基本原理一、基本原理 σσ ττ 相同含水状态的相同含水状态的5 5个试件个试件施加不同的施加不同的σσ 对应不同的对应不同的抗剪强度抗剪强度。。 一、基本原理一、基本原理 岩石的抗剪强度通常有三种岩石的抗剪强度通常有三种 1 1、抗剪断强度、抗剪断强度 岩石在法向载荷作用下，受剪岩石在法向载荷作用下，受剪 力方向的载荷而产生断裂时的极力方向的载荷而产生断裂时的极 限应力限应力，根据莫尔理论，求得抗根据莫尔理论，求得抗 剪强度参数剪强度参数 内摩擦角（内摩擦角（φφ）和内）和内 聚力（聚力（C C）） 。。 σ τ 一、基本原理一、基本原理 岩石的抗剪强度通常有三种岩石的抗剪强度通常有三种 2 2、抗切强度、抗切强度 将岩石试件在法向荷载等于将岩石试件在法向荷载等于 零的情况下加水平荷载产生水平零的情况下加水平荷载产生水平 方向的断裂试验。由于法向荷载方向的断裂试验。由于法向荷载 为零，内摩擦系数不起作用，抗为零，内摩擦系数不起作用，抗 剪强度只取决于内聚力。这种试剪强度只取决于内聚力。这种试 验一般只校核抗剪断试验所求得验一般只校核抗剪断试验所求得 的的内聚力内聚力C C值值（即抗切强度（即抗切强度）。 τ 一、基本原理一、基本原理 岩石的抗剪强度通常有三种岩石的抗剪强度通常有三种 3 3、抗剪强度、抗剪强度 将岩石试件密合置于另一试将岩石试件密合置于另一试 件之上，在法向荷载作用下，加件之上，在法向荷载作用下，加 水平荷载产生水平位移，其间没水平荷载产生水平位移，其间没 有内聚力，剪应力只取决于试件有内聚力，剪应力只取决于试件 间摩擦力，此试验以求岩石的间摩擦力，此试验以求岩石的摩摩 擦系数擦系数（即抗剪强度）（即抗剪强度） τ σ 携带式岩石力学多功能试验仪携带式岩石力学多功能试验仪 二、仪器设备二、仪器设备二、仪器设备二、仪器设备二、仪器设备二、仪器设备 主要技术指标主要技术指标 外形尺寸高外形尺寸高6363㎝，长㎝，长 7070㎝，宽㎝，宽3838㎝；重量包㎝；重量包 括各种配件约括各种配件约300300KgKg；； 垂直油缸垂直油缸 最大出力最大出力500500KNKN，， 水平油缸水平油缸 最大出力最大出力300300KNKN，， 压力表分别适于硬岩、压力表分别适于硬岩、 软岩的大、小两个量程压软岩的大、小两个量程压 力表，小量程压力表配置力表，小量程压力表配置 有控制开关。有控制开关。 二、仪器设备二、仪器设备 用于现场（无需交流电）用于现场（无需交流电） 进行以下八项试验项目进行以下八项试验项目 ⑴、岩石变形试验；⑴、岩石变形试验； ⑵、岩石抗压强度试验；⑵、岩石抗压强度试验； ⑶、岩石抗拉强度试验；⑶、岩石抗拉强度试验； 试件试件 轴向荷载千斤顶轴向荷载千斤顶 二、仪器设备二、仪器设备 ⑷．岩石点荷载强度试验。⑷．岩石点荷载强度试验。 岩石点荷载仪试验岩石点荷载仪试验 锥头与底锥头与底 座座 二、仪器设备二、仪器设备 ⑸、⑸、完整岩石直剪试验（可完整岩石直剪试验（可 作六种规格试件，适于国内钻作六种规格试件，适于国内钻 机的中～小不同直径岩芯和机的中～小不同直径岩芯和 5 5cmcm5cm5cm直方柱体）；直方柱体）； 岩石（规则形状体）抗剪强度试验示意图岩石（规则形状体）抗剪强度试验示意图 二、仪器设备二、仪器设备 ⑹．岩石结构面与软岩直剪试验⑹．岩石结构面与软岩直剪试验 （适于不易加工成型的不规则样）（适于不易加工成型的不规则样）；； 制样模具制样模具 制好的试件制好的试件 破坏后试件破坏后试件 二、仪器设备二、仪器设备 ⑺⑺. . 碎石土天碎石土天 然或饱和状态直然或饱和状态直 剪试验。剪试验。 （角砾级砾石的（角砾级砾石的 砂质碎石土）。砂质碎石土）。 测定最大粒径为测定最大粒径为 2525mmmm的碎石土剪的碎石土剪 切强度指标。切强度指标。 二、仪器设备二、仪器设备 ⑻⑻. . 土的直剪试验（直接测试钻孔取芯土的抗剪指标）；土的直剪试验（直接测试钻孔取芯土的抗剪指标）； 制样（直径90mm、高 30mm） 土土 样样 剪剪 切切 后后 二、仪器设备二、仪器设备 ⑻⑻. . 土的直剪试验（直接测试钻孔取芯土的抗剪指标）；土的直剪试验（直接测试钻孔取芯土的抗剪指标）； 携带式岩多功能试验系统携带式岩多功能试验系统 土土 样样 剪剪 切切 后后 切石机、磨石机；切石机、磨石机；磨石机 切石机 二、仪器设备二、仪器设备 测定测定 岩石岩石 软弱软弱 结构结构 面面 混凝土与岩石混凝土与岩石 胶接面胶接面 岩岩 石石 三、操作步骤三、操作步骤 三、操作步骤三、操作步骤 1 1、试件制备、试件制备 1）岩石 （1）试件可用岩芯或岩块加工制成。试件在采取、运输和制备 过程中，应避免产生裂缝。 岩芯岩块 （2）试件尺寸 试件的直径或边长不得 小于5cm，试件高度与直径和边长相等。 （3）试件含水状态 根据需要，试件可采用天然含水状态或饱和状态。 （4）试件数量 国标每组试样不得少于5个， 三、操作步骤三、操作步骤 2）混凝土与岩石接触面 岩 石 混凝土 三、操作步骤三、操作步骤 （1）混凝土与岩石接触面应位于试件中部，起伏差为边 长的1％～2％。混凝土骨料的最大粒径不得大于边长的 1/6。 （2）试件尺寸要求 混凝土与岩石接触面试件为方块体，其边长不宜小于 15cm。 （3）根据需要，试件可采用天然含水状态和饱水状态； （4）每组试件不少于5个。 三、操作步骤三、操作步骤 3）岩体结构面 软弱结构面 破 坏 后 试 件 三、操作步骤三、操作步骤 破坏了岩体的完整性， 是岩体中强度薄弱部位， 结构面的抗剪强度很低。 受结构面的连续性、 起伏度、粗糙度、张开闭 合的状态、充填胶结情况 以及充填物的物质组成。 三、操作步骤三、操作步骤 4）破碎岩体及软弱岩体 三、操作步骤三、操作步骤 破碎岩体 紫坪铺水电站溢 洪道边坡的煤层 现 场 取 样 指脱离天然岩体的岩块，是特定地 质条件下形成的矿物集合体。 三、操作步骤三、操作步骤 岩石岩石 是地质体的一部分，它位于一 定的地质环境之中，是在各种宏 观地质界面（断层、节理、破碎 带、接触带、片理等）分割下形 成的有一定结构的地质体。 岩体岩体 （1）浇铸标准试件，岩石结构面应位于试件 中部。 （2）试件尺寸要求 试件的直径或边长不得小于5cm，试件 高度与直径和边长相等。 （3）根据需要，试件可采用天然含水状态和 饱水状态； （4）每组试件不少于5个。 三、操作步骤三、操作步骤 三、操作步骤三、操作步骤 1.不规则形状体试样（箭头标示剪切方向） 2.剪切开缝条（1cm） 3.制样盒内壁板4.拟剪切面（高出样盒边框面0.5cm） 5.制样盒边框面6.混凝土 制样模具 模具内侧上油 三、操作步骤三、操作步骤 浇铸方法浇铸方法 水泥、砂浆 三、操作步骤三、操作步骤 量测水泥、 砂浆的厚度 水泥、砂浆加筋 铁丝 三、操作步骤三、操作步骤 安放试件 加水泥、砂浆 三、操作步骤三、操作步骤 安放垫板安装上盒 三、操作步骤三、操作步骤 装水泥、 砂浆 成型 三、操作步骤三、操作步骤 脱模 三、操作步骤三、操作步骤 成型试件 三、操作步骤三、操作步骤 2 2、试件描述、试件描述 1）岩石名称、颜色、矿物成分、结构、风化程度， 胶结物性质等。 2）层理、节理裂隙的发育程度及其与剪切方向的 关系。 3）结构面的充填物性质、充填厚度以及试件在采 取和制备过程中受扰动的情况。 4）混凝土与岩石接触面的试件，应测定岩石表面 的起伏差，并绘制其沿剪切方向的高度变化曲线。混 凝土的配合比，胶结质量等。 三、操作步骤三、操作步骤 3 3、、试验方法试验方法 1）根据试件尺寸， 选择相应尺寸的剪切环， 并放入剪切盒中 50mm50mm50mm， 1、、 剪剪 切切 环环 三、操作步骤三、操作步骤 2）将相应尺 寸的刚性垫块放入 剪切环中； 3）再将试件放 在垫块上。 50mm50mm50m m， 3、试件、试件 2、、 垫垫 块块 三、操作步骤三、操作步骤 4）通过调整 试件下面的刚性垫 块的高度，使试件 中心刚好在剪切缝 位置，安放上剪切 盒。 试件试件 上剪切盒 三、操作步骤三、操作步骤 5）依次在试件 上面放置传力铁块 和刚性垫片。 传力铁块 刚性垫片 三、操作步骤三、操作步骤 6）在刚性垫块上 放置滚珠轴承。 滚珠轴承 三、操作步骤三、操作步骤 7）将剪切盒推至法 向千斤顶下，使千斤顶 中心与滚珠轴承中心对 齐. 把手把手 中心 三、操作步骤三、操作步骤 8）将法向油缸的 油泵换向把推向加载 端，摇动油泵手柄， 使法向油缸活塞徐徐 下降，接触试件,测定 法向油缸压力表初值 Iσ0（MPa），并施加 预定法向应力Iσ。 法向油泵换向把法向油泵换向把 三、操作步骤三、操作步骤 9）安装磁性表座与剪切 位移百分表。 磁性表座磁性表座 百分表百分表 三、操作步骤三、操作步骤 10）将剪切油缸 的油泵换向把推向加 载端，摇动油泵手柄， 使剪切油缸的活塞缓 缓伸出，接触上剪切 盒推板,测定剪切油 缸压力表初值 Iτ0（MPa）。 油泵手柄油泵手柄 换向把换向把 油缸活塞油缸活塞 三、操作步骤三、操作步骤 11）试验采用快剪法。 法向荷载（即Iσ）保持不 变，分级施加剪切荷载 （每级施加0.2MPa），并 记录每级荷载下的剪切位 移，直至试件破坏，记录 破坏时的剪切压力表最大 值Iτ （MPa）。 水水 平平 位位 移移 表表 水平油压表水平油压表 三、操作步骤三、操作步骤 12）先卸剪切 荷载，再卸法向荷 载，取出剪断的试 件进行破坏形态描 述。 油油 泵泵 手手 柄柄 换向把换向把 三、操作步骤三、操作步骤 四、成果整理四、成果整理 Iσ σMPa 读数读数 Iσ σMPa 实际实际 σσ MPa Iτ τMPa 读数读数 Iτ τMPa 实际实际 H mm Lτ τ mm ττ MPa 0.40.3 1.5450.20 11.7800.00 0.30.1 12.280.50.32 0.40.2 12.530.750.65 0.50.3 12.750.970.97 0.60.4 12.951.171.30 0.70.5 13.211.431.62 0.80.6 13.351.571.94 0.90.7 13.441.662.27 10.8 13.832.052.59 0.750.55 14.262.481.78 0.70.5 14.692.911.62 0.680.48 15.153.371.55 0.680.4815.63.821.55 0.40.3 1.5450.20 11.7800.00 0.30.1 12.280.50.32 0.40.2 12.530.750.65 0.50.3 12.750.970.97 0.60.4 12.951.171.30 0.70.5 13.211.431.62 0.80.6 13.351.571.94 0.90.7 13.441.662.27 10.8 13.832.052.59 0.750.55 14.262.481.78 0.70.5 14.692.911.62 0.680.48 15.153.371.55 0.680.4815.63.821.55 岩石直剪强度试验记录表岩石直剪强度试验记录表 j S GS υσσ σ I-I 0 1 1、计算法向应力、计算法向应力 式中式中σ σ 法向应力（法向应力（MPaMPa）；）； I Iσ σ 法向油缸压力表预定值（法向油缸压力表预定值（MPaMPa）；）； I Iσ0 σ0 法向油缸压力表初值（法向油缸压力表初值（MPaMPa）；）； S Sv v 法向油缸活塞面积（法向油缸活塞面积（m m2 2））122.72cm122.72cm2 2 。。 G G 传压铁块、滚珠轴承的总重（传压铁块、滚珠轴承的总重（MNMN））10kg10kg；； S Sj j 剪切面面积（剪切面面积（m m2 2）。）。 （（1 1）） 四、成果整理四、成果整理 j h S SII− 0ττ τ 2 2、计算剪应力、计算剪应力 式中式中ττ剪应力（剪应力（MPaMPa）；）； I Iτ τ剪切荷载压力表最大值（剪切荷载压力表最大值（MPaMPa）；）； I Iτ τ 0 0剪切荷载压力表初值（剪切荷载压力表初值（MPaMPa）；）； S Sh h 剪切油缸活塞面积（剪切油缸活塞面积（m m2 2））95.0cm95.0cm2 2 ；； S Sj j剪切面面积（剪切面面积（m m2 2）。）。 （（2 2）） 四、成果整理四、成果整理 3 3、绘制剪应力与剪切位移关系曲线、绘制剪应力与剪切位移关系曲线 以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力ττ 与剪切位移的关系曲线，确定峰值、屈服及残余抗剪强度。与剪切位移的关系曲线，确定峰值、屈服及残余抗剪强度。 四、成果整理四、成果整理 4 4、计算抗剪强度参数、计算抗剪强度参数C C、、φφ值值 以峰值、屈服及残余抗剪强度为纵座标，法向应力（以峰值、屈服及残余抗剪强度为纵座标，法向应力（σσ ）为横座标，绘制各抗剪强度与法向应力）为横座标，绘制各抗剪强度与法向应力σσ的关系曲线；用的关系曲线；用 最小二乘法计算相应的最小二乘法计算相应的φφ和和C C。。 四、成果整理四、成果整理 最小二乘法最小二乘法 0 X Y 102030405060 10 20 30 40 50 111 22 11 2 1111 22 11 NNN iiii NN ii NNNN iiiii NN ii NX YXY tg NXX XYXX Y C NXX φ − − − − ∑∑∑ ∑∑ ∑∑∑∑ ∑∑ Yτp；Xσ 四、成果整理四、成果整理 斜坡岩体稳定性计算斜坡岩体稳定性计算 L L B B H H C C A A h h αα 滑动体为滑动体为ABC,ABC,质量为质量为G G 垂直分量垂直分量GcosαGcosα 平行分量平行分量GsinαGsinα 四、成果整理四、成果整理 G G 阻止滑动体向下滑动的抗滑力为阻止滑动体向下滑动的抗滑力为 cosGtgc lαφ 下滑力下滑力sinGα 斜坡岩体的稳定性系数为斜坡岩体的稳定性系数为 cos 1 sin Gtgc l K G αφ α ≥ 四、成果整理四、成果整理 1 1、剪切方向的确定、剪切方向的确定 试样受剪切方向应试样受剪切方向应 与工程岩体受力方向一与工程岩体受力方向一 致。在现场取样时，一致。在现场取样时，一 定要标注每个取样点的定要标注每个取样点的 工程位置，根据岩体的工程位置，根据岩体的 受力方向确定每组试件受力方向确定每组试件 的剪切方向。的剪切方向。 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 实线实线主应力及迹线主应力及迹线 虚线虚线最大剪应力迹线最大剪应力迹线 1 1、剪切方向的确定、剪切方向的确定 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 基基 脚脚 岩岩 体体 的的 破破 坏坏 模模 式式 1 1、剪切方向的确定、剪切方向的确定 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 张开竖节理的风化沉积岩的冲切破坏张开竖节理的风化沉积岩的冲切破坏 P荷载；F断裂位移岩块 闭合竖节理的风化沉积岩的剪切破坏闭合竖节理的风化沉积岩的剪切破坏 P荷载；F剪切面 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 闭追踪两组节理相交的滑面闭追踪两组节理相交的滑面 P荷载；J节理；S剪切面 1 1、剪切方向的确定、剪切方向的确定 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 2 2、法向载荷施加要求、法向载荷施加要求 1法向载荷最大值为工程压力的1.2倍。对于结构面中含有 软弱充填物的试样，最大法向载荷以不挤出充填物为限； 2法向载荷按等差级数分级，分级数不少于5级，分别施加 给每个试件。 3对于不需要固结的试样，法向载荷可以一次施加完毕， 立即测读法向位移，5min后再测读一次，即可以施加剪切载荷 ； 4对于需要固结的试样，在法向载荷施加完毕后的第一个 小时内，每15min读数一次法向位移，然后每半小时读数一次。 当每小时法向位移不超过0.05mm时，可以施加剪切载荷； 3 3、、 剪切载荷施加要求剪切载荷施加要求 1按预估最大剪切载荷分10～12级。每级载荷的大小， 软岩可按法向应力的5～10计算，软弱结构面可按法向应 力的2～5计算。每级载荷施加后，立即测读剪切位移和法 向位移，5min后再测读一次，即可以施加下一级剪切载荷， 当位移明显增大时，可以适当减小级差。峰值前施加的剪 切载荷不应少于l0级。 2剪切破坏后，分别将剪切载荷和法向载荷退至零。 若需要可进行摩擦试验。将发生错动的试件复位后，调整 测表，进行同一法向载荷下的摩擦试验即抗剪试验。 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 4 4、剪切破坏标准、剪切破坏标准 1、剪切载荷加不上或无法稳定； 2、剪切位移明显变大，在剪应力与剪切位移关系曲 线上出现明显突变段； 3、剪切位移增大，在剪应力与剪切位移曲线上未出 现明显突变段，但总剪切位移已达到试件边长的10。 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 5 5、确定有效剪切面积、确定有效剪切面积 当剪切位移量不大时，有效 剪切面积可直接采用试件剪切面 积。当剪断后位移量不大时，应 采用剪断时试件上下相互重叠的 面积作为有效剪切面积。可用一 张透明纸复于剪切面上，用笔勾 画出剪切面周边的轮廓线，用求 积仪或复制到CAD系统计算有效剪 切面积。 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 6 6、破坏后的试件描述、破坏后的试件描述 1有效剪切面积； 2剪切面破坏情况、擦痕分布、方向和长度； 3剪切面起伏差及沿剪切方向变化曲线； 4当结构面内有充填物时，应描述剪切面的准确位 置、充填物的组成成分、性质、厚度和含水状态。根据 需要可以取代表性样品作矿物鉴定。 。 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题 7 7、、 饱和试件饱和试件 对于完整岩石、混凝土与岩 石接触面试件的饱和方法同“岩 石单轴压缩变形试验”。对于不 规则岩石及结构面试件的饱和则 需用小螺丝刀将浇铸好试件的拟 剪面上的油漆刮去，将试件浸入 水池中自然饱和，或放入真空饱 和箱进行强制饱和。 五、试验中应注意的几个问题五、试验中应注意的几个问题