不同角度下板岩层面剪切力学特性试验研究*

2017-12-05秦安洪

采矿技术 2017年6期

秦安洪，雷涛

秦安洪1，雷涛2

岩体层面对岩体的剪切力学性能具有非常重要的影响。以贵州某矿山层状板岩为对象，开展了不同角度下的层面剪切力学实验，得到了该矿山板岩层面的剪切力学参数和力学性能，结果显示：剪切角度越大，层面发生破坏时对应的剪切应力和压应力越大，层面的剪切力学性能越好；不同角度下岩体层面剪切破坏面总体较为光滑，但角度较小时破坏面有突变产生，剪切角度较大时破坏面呈“S”形。

层状板岩；剪切试验；力学特性；破坏模式

层状岩体一般含有多组相互平行的层理面，这些层理面的力学强度一般低于岩石强度，往往控制着岩体的力学性能[1￣3]。同时，层理面与加载方向的夹角也会导致岩体力学强度发生改变[4]。因此，了解清楚不同角度下层状岩体的剪切力学特性，对相关岩体工程的开挖和支护都有非常重要的意义。

以贵州东部某矿山的层状板岩为试验研究对象，开展不同角度下的剪切力学实验，揭示其剪切力学特性，力求为矿山工程的安全生产提供基础性数据。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验材料取自矿山现场的板岩，具有明显的层理结构(见图1)，层间定向性较好，层理胶结物以变质矿物和泥质微粒为主，岩石主要含方解石、石英和云母等物质。

图1 板岩层理结构

1.2 试验方案

本次试验采用限制性剪切强度试验，在进行不同角度下的剪切试验时，可通过改变角模角度来实现对正应力与剪应力的调整，且易于比较不同试验条件下试样的破坏形式。试验加载方式见图2。

图2 试验加载方式

根据相关试验标准[5]，试验时选取完整性较好的岩石加工为100 mm×100 mm×100 mm的立方体剪切试样。试样表面平整度控制在0.1 mm以内，上、下表面的平行度控制在0.5 mm以内。

试验时，分别选取20°、30°、40°、50°、60°、70°的剪切角度开展6组试验，每组试样数为3个。

2 试验结果分析

不同角度下板岩层面的剪切试验结果见图3。由图3可知，随着剪切角度的增大，层面发生破坏时的正应力和剪应力都在增大，但增大趋势存在一定的差异，主要表现在：

(1) 剪切角度较小时(20°和30°)，层面的剪切力学特性较为相似，发生破坏时的正应力和剪应力相差不大，两者分别在4 MPa和7.5 MPa左右；

(2) 剪切角度较大时(70°)，层面的剪切力学性能迅速增强，其发生破坏时的正应力和剪应力值分别在47 MPa和17 MPa左右；

(3) 剪切角度位于中间范围时(40°、50°和60°)，层面的剪切力学性能平稳增长，其发生破坏时的正应力和剪应力分别在9～20 MPa和10～12 MPa范围内。

图3 试验结果及拟合曲线

岩石变角度剪切试验结果，即层面剪切强度可用式(1)表示：

τ=σtanφ+c

(1)

式中，τ为抗剪强度，MPa；σ为正应力，MPa；φ为内摩擦角；c为粘聚力，MPa。

用式(1)对试验数据进行拟合后，可得到如图3所示的拟合曲线及相应的拟合方程：

(2)

由式(2)可得到层面的剪切力学参数为：

(3)

3 破坏模式探讨

试验结果发现，不同角度下岩体层面的剪切破坏模式也存在一些差异，试样破坏的结果见图4。

由图4可知，总体而言，当试样达到强度极限后，就会发生瞬时的沿层理面的滑移剪切破坏，滑移面一般较为光滑，且较为完整，没有大量的散体和碎块出现。这种现象充分说明层面的胶结层强度相对岩体基岩较弱，导致岩体在剪切作用下直接沿层理面发生破坏，表明在剪切条件下，层理面是岩体力学性能的主控因素。

图4 不同剪切角度下层面破坏模式

但是，与力学性能类似，不同角度下岩体层面的剪切破坏模式也存在一定的差异：

(1) 当剪切角度较小时(20°和30°)，破坏剪切面可分为两段。第1段大约占整个滑移面长度的3/4，为一个较为光滑的平面，紧接着滑移面出现了一个突变，剪切面不再沿原层面发展，而是突然穿越该层面到另一层面后继续发生剪切破坏，说明此时其破坏还可能受到了压应力的部分影响；

(2) 剪切角度位于中间范围时(40°、50°和60°)，破坏剪切面几乎就是沿着某一特定层面发展，剪切面平整光滑；

(3) 剪切角度较大时(70°)，破坏剪切面可分为3段，近似为“S”形。第1段大约占整个剪切面长度的1/4，为一带有一定角度的弧形，表明此时试样的起裂没有完全受层理面控制；第2段约占整个剪切面长度的1/2，基本是沿某一层面发展，但光滑程度不如其他中间角度的剪切面；第3段约占整个剪切面长度的1/4，但与较小角度存在一些差别，其并非由突变产生，而是由第3段渐进发展而来，因此也表现出弧形特征。