试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系

宗静，熊穗，潘海利

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系

宗静*，熊穗，潘海利

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

岩石单轴抗压强度一方面可为勘测设计阶段的工程地质评价和各类工程地基基础设计提供参数和资料，另一方面可为施工阶段的实体工程选用符合质量要求的石料提供依据，因此研究岩石的单轴抗压强度具有重要的工程意义。通过平推法岩石直剪试验，获得内聚力c和内摩擦角Φ，通过分析内聚力c和内摩擦角Φ随单轴抗压强度的变化特点，得出抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系，为实际工程提供参考和辅助，具有重要指导意义。

内聚力；内摩擦角；单轴抗压强度；平推法直剪试验

1 前 言

岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力，叫抗剪强度[1]。在实际工程中岩石是处在复杂的受力状态中。而工程岩体的破坏往往不是简单的压碎和拉裂，而是在复杂的受力作用下的剪切破坏。因此，研究岩石的抗剪强度及测试方法，比研究岩石抗压、抗拉强度更有意义[2]。

岩石的抗剪强度用摩擦角(Φ)和内聚力(c)表示。结合岩石受力、破坏情况可把岩石强度分为抗剪断强度(c、Φ)、抗剪强度和抗切强度(c)[3]。内聚力c和内摩擦角Φ，测定它们的值的方法很多，如现场大型直剪、室内中型直剪、变角剪等。通过室内直剪应力控制式的平推法直剪试验，得出内聚力c和内摩擦角Φ，通过分析内聚力c和内摩擦角Φ的变化特点，可以使岩石试验和岩体运动成为一个连续过程，探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系，使岩石试验获取的数据可用于岩石工程设计，具有指导意义和参考意义。

2 试验分析

2.1取样的位置及地理情况

本次试验的样品取自南京地铁五号线D5-XK04标沿线的岩石样品。

场地下伏基岩层面埋深变大体由东往西逐渐加深。场地基岩为白垩系和侏罗系沉积岩，岩性包括：泥岩、泥质粉砂岩、粉细砂岩以及含砾砂岩，岩体完整性亦有差异，局部岩体较破碎。场地下伏基岩层面埋深变化较大，埋深在 5.3 m～60.0 m。具体岩层的埋深如下：

(1)砂砾岩(取样深度8.0 m～60.0 m)

(2)粉砂岩(取样深度：17.2 m～33.9 m)

(3)粉砂质泥岩(取样深度：17.7 m～50.0 m)

2.2试样的制备和试验方法[4]

2.2.1 试样的制备

本次试验的样品为原柱型芯样，直径在 7.5 cm～9.0 cm之间，制成的试样高、径比为1∶1左右。

2.2.2 试验方法

本试验的试验方法为平推法岩石直剪试验

(1)岩石试件要求

①取样应在现场采取试件，在采取、运输和制备过程中，应防止产生裂缝和扰动。

②每组试验试件的数量应为5个。

③岩石直剪试验试件的直径或边长不小于 50 mm，试件高度应与试件的直径或边长相等。

(2)主要仪器和设备：应力控制式平推法直剪试验仪。

(3)试验结束后，应对试件剪切面进行描述：

①准确量测剪切面面积；

②详细描述剪切面的破坏情况，擦痕的分布、方向和长度；

③测定剪切面的起伏差；

④当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面的位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。

⑤应将各剪切阶段特征点的剪应力和法向应力点绘制在坐标图上，绘制剪应力与法向应力关系曲线，并应按库伦-奈维表达式确定相应的岩石强度参数(c、Φ)[5]。

2.3试验数据

根据三次工程岩石直剪试验的强度参数与单轴抗压强度的成果汇总，得出如下关系图：

(1)试验一为泥质粉砂岩：

图1 泥质粉砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系

图2 泥质粉砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系

数据分析：

①由图(1)、图(2)可以看出，此工程中岩石的抗压强度集中在 1 MPa～10 MPa之间，大于 10 MPa后的内聚力离散性较大。

②从图1中，我们可以看出，随着抗压强度σc的增大，内聚力c的值也明显的增大。从图中可以发现，此岩块的内聚力c主要在 0 MPa～2 MPa之间。内聚力c越大，离散性也越大。

③从图2中可以看出，内摩擦角的变化比较平缓，一般都大于40°。

(2)试验二为含砾砂岩：

图3 含砾砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系

图4 含砾砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系

数据分析：

①图3可以明显看出，此种岩石的内聚力c主要集中在 0 MPa～2 MPa之间，一般内聚力c都小于 5 MPa，而且，随着抗压强度σc的增大，内聚力c增大非常明显。

②图4可以看出，内摩擦角的变化与图2相似，随着抗压强度的变化，内摩擦角的变化范围很小。比较图2和图4，可以看出，内摩擦角增大。

(3)试验三为细砂岩：

图5 细砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系

图6 细砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系

数据分析：

①由图5我们可以发现，此工程的岩石的抗剪强度参数内聚力c值集中在 2 MPa，随着单轴抗压强度的增大，内聚力c值明显呈增大的趋势。在单轴抗压强度大于 20 MPa之后，内聚力c比较离散。

②由图6可以发现，抗剪强度Φ值变化也比较平缓，角度一般都大于45°，随着单轴抗压强度的增大呈缓慢的增大趋势。

本工程的岩石是南京地区代表性的岩石沉积岩，此岩层在南京地区分布比较广。南京地铁五号线D5-XK04标的沿线基本为沉积岩，代表性的岩石为泥质粉砂岩、细砂岩、部分的含砾砂岩，中风化，密度在 2.35 g/cm3～2.40 g/cm3之间，平均单轴抗压强度在 5 MPa～ 15 MPa之间。由以上数据和图表我们还可以发现，此种岩石的抗剪强度参数c一般在 1 MPa～2 MPa之间，Φ在45°。一般，随着单轴抗压强度的增大，抗剪强度参数c的值在一定的范围内，随着单轴抗压强度的增大而明显的增大；抗剪强度Φ值随着单轴抗压强度的增大也是缓缓增大，但是增大的幅度没有c值明显。

如果我们把这些数据合在一起统计，如图7所示，我们可以清楚地看出，随着单轴抗压强度的增大，抗剪强度c、Φ值明显的呈增大趋势。

图7 单轴抗压强度σc、内聚力c、摩擦角Φ关系曲线

数据分析：

Hoek于1990年提出根据Hoek-Brown准则定义的包围心应力圆的包络线的切线来确定Mohr-Coulomb黏聚力和内摩擦角的等效值的方法[6]：

已知有效正应力σn的值，Hoek-Brown的计算过程如下：

c=τ-σntanφ

求出c和φ后，岩体的单轴抗压强度σc可由下式求得：

(1)

根据内聚力和内摩擦角，可以求出岩块的单轴抗压强度值σc，根据试验数据汇总成表1：

研究区各类岩石物理力学参数统计表 表1

图8 研究区内内聚力比单轴抗压强度与单轴抗压强度的关系

图9 研究区内内摩擦角比单轴抗压强度与单轴抗压强度的关系

图8、图9是分别是单轴抗压强度与内聚力比单轴抗压强度的坐标图和单轴抗压强度与摩擦角比单轴抗压强度的坐标图，图8我们可以看出，随着单轴抗压强度的增大，内聚力缓慢的增大。图9是一个反函数曲线，随着单轴抗压强度的增大，在0 MPa～10 MPa范围内，摩擦角急剧增大，在 10 MPa～30 MPa范围内，摩擦角增大的幅度缓慢，大于 30 MPa以后，摩擦角变化非常小，几乎是不增加。

图10 研究区内单轴抗压强度测试值与计算值的关系

3 结 论

(1)由此工程的数据表统计图可以发现，不同的岩石，其抗剪强度参数c、Φ值基本都随着抗压强度的增大而增大。

(2)由图4可以发现，抗剪强度c值一般都集中在0 MPa～5 MPa以内，Φ在40°～50°之间，而其随着单轴抗压啊强度的增大，抗剪强度c、Φ的离散性越来越大。

①岩石本身的特性，由于岩块材料的复杂性，岩块本身中含有大量的裂隙、不同的胶结物，是个多项介质的复合材料，还有地层形成过程中产生的层理、节理、破碎带等异常的地质结构，此外还有在采样过程中产生的裂隙以及岩块的破碎等。

②单轴抗压是在无侧限的条件下，受轴向力作用破坏时单位面积上所承受的荷载，而抗剪强度参数是在有侧限限制的条件下进行的。

③岩石的尺寸，同为圆柱体，单轴抗压的尺寸要求高径比为 1∶2，抗剪强度要求高径比为 1∶1。

④岩石抗剪参数具有随机性和离散性的特点，因此，当实验数据较少时，试样数量的不充分会引起统计上的不确定性，“真值”很可能在实验数据限定的范围以外；当实验数据较多时，逼近“真值”的自由度很大，也很难给出一个确定的值。

[1] 罗国煜，李生林. 工程地质学基础[M]. 南京：南京大学出版社，1990.

[2] 赵文强，王国瑞. 岩石抗剪强度测试方法的研究[J]. 河北地质学院学报，1988(3)：82～95.

[3] 沈明荣，陈建峰. 岩体力学[M].上海：同济大学出版社，1999.

[4] JTG E41-2005. 公路工程岩石试验规程[S].

[5] GB/T 50266-2013. 工程岩体试验方法标准[S].

[6] 刘佑荣，唐辉明. 岩体力学[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[7] 潘庆英，游桂芝. 岩石抗剪强度的参数C和φ值的测定[J]. 西部探矿工程 ，2014，26(1) ：13～15.

ExperimentalResearchontheCorrelationBetweentheShearStrengthParametersandUniaxialCompressiveStrengthofrock

Zong Jing，Xiong Sui，Pan Haili

(Nanjing Institute of Surveying Mapping & Geotechnical Investigation Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

The uniaxial compressive strength of rock is useful to provide parameters and information for the engineering geological evaluation and the engineering foundation design during the survey design stage as well as it can offer basis for the selection of stone material which meets the quality requirements for thesubstantial projectduring the construction phase，therefore，it has great engineering significance to study on the uniaxial compressive strength of rock.The relationship between the shear strength and the uniaxial compressive strength was obtained by analyzing the cohesive force c and the internal friction angle Φ with the changing characteristics of uniaxial compressive strength .This research provides reference and assistance for practical engineering，which has important guiding significance.

cohesion；internal friction angle；uniaxial compressive strength；flat push of direct shear test

1672-8262(2017)05-160-04

TU452

A

2017—06—06

宗静(1979—)，女，高级工程师，从事岩土工程检测与岩土测试工作。