室内岩石试验（直剪）

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、基本原理二、仪器设备三、操作步骤四、成果整理五、试验中应注意的几个问题提纲岩石抵抗剪切破坏的最大能力称为抗剪强度。——测定岩石抗剪强度。对五个以上的试件，施加不同的法向荷载,用平推法施加水平剪切力，直至试件被剪坏，计算抗剪强度，根据莫尔理论，求得抗剪强度参数:内摩擦角（φ）和内聚力（C）。一、基本原理一、基本原理στ相同含水状态的5个试件——施加不同的σ——对应不同的抗剪强度。一、基本原理岩石的抗剪强度通常有三种：1、抗剪断强度——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限应力根据莫尔理论，求得抗剪强度参数:内摩擦角（φ）和内聚力（C）。一、基本原理岩石的抗剪强度通常有三种：2、抗切强度——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的内聚力C值（即抗切强度一、基本原理岩石的抗剪强度通常有三种：3、抗剪强度——将岩石试件密合置于另一试件之上，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，此试验以求岩石的摩擦系数（即抗剪强度）——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637038300Kg500KN300KN二、仪器设备试件轴向荷载千斤顶二、仪器设备⑷．岩石点荷载强度试验。岩石点荷载仪试验锥头与底座二、仪器设备⑸、5cm×5cm二、仪器设备；制样模具制好的试件破坏后试件二、仪器设备.25mm二、仪器设备.90mm30mm土样剪切后二、仪器设备.携带式岩多功能试验系统土样剪切后——切石机、磨石机；二、仪器设备三、操作步骤三、操作步骤1、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。（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2）混凝土与岩石接触面岩石混凝土三、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3）岩体结构面软弱结构面破坏后试件三、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4）破碎岩体及软弱岩体三、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（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1.2.1cm3.4.0.5cm5.6.制样模具模具内侧上油三、操作步骤——浇铸方法水泥、砂浆三、操作步骤量测水泥、砂浆的厚度水泥、砂浆加筋铁丝三、操作步骤安放试件加水泥、砂浆三、操作步骤安放垫板安装上盒三、操作步骤装水泥、砂浆成型三、操作步骤脱模三、操作步骤成型试件三、操作步骤2、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3、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(50mm×50mm×50mm)，1三、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。(50mm×50mm×50mm)，32三、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。三、操作步骤5）依次在试件上面放置传力铁块和刚性垫片。三、操作步骤6）在刚性垫块上放置滚珠轴承。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.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。三、操作步骤9）安装磁性表座与剪切位移百分表。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）。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）。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。三、操作步骤四、成果整理I(MPa)I(MPa)(MPa)I(MPa)I(MPa)H(mm)L(mm)(MPa)0.40.31.5450.2011.7800.000.30.112.280.50.320.40.212.530.750.650.50.312.750.970.970.60.412.951.171.300.70.513.211.431.620.80.613.351.571.940.90.713.441.662.2710.813.832.052.590.750.5514.262.481.780.70.514.692.911.620.680.4815.153.371.550.680.4815.63.821.55岩石直剪强度试验记录表jSGS+×=υσσσ)I-(I01、计算法向应力：式中：σ——法向应力（MPa）；Iσ——法向油缸压力表预定值（MPa）；Iσ0——法向油缸压力表初值（MPa）；Sv——法向油缸活塞面积（m2）(122.72cm2)。G——传压铁块、滚珠轴承的总重（MN）(10kg)；Sj——剪切面面积（m2）。（1）四、成果整理jhSSII×−=)(0τττ2、计算剪应力：式中：τ——剪应力（MPa）；Iτ——剪切荷载压力表最大值（MPa）；Iτ0——剪切荷载压力表初值（MPa）；Sh——剪切油缸活塞面积（m2）(95.0cm2)；Sj——剪切面面积（m2）。（2）四、成果整理3、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τ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4、计算抗剪强度参数C、φ值：以峰值、屈服及残余抗剪强度为纵座标，法向应力（σ）为横座标，绘制各抗剪强度与法向应力σ的关系曲线；用最小二乘法计算相应的φ和C。四、成果整理最小二乘法：0XY10203040506010203040501112211211112211()()NNNiiiiNNiiNNNNiiiiiNNiiNXYXYtgNXXXYXXYCNXXφ−=−−=−∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑Y——τp；X——σ：四、成果整理斜坡岩体稳定性计算：LBHCAhα滑动体为ABC,质量为：G垂直分量：Gcosα平行分量：Gsinα四、成果整理G阻止滑动体向下滑动的抗滑力为：cosGtgclαφ×+×下滑力：sinGα斜坡岩体的稳定性系数为：cos1sinGtgclKGαφα×+×=≥四、成果整理1、剪切方向的确定：试样受剪切方向应与工程岩体受力方向一致。在现场取样时，一定要标注每个取样点的工程位置，根据岩体的受力方向确定每组试件的剪切方向。五、试验中应注意的几个问题实线——主应力及迹线虚线——最大剪应力迹线1、剪切方向的确定：五、试验中应注意的几个问题基脚岩体的破坏模式1、剪切方向的确定：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P——荷载；F——剪切面五、试验中应注意的几个问题闭追踪两组节理相交的滑面P—荷载；J—节理；S—剪切面1、剪切方向的确定：五、试验中应注意的几个问题2、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、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4、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5、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6、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7、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