一種新型防沉降儀在直剪試驗中的應用

戴 準，時紅蓮，方 堃，魏世豪，武皇盛

(中國地質大學( 武漢) 工程學院，武漢 430074)

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一種新型防沉降儀在直剪試驗中的應用

戴 準，時紅蓮，方 堃，魏世豪，武皇盛

(中國地質大學( 武漢) 工程學院，武漢 430074)

結構面模型制作過程中，在模型內灌注一定量流動的水泥砂漿，再將結構面試樣直接放置在流動的水泥砂漿上，會引起試樣的不均勻沉降；然而結構面的直剪試驗中要求制作的結構面模型必須水平，否則在進行直剪試驗時，將直接導致結構面與儀器所加豎向力不能垂直，即法向應力與剪切應力不垂直，這將導致試驗結果與實際情況出現很大誤差甚至完全錯誤?；诖?，在巖體結構面的直剪試驗中，一種制作結構面模型的防沉降儀被提出，包括：外支架、活動長桿、夾持板、掛鉤、蝶形螺母等。在結構面模型的制作過程中，通過使用結構面模型的防沉降儀，將結構面試樣夾緊使其固定不動，避免了其發(fā)生不均勻沉降和沉降量過大的現象。

直剪試驗；防沉降儀；巖體結構面模型；不均勻沉降；穩(wěn)定性

1 研究背景

巖體總是由結構面縱橫切割而成，結構面的存在是造成巖體工程性質不連續(xù)、各相異性和不均一的根源。而結構面抗剪強度總是低于完整巖石的抗剪強度，因此巖體結構面對巖體的變形和破壞起著控制作用。所以巖體結構面的穩(wěn)定性一直是巖土工程中一項重要的研究內容，穩(wěn)定性的確定往往需要通過試驗得到結構面的抗剪強度指標[1-2]。

目前，巖體穩(wěn)定性研究或是實際巖體工程中獲取結構面抗剪強度參數的方法主要有室內中型直剪試驗法、原位大型直剪試驗法、工程地質類比法即專家經驗法、理論抗剪強度計算公式法、位移反分析法等[3-4]。

上述5種方法各有利弊。室內中型直剪試驗的設備相對簡單，操作方便， 但其試樣的代表性、原狀性、試驗方法的合理性及有關數理統計方法等都直接影響其試驗結果；原位試驗設備復雜、成本昂貴、耗時費力，但保證了試樣的原狀性，同時剪切斷面較室內試驗大，得出的試驗結果相對可靠；工程地質類比法即專家經驗法雖可靠性較差，但該方法簡單，操作方便，目前在工程界仍較受歡迎；理論抗剪強度計算公式法包括Patton的剪脹公式及雙直線剪切公式，Jaeger 負指數剪切強度公式、Barton 公式以及Ladanyi 和Archambault剪切公式，這些公式雖然理論上很清楚，但參數取值隨意性大，且需要用直剪試驗確定摩擦角，比較復雜；位移反分析法是在已有位移觀測資料的基礎上，通過求解逆方程得到巖體參數，假設巖體為均值各向同性，不符合實際。

2 防沉降儀的技術背景

結構面的直剪試驗常常被用來確定其抗剪強度指標。不準確的抗剪強度指標將直接導致工程應用時造成較大偏差[5]，甚至得到與實際情況完全相反的結果。在使用XJ-1型攜帶式剪切儀進行傳統的直剪試驗中，要先制作結構面模型[6]，在制作過程中存在較多不足，影響較大的一點為:澆注時，在半個樣模內加適量的水泥砂漿，將結構面試樣放入模樣中心處，使巖體上部受剪切面相對模邊框高出4～5 mm；隨后再添加適量的水泥砂漿填滿振勻。但是在隨后水泥砂漿凝結的初期，由于水泥砂漿的流動性以及結構面試樣自身的重力作用，結構面調整水平可能會發(fā)生不均勻沉降及沉降量過大的情況。

由于巖體結構面發(fā)生不均勻沉降及沉降量過大，在直剪試驗過程中會出現一系列影響試驗準確性的情況。不均勻沉降會使在直剪試驗中，由于法向應力作用在不均勻的結構面，巖石結構面受到的法向應力小于試驗要求的法向應力[7]。當巖體結構面沉降量過大時，會使剪切直接失敗，達不到直剪試驗要求。

因此，為了避免上述所出現的情況，就必須要消除結構面發(fā)生不均勻沉降及沉降量過大，這樣才使試驗的準確性和可靠性得到保證。本文所提出的防沉降儀可通過固定結構面試樣，避免不均勻沉降及沉降量過大的現象。

3 防沉降儀簡介

本文提供了一種固定結構面試樣的防沉降儀，用于解決結構面試樣制作時存在不均勻沉降及沉降量過大的問題；該防沉降儀不僅結構簡單、操作方便，而且拆卸容易、價格低廉、使用效果好。

3.1 技術方案

直剪試驗中結構面試樣的防沉降儀包括以下幾個部分：外支架2個、活動長桿1根、內夾持板2塊、蝶形螺母14個、掛鉤3個、內固定桿1根、內活動桿2根，見圖1。外支架中間設有豎直滑槽，豎直滑槽的兩側均設有刻度；活動長桿的兩端放置于2個外支架的滑槽內，并通過蝶形螺母固定，活動長桿可以在外支架的滑槽內上下移動；掛鉤的一端與活動長桿連接，其連接處通過焊接固定；掛鉤的另一端連接內固定桿；2塊內夾持板通過蝶形螺母固定在內固定桿上，并通過內固定桿連接起來；每一塊內夾持板上均設有2個對稱的豎直滑槽；內夾持板上的滑槽之間穿有帶蝶形螺母的內活動桿，用于夾緊試樣。以上所述的外支架低端為臺形,夾持板可根據所要夾持試樣的大小，通過移動內活動桿和螺母來調節(jié)并固定，且夾持板內側為粗糙面，如圖2所示。以上所述的活動長桿中間段為矩形長條，兩端為帶有螺紋的圓柱狀。

圖1 防沉降儀的結構

圖2 夾持板的結構

圖3 內活動桿

Fig.3 Diagram of active rod

直剪試驗中結構面試樣的防沉降儀，外支架高為60 cm，下端為臺形，便于穩(wěn)定，中間為矩形滑槽，可供活動長桿在其中固定，滑槽寬2 cm；活動長桿中間段為矩形長條，橫截面尺寸為2 cm×2 cm，其焊有3個掛鉤，兩端為帶有螺紋的圓柱狀，如圖3所示；3個掛鉤下端與內固定桿焊接在一起，內固定桿兩端對稱地安裝在夾持板上，內固定桿橫截面為矩形，尺寸為1 cm×1 cm；夾持板尺寸為1 cm×20 cm×20 cm,夾持板可以在內固定桿上左右移動，夾持板上豎直長滑槽尺寸為15 cm×15 cm，彼此相距15 cm，夾持板夾持試樣一面為帶波紋槽的粗糙面，以便更好地固定試樣；長槽穿有帶螺紋的內活動桿，內活動桿長為20 cm，螺紋螺距為3 mm，內活動桿直徑為1 cm，夾持板內側布置有六角螺母，外側有蝶形螺母，用于夾緊夾持板，固定結構面試樣，同時通過調節(jié)外支架使整體保持水平。

考慮XJ-1型攜帶式剪切儀所搭配的制作模具的尺寸限制，要求結構面試樣的規(guī)格為長軸6～12 cm，高4～8 cm的近似方塊體；根據以上各部件的尺寸設計，該防沉降儀適合于平面尺寸范圍為4～12 cm的結構面試樣。

其技術效果是:將外支架放置在澆注模具兩邊，用帶蝶形螺母的內活動桿連接2塊活動夾持板，調整2塊夾持板，使其內側與結構面試樣貼緊，通過擰蝶形螺母來收縮兩夾持板，使結構面試樣夾緊固定好，并使整體水平，往模型內澆筑一定量的水泥砂漿，達到一定高度后，開始吊放結構面試樣，再移動活動長桿使結構面試樣的受剪面高出樣模邊框4～5 mm，并利用支架外側帶有的刻度微調活動長桿使之水平，繼而將活動長桿兩側螺母擰緊固定，然后注入水泥砂漿填滿搗實即可；在結構面模型制作時，通過使用結構面試樣的防沉降儀，將結構面夾緊使其固定不動，避免了其發(fā)生不均勻沉降和沉降量過大；待水泥砂漿凝固后(約24 h)即可將防沉降儀拆除，保證了結構面試樣在水泥砂漿中的均勻沉降及控制了結構面試樣的沉降量。

3.2 防沉降儀的優(yōu)點

(1) 之前的防沉降夾是使活動長桿內側的橡膠薄片與結構面試樣兩側面接觸好，貼緊后通過彈簧的收縮力將試樣夾緊，這種靠彈簧的收縮力是不能使固定效果達到最佳狀態(tài)。該防沉降儀的每一塊夾持板內側具有波形螺紋,增大了夾持板與結構面式樣的吻合性,較之前的防沉降夾擁有更好的固定試樣的作用。

(2) 該防沉降儀原理簡單易懂，活動長桿可以在外支架的滑槽內上下移動，內活動桿也可以在內夾持板上的滑槽之間上下移動，很大程度上擴大了可夾持結構面試樣的高度范圍。

(3) 該防沉降儀結構簡單、體積小、便于攜帶。通過14顆蝶形螺母的連接，這些簡單的構件便能組成該防沉降儀，使用完畢只需將蝶形螺母旋出即可，方便操作、易于拆卸，且這些構件對材料無特殊要求，價格低廉、使用效果好。

(4) 該防沉降儀能起到固定結構面試樣的作用，夾持板可根據所要夾持試樣的大小，通過移動內活動桿和螺母來調節(jié)，使其固定在某一高度，而不因水泥砂漿的流動性和試樣的自重作用發(fā)生不均勻沉降。

(5) 該防沉降儀通過夾持板內側的粗糙面和螺絲的作用，可很好地夾持結構面試樣而不致使其松動，從而保持結構面試樣水平。

3.3 防沉降儀的操作過程

在巖體結構面剪切強度試驗中，傳統的結構面試樣的制備過程如下：將采集的結構面試樣用繩索捆緊，放入形狀為倒三角的模具中，使結構面與模具的上邊緣平行且高出4～5 mm，然后倒入水泥或石膏，震實抹平。下模具中的水泥或石膏凝固后，翻轉倒三角形模具180°(連同結構面試樣一起)，以便澆注上模。兩模具的間隙8～10 mm，即注意不要把弱面澆注在水泥或石膏中。待水泥或石膏養(yǎng)護3～4周后，即可用來做試驗。

為了說明直剪試驗結構面試樣的防沉降儀的操作過程，本文以尺寸為10 cm×10 cm的結構面試樣的模型制作過程為例進行說明,并以圖4作為參照。

圖4 結構面試件制備

(1) 結構面試樣制備前防沉降儀準備。首先將結構面模具放在試驗臺上，把脫模劑均勻地涂抹在結構面模具前后側板內壁，再在內壁上鋪上一層硬紙，易于后面結構面試樣的脫模。然后在結構面模具中加入適量的水泥砂漿，以模型為中心將外支架放在其兩側位置，組裝好儀器。

(2) 用防沉降儀固定結構面試樣。此時將結構面試樣防沉降儀放在模型兩側，并把2個夾持板拉開，將結構面試樣放在中間，慢慢收縮夾持板，使夾持板內側與結構面試樣兩側面接觸好，貼緊后通過擰緊蝶形螺母與內側的六角螺母，將試樣夾緊并保持受剪面水平；通過下調外支架上的活動螺桿使試樣結構面試樣的受剪面高出樣模邊框4～5 mm時，再擰緊支架上的螺母固定活動螺桿，以阻止結構面發(fā)生不均勻沉降及沉降量過大。如果結構面試樣兩相對應的側面是平行的，則夾持板內側與結構面試樣兩個側面均達到整個側面相接觸，此時的固定效果最好。但如果結構面試樣兩相對應的側面是不平行的，則可以通過調節(jié)蝶形螺母促使式樣側面與夾持板內側盡量接觸，使受剪面水平，也能達到很好的固定效果，從而阻止結構面試樣的不均勻沉降。

(3) 結構面模型的凝固與制作模具的拆卸。待水泥砂漿凝固(約24 h)后，擰松蝶形螺母移開2個夾持板即可；再將制作好的模型從模具中取出，將模具上的水泥殘渣清理干凈。在制作另一半模型時同樣與上述步驟相同使用防沉降儀，只是夾持的不是結構面試樣而是內嵌有結構面試樣的半塊模型。在空模具前后側板內壁再次涂上一層脫模劑，并復上一張硬紙，再澆筑適量水泥砂漿，在模具邊框兩端各放一根開縫墊條，將已凝固的那一半模型倒轉，利用夾持板夾緊模型，再利用活動螺桿進行吊放，使試樣結構面試樣的受剪面高出樣模邊框4～ 5 mm時，再擰緊支架上的螺母固定活動螺桿。待24 h后，拆去防沉降儀及模具，取出試樣，結構面模型制作完成。

4 結 語

結構面的直剪試驗中要求制作的結構面模型必須水平，否則在進行直剪試驗時，將直接導致結構面與儀器所加豎向力不能垂直，導致法向應力與剪切方向是不垂直的，這將導致試驗結果與實際情況出現很大的誤差甚至是完全錯誤。在結構面模型的制作過程中，通過使用結構面模型的防沉降儀，將結構面試樣夾緊使其固定不動，避免了其發(fā)生不均勻沉降和沉降量過大的現象。同時，該防沉降儀原理簡單易懂、結構簡單、體積小、便于攜帶、方便操作、易于拆卸、價格低廉、使用效果好，較之前的防沉降夾擁有更好的固定試樣的作用。

[1] 鄒宗興，唐輝明，劉 曉． 制樣誤差對結構面直剪試驗結果影響定量研究[J]． 巖石力學與工程學報，2010，29(8): 1664-1669．

[2] 童志怡，陳從新，徐 ?。陴ぶΣ晾碚摰慕Y構面抗剪強度選取方法[J]．巖土工程學報，2008，30(9)：1367-1371.

[3] 向 波，周立榮，馬建林．基于巖體結構面分級的抗剪強度確定法[J]．巖石力學與工程學報，2008，27(2):3547-3552.

[4] 劉明維，傅 華，吳進良.巖體結構面抗剪強度參數確定方法的現狀及思考[J].重慶交通學院學報，2005，24(5):66-68.

[5] 顏育仁．巖體結構面抗剪強度經驗估算方法的工程應用研究[D]．杭州：浙江工業(yè)大學，2005.

[6] 徐 偉，吳建川，鄒宗興．一種消除直剪試驗制模時誤差角的調平夾尺[J].人民長江，2012,42(11):53-55.

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(編輯：劉運飛)

Instrument of Preventing Structural Surface Settlementin Direct Shear Test

DAI Zhun, SHI Hong-lian, FANG Kun, WEI Shi-hao, WU Huang-sheng

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

In the preparation of structural surface model, cement mortar is poured into the model, and then structural surface specimen is placed directly on the flowing cement mortar, resulting in uneven settlement of the specimen. However, the structural surface model must be horizontal in direct shear test; otherwise the structural surface is not perpendicular to the vertical force of shear apparatus, which means that normal stress is not perpendicular to shear stress, leading to big error or even completely wrong result compared with the actual situation. In view of this, an instrument of preventing structural surface model from settlement in direct shear test of rock mass is proposed. The instrument consists of an outer frame, active pole, clamping plate, hook, wing nuts and so on. In preparing structural surface model, the specimen is clamped tight and fixed to secure it does not move, which avoids the uneven settlement and excessive subsidence.

direct shear test; anti-settlement instrument; model of structural surface of rock; uneven settlement; stability

2015-11-16；

2016-01-20

戴 準(1991-)，女，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究，(電話)15927508395(電子信箱)1406454138@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150980

2017,34(1):151-154

TV131.66

A

1001-5485(2017)01-0151-04