岩体结构面直剪试验方法研究

张 磊， 黄正均， 刘 钰

(北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京 100083)

岩体结构面直剪试验方法研究

张 磊， 黄正均， 刘 钰

(北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京 100083)

岩体结构面抗剪强度是影响岩体稳定性的重要指标。根据Jaeger单一结构面强度理论,岩石三轴剪切破坏面上的受力情况可看作岩石单一结构面剪切,利用岩石三轴压缩剪切破坏后的残余变形试验方法与岩体结构面直剪试验方法对比分析,得出岩体剪切面的抗剪强度。

岩体; 结构面; 抗剪强度

在岩体工程中,影响岩体的稳定性主要取决于结构面的抗剪强度,尤其是软弱结构面。近年来国内外的研究分析表明,研究软弱结构面的抗剪强度比研究岩体的抗剪强度更为重要,国际岩石力学学会提出把岩体软弱结构面的抗剪强度试验规定为重力坝、拱坝、岩质边坡、大型地下结构等工程祥勘阶段必须进行的试验项目[1];在我国岩体结构面直剪试验也列入国家标准,《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266—99)中的4.1详细说明了岩体结构面直剪试验方法与要求。

1 直剪试验计算公式及试验设备

岩体结构面直剪试验主要采用直接剪切的方法,即在结构面上施加一组正应力与剪应力来计算结构面的抗剪强度[2];对于软弱岩石,在施加载荷前需要用水泥砂浆等胶凝材料浇筑保护套,然后再施加载荷。图1为岩体结构面直剪试验设备及试样浇注模型。

试验分为平推法与斜推法两种,其计算公式如下:

图1 岩体结构面直剪试验设备及试样浇注模型

(1) 平推法计算公式:

(1)

式中:P为作用于剪切面上的总法向载荷,N;Q为作用于剪切面上的剪切载荷,N;σ为作用于剪切面上的法向应力,MPa;τ为作用于剪切面上的剪向应力,MPa;A为剪切面积,mm2。

(2) 斜推法计算公式:

(2)

式中:α为剪切面的水平夹角,(°)。

根据各阶段法向应力与剪切应力的关系曲线,利用最小二乘法拟合关系曲线来确定岩体结构面的抗剪强度。

岩体结构面直剪试验方法在试验过程中存在有以下一些的局限性[3]:

(1) 试样制备时间长、精度低。岩体软弱结构面试件需要使用水泥砂浆等胶凝材料浇注到剪切盒中,且等待水泥砂浆等胶凝材料凝固,这需要很长一段时间;同时在浇注试件时,由于人工浇注导致结构面之间存在有一定的配合误差。

(2) 施加载荷受限于胶凝材料强度或岩石与胶凝材料的握裹力。大部分人工配制的胶凝材料其强度低于天然岩石强度,在试验过程中所施加的法向载荷或剪切载荷超过胶凝材料强度,或是岩石与胶凝材料的交界面上产生应力集中,导致胶凝材料发生开裂或破坏,导致试验无法继续进行,或是胶凝材料和岩石试件之间发生错动等情况,影响试验结果。

(3) 胶凝材料变形对于试验精度的影响。在试验中要记录剪切位移和法向位移,因为试件周围浇注有胶凝材料,在施加载荷时,胶凝材料也会发生位移,这部分位移也被记录在岩体结构面的剪切位移和法向位移中,降低了试验的精度。

2 岩石三轴剪切破坏残余变形分析

岩石三轴压缩下会发生剪切破坏,其强度准则[2-4]为

(3)

式中:c为岩石的黏结力,MPa;φ为岩石的摩擦角,(°);

岩石在极限应力条件下剪切面上的正应力和剪应力可用主应力σ1和σ3表达为:

(4)

(5)

式中:σ1为最大主应力,MPa;σ3为最小主应力,MPa;α为剪切面与水平方向的夹角(°)。

将(4)、(5)式代入(3)式,可以得出剪切面上的用主应力σ1和σ3表达式:

(6)

将(6)式对α求导,令一阶导数为零,可以求出最大主应力的极小值,即岩石发生剪切破坏的角度为

(7)

其物理意义是岩石在角度为α的剪切面上受最大剪应力,并沿角度为α的剪切面发生剪切破坏。岩石在三轴压缩条件下发生破裂后,岩石试件产生宏观裂隙,该宏观裂隙的角度为α,继续加载时岩石的应力不再增长而应变逐步增加,将会沿破裂面发生滑动变形,即岩石的残余强度阶段[5-9]。图2为岩石三轴压缩剪切破坏及残余变形曲线。

图2 岩石三轴压缩剪切破坏及残余变形曲线

如果在残余变形的条件下,改变岩石三轴压缩的最小主应力σ3,那么岩石三轴压缩的最大主应力σ1也会发生改变,同时作用在这个剪切面上的正应力和剪应力也会发生改变,根据公式(4)、(5)可以计算出剪切面上的正应力和剪应力[11-15],所以通过最小主应力σ3的改变可以得出不同的最大主应力σ1,即可以得出此岩石剪切破坏后该剪切面的抗剪强度。

3 两种试验方法的对比

在某岩质边坡工程中取得粗砂岩样品进行平行对比试验,试验依据中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266—99)进行;其中一组是粗砂岩结构面直剪试验,另外一组是粗砂岩三轴压缩试验。

直剪试验：取粗砂岩结构面试样3个,分别按照0°、5°、10°角度浇注在剪切盒中,养护28d后进行试验,试验时施压的正应力不宜过大(避免引起胶凝材料破坏),正应力分0.2、0.4、0.8、1.2kPa4级施加,根据公式(1)和(2)计算剪切面上的正应力与剪应力,利用最小二乘法拟合得出岩体结构面的抗剪强度。

三轴压缩试验：取粗砂岩的完整岩芯加工成5个标准岩石样品,进行不同围压下的三轴试验,得出完整岩石的抗剪强度,同时从三轴试验剪切破坏后的样品中选取一个样品进行岩石剪切面三轴压缩残余变性试验,试验过程如下:

(1) 将剪切破坏后的岩石试样沿着剪切面打开,恢复岩石原始状态;

(2) 将试样放入岩石三轴压力腔内,试验的方法与岩石三轴压缩试验一样,施加一级围压,进行岩石三轴压缩剪切面残余变形试验,记录岩石的应力与应变数据;

(3) 一级围压下试验结束,取出试样,重复第1步和第2步,加下一级围压完成试验,直至所设定各级围压全部完成。

本次试验围压分5级进行,分别为1、4、8、15、20MPa,试验记录岩石的应力与应变数据,根据公式(7)、(8)、(9)计算得出岩石剪切面的抗剪强度。

(8)

(9)

(10)

式中:c为岩石的黏聚力,MPa;φ为岩石的内摩擦角,(°);σc为1与3关系曲线纵坐标的应力截距,MPa;M为1与3关系曲线的斜率。

或根据公式(4)、(5)计算出剪切面上的正应力和剪应力,利用最小二乘法拟合得出岩体结构面的抗剪强度。

两种试验方法得出的试验结果见表1,两种试验方法得出的抗剪强度拟合曲线见图3。

表1 两种试验方法对比分析计算表

图3 两种试验方法抗剪强度拟合曲线

4 试验结论

本文提出的利用岩石三轴剪切破坏后残余变形试验方法来计算岩体单一结构面抗剪强度,该方法基于Jaeger单一结构面强度理论,通过试验对比分析得出如下结论:

(1) 岩体结构面直剪试验方法中的平推法与斜推法相比,结构面摩擦角基本一致,而黏聚力随着角度的增加略有增加,因为角度提高后,岩体结构面之间咬合作用增加而导致;

(2) 两种试验方法得出的试验结果中内摩擦角一致,黏聚力结果相差较大,剪切面三轴压缩试验所得黏聚力大于剪切面直接剪切试验所得黏聚力,判断是剪切面三轴压缩试验在剪切面上所产生的正应力远大于剪切面直接剪切试验在剪切面上所施加的正应力,在剪切面上发生岩石矿物晶体交错镶嵌现象,黏聚力提高,这种现象符合岩质边坡破坏滑动过程中岩层交错现象;

(3) 剪切面三轴剪切破坏后残余变形试验方法施加载荷不受限于水泥砂浆等胶凝材料的强度、凝结时间等条件的约束,试验方法快捷方便。

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

张磊(1981—)，男，河北保定，硕士，工程师，研究方向为岩土工程.

E-mail：13810174099@163.com

TU455

A

1002-4956(2015)6- 0055- 04