泥質白云巖抗剪強度試驗

陸建港

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 試驗目的和適用的范圍

巖石直剪試驗是對同種類型試驗巖樣施加不同的法向荷載，用平推法施加水平剪切力，直至試件發生剪切破壞為止，然后在利用莫爾庫侖定律來確定相應巖石的抗剪強度的參數：內摩擦角（φ） 和粘聚力（C）[1-2]。

2 儀器設備

1） 鉆石機、切石機、磨石機等試驗巖樣加工的工具。

2） 配制混凝土及砂漿的相關設備以及養護設備。

3） 測量法向和剪切向位移的量表，精度0.01mm。

4） 游標卡尺。

5） 直剪儀：本次試驗使用的是由中國科學院武漢巖土力學研究所自行研制RMT301 巖石與混凝土力學試驗機。

3 試樣準備

巖石試樣取自貴州省貴陽市軌道交通工程，所取巖樣很難加工成為邊長為200mm×200mm×200mm 的標準立方體。因此采用200mm×200mm×200mm 的混凝土試件模具，將切割的白云巖試件放在模具中心地位，然后在利用高強混凝土嚴格填充巖石周邊的空隙，并在巖石高度一半的位置預留10mm左右的剪切縫，如圖1 所示，以確保試驗試件符合規范的要求。

圖1 拆模后的試件

4 試驗步驟

1） 把試驗試件安放到直剪儀上，將試件與剪切盒組裝成為一個整體。

2） 試件安放完畢，調整位移傳感器，觀察電腦顯示屏上位移數字的變化，使位移傳感器的位移范圍在0.2mm~0.6mm 之間。

3） 在電腦上輸入不同法向應力的大小和預判剪切應力值，以及相應的剪切位移相對值，最后輸入試件尺寸大小，開始試驗。

5 抗剪切強度（直剪） 試驗結果分析

1） 法向應力和剪切應力可按照式（1）、式（2） 進行計算：

式中，σ：法向應力（MPa）；

P：法向荷載（N）；

A：有效剪切面積（mm2）；

τ ：剪應力（MPa）；

Q：剪切荷載（N）。

2） 根據不同試件不同剪切階段的最大的剪應力和法向應力值，如表1 所示。通過最小二乘法繪制試件剪應力與法向應力的關系圖，并以此計算巖石試件的抗剪強度參數。通過庫倫表達式（3）、（4） 可以計算巖石的摩擦系數tan 和凝聚力c：

式中，tan ：摩擦系數；

C：凝聚力（MPa）；

n：法向應力為σn 時的巖石極限剪切應力（MPa）；

1：法向應力為σ1 時的巖石極限剪切應力（MPa）；

σn：大于σ1 時的法向應力（MPa）；

σ1：法向應力（MPa）。

將所得試驗數據的剪應力與法向應力繪制到σ- 的二維坐標圖像上，通過最小二乘法擬合剪應力與法向應力的散點圖，然后繪制出關系曲線，泥質白云巖的剪應力與法向應力的關系函數為：τ=2.31σ+2.64（見圖2）[3-4]。

表1 抗剪切強度（直剪） 試驗結果

圖2 剪應力與法向應力關系圖

根據σ-τ 的函數關系可知泥質白云巖的內摩擦角為tanφ=2.31（φ=66.59°），粘聚力c=2.64MPa。

6 結語

通過巖石的抗剪切強度（直剪） 試驗，在利用莫爾庫侖定律計算出巖石的抗剪強度的參數：內摩擦角tan =2.31（=66.59°），粘聚力c=2.64MPa。