一种新型防沉降仪在直剪试验中的应用

戴 准，时红莲，方 堃，魏世豪，武皇盛

(中国地质大学( 武汉) 工程学院，武汉 430074)



一种新型防沉降仪在直剪试验中的应用

戴 准，时红莲，方 堃，魏世豪，武皇盛

(中国地质大学( 武汉) 工程学院，武汉 430074)

结构面模型制作过程中，在模型内灌注一定量流动的水泥砂浆，再将结构面试样直接放置在流动的水泥砂浆上，会引起试样的不均匀沉降；然而结构面的直剪试验中要求制作的结构面模型必须水平，否则在进行直剪试验时，将直接导致结构面与仪器所加竖向力不能垂直，即法向应力与剪切应力不垂直，这将导致试验结果与实际情况出现很大误差甚至完全错误。基于此，在岩体结构面的直剪试验中，一种制作结构面模型的防沉降仪被提出，包括：外支架、活动长杆、夹持板、挂钩、蝶形螺母等。在结构面模型的制作过程中，通过使用结构面模型的防沉降仪，将结构面试样夹紧使其固定不动，避免了其发生不均匀沉降和沉降量过大的现象。

直剪试验；防沉降仪；岩体结构面模型；不均匀沉降；稳定性

1 研究背景

岩体总是由结构面纵横切割而成，结构面的存在是造成岩体工程性质不连续、各相异性和不均一的根源。而结构面抗剪强度总是低于完整岩石的抗剪强度，因此岩体结构面对岩体的变形和破坏起着控制作用。所以岩体结构面的稳定性一直是岩土工程中一项重要的研究内容，稳定性的确定往往需要通过试验得到结构面的抗剪强度指标[1-2]。

目前，岩体稳定性研究或是实际岩体工程中获取结构面抗剪强度参数的方法主要有室内中型直剪试验法、原位大型直剪试验法、工程地质类比法即专家经验法、理论抗剪强度计算公式法、位移反分析法等[3-4]。

上述5种方法各有利弊。室内中型直剪试验的设备相对简单，操作方便， 但其试样的代表性、原状性、试验方法的合理性及有关数理统计方法等都直接影响其试验结果；原位试验设备复杂、成本昂贵、耗时费力，但保证了试样的原状性，同时剪切断面较室内试验大，得出的试验结果相对可靠；工程地质类比法即专家经验法虽可靠性较差，但该方法简单，操作方便，目前在工程界仍较受欢迎；理论抗剪强度计算公式法包括Patton的剪胀公式及双直线剪切公式，Jaeger 负指数剪切强度公式、Barton 公式以及Ladanyi 和Archambault剪切公式，这些公式虽然理论上很清楚，但参数取值随意性大，且需要用直剪试验确定摩擦角，比较复杂；位移反分析法是在已有位移观测资料的基础上，通过求解逆方程得到岩体参数，假设岩体为均值各向同性，不符合实际。

2 防沉降仪的技术背景

结构面的直剪试验常常被用来确定其抗剪强度指标。不准确的抗剪强度指标将直接导致工程应用时造成较大偏差[5]，甚至得到与实际情况完全相反的结果。在使用XJ-1型携带式剪切仪进行传统的直剪试验中，要先制作结构面模型[6]，在制作过程中存在较多不足，影响较大的一点为:浇注时，在半个样模内加适量的水泥砂浆，将结构面试样放入模样中心处，使岩体上部受剪切面相对模边框高出4～5 mm；随后再添加适量的水泥砂浆填满振匀。但是在随后水泥砂浆凝结的初期，由于水泥砂浆的流动性以及结构面试样自身的重力作用，结构面调整水平可能会发生不均匀沉降及沉降量过大的情况。

由于岩体结构面发生不均匀沉降及沉降量过大，在直剪试验过程中会出现一系列影响试验准确性的情况。不均匀沉降会使在直剪试验中，由于法向应力作用在不均匀的结构面，岩石结构面受到的法向应力小于试验要求的法向应力[7]。当岩体结构面沉降量过大时，会使剪切直接失败，达不到直剪试验要求。

因此，为了避免上述所出现的情况，就必须要消除结构面发生不均匀沉降及沉降量过大，这样才使试验的准确性和可靠性得到保证。本文所提出的防沉降仪可通过固定结构面试样，避免不均匀沉降及沉降量过大的现象。

3 防沉降仪简介

本文提供了一种固定结构面试样的防沉降仪，用于解决结构面试样制作时存在不均匀沉降及沉降量过大的问题；该防沉降仪不仅结构简单、操作方便，而且拆卸容易、价格低廉、使用效果好。

3.1 技术方案

直剪试验中结构面试样的防沉降仪包括以下几个部分：外支架2个、活动长杆1根、内夹持板2块、蝶形螺母14个、挂钩3个、内固定杆1根、内活动杆2根，见图1。外支架中间设有竖直滑槽，竖直滑槽的两侧均设有刻度；活动长杆的两端放置于2个外支架的滑槽内，并通过蝶形螺母固定，活动长杆可以在外支架的滑槽内上下移动；挂钩的一端与活动长杆连接，其连接处通过焊接固定；挂钩的另一端连接内固定杆；2块内夹持板通过蝶形螺母固定在内固定杆上，并通过内固定杆连接起来；每一块内夹持板上均设有2个对称的竖直滑槽；内夹持板上的滑槽之间穿有带蝶形螺母的内活动杆，用于夹紧试样。以上所述的外支架低端为台形,夹持板可根据所要夹持试样的大小，通过移动内活动杆和螺母来调节并固定，且夹持板内侧为粗糙面，如图2所示。以上所述的活动长杆中间段为矩形长条，两端为带有螺纹的圆柱状。

图1 防沉降仪的结构

图2 夹持板的结构

图3 内活动杆

Fig.3 Diagram of active rod

直剪试验中结构面试样的防沉降仪，外支架高为60 cm，下端为台形，便于稳定，中间为矩形滑槽，可供活动长杆在其中固定，滑槽宽2 cm；活动长杆中间段为矩形长条，横截面尺寸为2 cm×2 cm，其焊有3个挂钩，两端为带有螺纹的圆柱状，如图3所示；3个挂钩下端与内固定杆焊接在一起，内固定杆两端对称地安装在夹持板上，内固定杆横截面为矩形，尺寸为1 cm×1 cm；夹持板尺寸为1 cm×20 cm×20 cm,夹持板可以在内固定杆上左右移动，夹持板上竖直长滑槽尺寸为15 cm×15 cm，彼此相距15 cm，夹持板夹持试样一面为带波纹槽的粗糙面，以便更好地固定试样；长槽穿有带螺纹的内活动杆，内活动杆长为20 cm，螺纹螺距为3 mm，内活动杆直径为1 cm，夹持板内侧布置有六角螺母，外侧有蝶形螺母，用于夹紧夹持板，固定结构面试样，同时通过调节外支架使整体保持水平。

考虑XJ-1型携带式剪切仪所搭配的制作模具的尺寸限制，要求结构面试样的规格为长轴6～12 cm，高4～8 cm的近似方块体；根据以上各部件的尺寸设计，该防沉降仪适合于平面尺寸范围为4～12 cm的结构面试样。

其技术效果是:将外支架放置在浇注模具两边，用带蝶形螺母的内活动杆连接2块活动夹持板，调整2块夹持板，使其内侧与结构面试样贴紧，通过拧蝶形螺母来收缩两夹持板，使结构面试样夹紧固定好，并使整体水平，往模型内浇筑一定量的水泥砂浆，达到一定高度后，开始吊放结构面试样，再移动活动长杆使结构面试样的受剪面高出样模边框4～5 mm，并利用支架外侧带有的刻度微调活动长杆使之水平，继而将活动长杆两侧螺母拧紧固定，然后注入水泥砂浆填满捣实即可；在结构面模型制作时，通过使用结构面试样的防沉降仪，将结构面夹紧使其固定不动，避免了其发生不均匀沉降和沉降量过大；待水泥砂浆凝固后(约24 h)即可将防沉降仪拆除，保证了结构面试样在水泥砂浆中的均匀沉降及控制了结构面试样的沉降量。

3.2 防沉降仪的优点

(1) 之前的防沉降夹是使活动长杆内侧的橡胶薄片与结构面试样两侧面接触好，贴紧后通过弹簧的收缩力将试样夹紧，这种靠弹簧的收缩力是不能使固定效果达到最佳状态。该防沉降仪的每一块夹持板内侧具有波形螺纹,增大了夹持板与结构面式样的吻合性,较之前的防沉降夹拥有更好的固定试样的作用。

(2) 该防沉降仪原理简单易懂，活动长杆可以在外支架的滑槽内上下移动，内活动杆也可以在内夹持板上的滑槽之间上下移动，很大程度上扩大了可夹持结构面试样的高度范围。

(3) 该防沉降仪结构简单、体积小、便于携带。通过14颗蝶形螺母的连接，这些简单的构件便能组成该防沉降仪，使用完毕只需将蝶形螺母旋出即可，方便操作、易于拆卸，且这些构件对材料无特殊要求，价格低廉、使用效果好。

(4) 该防沉降仪能起到固定结构面试样的作用，夹持板可根据所要夹持试样的大小，通过移动内活动杆和螺母来调节，使其固定在某一高度，而不因水泥砂浆的流动性和试样的自重作用发生不均匀沉降。

(5) 该防沉降仪通过夹持板内侧的粗糙面和螺丝的作用，可很好地夹持结构面试样而不致使其松动，从而保持结构面试样水平。

3.3 防沉降仪的操作过程

在岩体结构面剪切强度试验中，传统的结构面试样的制备过程如下：将采集的结构面试样用绳索捆紧，放入形状为倒三角的模具中，使结构面与模具的上边缘平行且高出4～5 mm，然后倒入水泥或石膏，震实抹平。下模具中的水泥或石膏凝固后，翻转倒三角形模具180°(连同结构面试样一起)，以便浇注上模。两模具的间隙8～10 mm，即注意不要把弱面浇注在水泥或石膏中。待水泥或石膏养护3～4周后，即可用来做试验。

为了说明直剪试验结构面试样的防沉降仪的操作过程，本文以尺寸为10 cm×10 cm的结构面试样的模型制作过程为例进行说明,并以图4作为参照。

图4 结构面试件制备

(1) 结构面试样制备前防沉降仪准备。首先将结构面模具放在试验台上，把脱模剂均匀地涂抹在结构面模具前后侧板内壁，再在内壁上铺上一层硬纸，易于后面结构面试样的脱模。然后在结构面模具中加入适量的水泥砂浆，以模型为中心将外支架放在其两侧位置，组装好仪器。

(2) 用防沉降仪固定结构面试样。此时将结构面试样防沉降仪放在模型两侧，并把2个夹持板拉开，将结构面试样放在中间，慢慢收缩夹持板，使夹持板内侧与结构面试样两侧面接触好，贴紧后通过拧紧蝶形螺母与内侧的六角螺母，将试样夹紧并保持受剪面水平；通过下调外支架上的活动螺杆使试样结构面试样的受剪面高出样模边框4～5 mm时，再拧紧支架上的螺母固定活动螺杆，以阻止结构面发生不均匀沉降及沉降量过大。如果结构面试样两相对应的侧面是平行的，则夹持板内侧与结构面试样两个侧面均达到整个侧面相接触，此时的固定效果最好。但如果结构面试样两相对应的侧面是不平行的，则可以通过调节蝶形螺母促使式样侧面与夹持板内侧尽量接触，使受剪面水平，也能达到很好的固定效果，从而阻止结构面试样的不均匀沉降。

(3) 结构面模型的凝固与制作模具的拆卸。待水泥砂浆凝固(约24 h)后，拧松蝶形螺母移开2个夹持板即可；再将制作好的模型从模具中取出，将模具上的水泥残渣清理干净。在制作另一半模型时同样与上述步骤相同使用防沉降仪，只是夹持的不是结构面试样而是内嵌有结构面试样的半块模型。在空模具前后侧板内壁再次涂上一层脱模剂，并复上一张硬纸，再浇筑适量水泥砂浆，在模具边框两端各放一根开缝垫条，将已凝固的那一半模型倒转，利用夹持板夹紧模型，再利用活动螺杆进行吊放，使试样结构面试样的受剪面高出样模边框4～ 5 mm时，再拧紧支架上的螺母固定活动螺杆。待24 h后，拆去防沉降仪及模具，取出试样，结构面模型制作完成。

4 结 语

结构面的直剪试验中要求制作的结构面模型必须水平，否则在进行直剪试验时，将直接导致结构面与仪器所加竖向力不能垂直，导致法向应力与剪切方向是不垂直的，这将导致试验结果与实际情况出现很大的误差甚至是完全错误。在结构面模型的制作过程中，通过使用结构面模型的防沉降仪，将结构面试样夹紧使其固定不动，避免了其发生不均匀沉降和沉降量过大的现象。同时，该防沉降仪原理简单易懂、结构简单、体积小、便于携带、方便操作、易于拆卸、价格低廉、使用效果好，较之前的防沉降夹拥有更好的固定试样的作用。

[1] 邹宗兴，唐辉明，刘 晓． 制样误差对结构面直剪试验结果影响定量研究[J]． 岩石力学与工程学报，2010，29(8): 1664-1669．

[2] 童志怡，陈从新，徐 健．基于黏着摩擦理论的结构面抗剪强度选取方法[J]．岩土工程学报，2008，30(9)：1367-1371.

[3] 向 波，周立荣，马建林．基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(2):3547-3552.

[4] 刘明维，傅 华，吴进良.岩体结构面抗剪强度参数确定方法的现状及思考[J].重庆交通学院学报，2005，24(5):66-68.

[5] 颜育仁．岩体结构面抗剪强度经验估算方法的工程应用研究[D]．杭州：浙江工业大学，2005.

[6] 徐 伟，吴建川，邹宗兴．一种消除直剪试验制模时误差角的调平夹尺[J].人民长江，2012,42(11):53-55.

[7] 徐 伟，倪化勇，徐如阁,等.直剪试验中结构面试样防沉降夹的研制[J].环境与安全工程,2014,21(1):125-128.

(编辑：刘运飞)

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 准(1991-)，女，湖南岳阳人，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究，(电话)15927508395(电子信箱)1406454138@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150980

2017,34(1):151-154

TV131.66

A

1001-5485(2017)01-0151-04