巖體結構面直剪試驗方法研究

張 磊， 黃正均， 劉 鈺

(北京科技大學 土木與環境工程學院, 北京 100083)

巖體結構面直剪試驗方法研究

張 磊， 黃正均， 劉 鈺

(北京科技大學 土木與環境工程學院, 北京 100083)

巖體結構面抗剪強度是影響巖體穩定性的重要指標。根據Jaeger單一結構面強度理論,巖石三軸剪切破壞面上的受力情況可看作巖石單一結構面剪切,利用巖石三軸壓縮剪切破壞后的殘余變形試驗方法與巖體結構面直剪試驗方法對比分析,得出巖體剪切面的抗剪強度。

巖體; 結構面; 抗剪強度

在巖體工程中,影響巖體的穩定性主要取決于結構面的抗剪強度,尤其是軟弱結構面。近年來國內外的研究分析表明,研究軟弱結構面的抗剪強度比研究巖體的抗剪強度更為重要,國際巖石力學學會提出把巖體軟弱結構面的抗剪強度試驗規定為重力壩、拱壩、巖質邊坡、大型地下結構等工程祥勘階段必須進行的試驗項目[1];在我國巖體結構面直剪試驗也列入國家標準,《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266—99)中的4.1詳細說明了巖體結構面直剪試驗方法與要求。

1 直剪試驗計算公式及試驗設備

巖體結構面直剪試驗主要采用直接剪切的方法,即在結構面上施加一組正應力與剪應力來計算結構面的抗剪強度[2];對于軟弱巖石,在施加載荷前需要用水泥砂漿等膠凝材料澆筑保護套,然后再施加載荷。圖1為巖體結構面直剪試驗設備及試樣澆注模型。

試驗分為平推法與斜推法兩種,其計算公式如下:

圖1 巖體結構面直剪試驗設備及試樣澆注模型

(1) 平推法計算公式:

(1)

式中:P為作用于剪切面上的總法向載荷,N;Q為作用于剪切面上的剪切載荷,N;σ為作用于剪切面上的法向應力,MPa;τ為作用于剪切面上的剪向應力,MPa;A為剪切面積,mm2。

(2) 斜推法計算公式:

(2)

式中:α為剪切面的水平夾角,(°)。

根據各階段法向應力與剪切應力的關系曲線,利用最小二乘法擬合關系曲線來確定巖體結構面的抗剪強度。

巖體結構面直剪試驗方法在試驗過程中存在有以下一些的局限性[3]:

(1) 試樣制備時間長、精度低。巖體軟弱結構面試件需要使用水泥砂漿等膠凝材料澆注到剪切盒中,且等待水泥砂漿等膠凝材料凝固,這需要很長一段時間;同時在澆注試件時,由于人工澆注導致結構面之間存在有一定的配合誤差。

(2) 施加載荷受限于膠凝材料強度或巖石與膠凝材料的握裹力。大部分人工配制的膠凝材料其強度低于天然巖石強度,在試驗過程中所施加的法向載荷或剪切載荷超過膠凝材料強度,或是巖石與膠凝材料的交界面上產生應力集中,導致膠凝材料發生開裂或破壞,導致試驗無法繼續進行,或是膠凝材料和巖石試件之間發生錯動等情況,影響試驗結果。

(3) 膠凝材料變形對于試驗精度的影響。在試驗中要記錄剪切位移和法向位移,因為試件周圍澆注有膠凝材料,在施加載荷時,膠凝材料也會發生位移,這部分位移也被記錄在巖體結構面的剪切位移和法向位移中,降低了試驗的精度。

2 巖石三軸剪切破壞殘余變形分析

巖石三軸壓縮下會發生剪切破壞,其強度準則[2-4]為

(3)

式中:c為巖石的黏結力,MPa;φ為巖石的摩擦角,(°);

巖石在極限應力條件下剪切面上的正應力和剪應力可用主應力σ1和σ3表達為:

(4)

(5)

式中:σ1為最大主應力,MPa;σ3為最小主應力,MPa;α為剪切面與水平方向的夾角(°)。

將(4)、(5)式代入(3)式,可以得出剪切面上的用主應力σ1和σ3表達式:

(6)

將(6)式對α求導,令一階導數為零,可以求出最大主應力的極小值,即巖石發生剪切破壞的角度為

(7)

其物理意義是巖石在角度為α的剪切面上受最大剪應力,并沿角度為α的剪切面發生剪切破壞。巖石在三軸壓縮條件下發生破裂后,巖石試件產生宏觀裂隙,該宏觀裂隙的角度為α,繼續加載時巖石的應力不再增長而應變逐步增加,將會沿破裂面發生滑動變形,即巖石的殘余強度階段[5-9]。圖2為巖石三軸壓縮剪切破壞及殘余變形曲線。

圖2 巖石三軸壓縮剪切破壞及殘余變形曲線

如果在殘余變形的條件下,改變巖石三軸壓縮的最小主應力σ3,那么巖石三軸壓縮的最大主應力σ1也會發生改變,同時作用在這個剪切面上的正應力和剪應力也會發生改變,根據公式(4)、(5)可以計算出剪切面上的正應力和剪應力[11-15],所以通過最小主應力σ3的改變可以得出不同的最大主應力σ1,即可以得出此巖石剪切破壞后該剪切面的抗剪強度。

3 兩種試驗方法的對比

在某巖質邊坡工程中取得粗砂巖樣品進行平行對比試驗,試驗依據中華人民共和國國家標準《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266—99)進行;其中一組是粗砂巖結構面直剪試驗,另外一組是粗砂巖三軸壓縮試驗。

直剪試驗：取粗砂巖結構面試樣3個,分別按照0°、5°、10°角度澆注在剪切盒中,養護28d后進行試驗,試驗時施壓的正應力不宜過大(避免引起膠凝材料破壞),正應力分0.2、0.4、0.8、1.2kPa4級施加,根據公式(1)和(2)計算剪切面上的正應力與剪應力,利用最小二乘法擬合得出巖體結構面的抗剪強度。

三軸壓縮試驗：取粗砂巖的完整巖芯加工成5個標準巖石樣品,進行不同圍壓下的三軸試驗,得出完整巖石的抗剪強度,同時從三軸試驗剪切破壞后的樣品中選取一個樣品進行巖石剪切面三軸壓縮殘余變性試驗,試驗過程如下:

(1) 將剪切破壞后的巖石試樣沿著剪切面打開,恢復巖石原始狀態;

(2) 將試樣放入巖石三軸壓力腔內,試驗的方法與巖石三軸壓縮試驗一樣,施加一級圍壓,進行巖石三軸壓縮剪切面殘余變形試驗,記錄巖石的應力與應變數據;

(3) 一級圍壓下試驗結束,取出試樣,重復第1步和第2步,加下一級圍壓完成試驗,直至所設定各級圍壓全部完成。

本次試驗圍壓分5級進行,分別為1、4、8、15、20MPa,試驗記錄巖石的應力與應變數據,根據公式(7)、(8)、(9)計算得出巖石剪切面的抗剪強度。

(8)

(9)

(10)

式中:c為巖石的黏聚力,MPa;φ為巖石的內摩擦角,(°);σc為1與3關系曲線縱坐標的應力截距,MPa;M為1與3關系曲線的斜率。

或根據公式(4)、(5)計算出剪切面上的正應力和剪應力,利用最小二乘法擬合得出巖體結構面的抗剪強度。

兩種試驗方法得出的試驗結果見表1,兩種試驗方法得出的抗剪強度擬合曲線見圖3。

表1 兩種試驗方法對比分析計算表

圖3 兩種試驗方法抗剪強度擬合曲線

4 試驗結論

本文提出的利用巖石三軸剪切破壞后殘余變形試驗方法來計算巖體單一結構面抗剪強度,該方法基于Jaeger單一結構面強度理論,通過試驗對比分析得出如下結論:

(1) 巖體結構面直剪試驗方法中的平推法與斜推法相比,結構面摩擦角基本一致,而黏聚力隨著角度的增加略有增加,因為角度提高后,巖體結構面之間咬合作用增加而導致;

(2) 兩種試驗方法得出的試驗結果中內摩擦角一致,黏聚力結果相差較大,剪切面三軸壓縮試驗所得黏聚力大于剪切面直接剪切試驗所得黏聚力,判斷是剪切面三軸壓縮試驗在剪切面上所產生的正應力遠大于剪切面直接剪切試驗在剪切面上所施加的正應力,在剪切面上發生巖石礦物晶體交錯鑲嵌現象,黏聚力提高,這種現象符合巖質邊坡破壞滑動過程中巖層交錯現象;

(3) 剪切面三軸剪切破壞后殘余變形試驗方法施加載荷不受限于水泥砂漿等膠凝材料的強度、凝結時間等條件的約束,試驗方法快捷方便。

References)

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Study of direct shear test method of rock mass structure

Zhang Lei, Huang Zhengjun, Liu Yu

(School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology, Beijing 100083,China)

Rock joint shear strength is an important parameter affecting the stability of rock masses.According to the strength of Jaeger single plane theory, the rock triaxial shear failure force on the surface can be considered as a single structural plane shear rock, the rock compressive shear failure after using comparative analysis of the triaxial deformation test method and the rock mass structural plane direct shear test method, obtains the shear plane shear strength.

rock mass; joint; shear strength

2015- 02- 03

張磊(1981—)，男，河北保定，碩士，工程師，研究方向為巖土工程.

E-mail：13810174099@163.com

TU455

A

1002-4956(2015)6- 0055- 04