岩块强度现场测试仪的研制及其应用

邵 勇，阎长虹

(1.连云港职业技术学院，江苏连云港222006；2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210093)

0 引 言

在现场岩石力学试验中，为获得岩石的抗剪强度参数，通常采用摩擦试验测量岩石摩擦角，采用剪切试验测量岩石的粘聚力，或采用抗剪试验同时测量岩石的粘聚力及摩擦角[1- 4]。在这些试验中均需架设千斤顶等设备，试验过程复杂，设备笨重，操作难度大，仅制样一项就需大量时间，试验过程费时费力，在一般岩体工程中，这些试验经常受到限制，从而影响了试验的大量进行[5- 8]。

目前，在现场试验中，比较轻便的仪器仅有便携式岩石剪切仪，但该试验仪器制样比较复杂，需将岩块制成近立方体状，再将岩块周围用砂浆包裹，最后形成立方体再进行剪切试验，制样较麻烦。在测试摩擦角时，有时采用自由滑落法代替摩擦试验，但自由滑落法在使用过程中较难操作，当测试的岩石表面倾角很难调整，或岩石表面不平整时，调整测试面倾角时，上面岩块通常会翻滚落下，而不是滑落。

基于上述问题，本文对现场岩石力学试验进行了分析，提出用量力环法测试岩石摩擦角，并针对不同岩石表面平整情况，采用单量力环法与双量力环法分别测试。对岩石粘聚力的测试问题，本文研制了便携式岩石强度测试仪，可测试岩块的抗拉强度、抗压强度及粘聚力，且易于现场操作，仅需将岩块切割成规则形状即可进行试验。

1 摩擦角的测试

1.1 现有方法

在工程中，一般用摩擦试验求取岩体的摩擦角。在一定的法向应力之下，施加水平向推力，然后按经验公式计算岩体的摩擦角。由于该方法需在现场架设千斤顶等设备，操作复杂，因此用自由滑落法代替。将岩块置于一倾斜岩体平面之上，逐渐改变倾斜角度θ，直至上部岩块产生滑动，然后按经验公式计算岩体的摩擦角。

在自由滑落试验中，如果岩块接触面较粗糙，不断增大倾斜角θ时，上部岩块可能是翻滚滑落，而不是沿接触面水平滑落，所以自由滑落试验存在弊端。因此，本文提出一种简洁的摩擦角试验方法——单量力环法和双量力环法。该试验无须调整倾斜角，在野外现场操作更为方便，在任意角度的接触面条件下均可实行。

1.2 量力环法测摩擦角

本文提出的量力环法分为单量力环法及双量力环法，无需像摩擦试验那样需有剪断面，也无需像自由滑落法那样需调整测试面的角度，在任意测试面均可试验。单量力环法适用于测试面面壁较平滑时。单量力环法摩擦试验见图1。图中，G为岩块自重；θ为测试面倾角；σ为量力环推力。

当接触面角度较平缓时，在一侧手持量力环推动岩块即可，在岩块滑动时记下量力环读数。计算公式为

Gsinθ+Gcosθtanφ=σ

(1)

式中，φ为测试面摩擦角。

现场无法找到较平缓面壁时，先将岩块放置于较陡面壁之上，用量力环施加垂直面壁的力，使之保持平衡，然后慢慢撤出量力环，当岩块开始滑动时，记下量力环读数，试验结束。计算公式为

Gsinθ=(σ+Gcosθ)tanφ

(2)

上述2种方法无需调整测试面倾角，在接触面较平滑时，只要1个量力环即可得到试验结果。

图1 单量力环法摩擦试验

接触面较粗糙时，在试验过程中容易产生岩块翻转滑落而不是平行滑动，因此采用双量力环法。双量力环法摩擦试验见图2。图中，σ1为量力环在面壁垂直向施加的压力，σ2为量力环在水平向施加的推力。这样就可以避免岩块发生翻转滑落。计算公式为

σ2+Gsinθ=(σ1+Gcosθ)tanφ

(3)

图2 双量力环法摩擦试验

为验证量力环法的可行性，在室内外进行了多组试验，并与自由滑落法进行了对比，对比结果见表1。从表1可知，本文的量力环法与自由滑落法测试结果相近，平均误差仅为4.38%，证明量力环法是可行的。

表1 试验结果对比

2 粘聚力及抗拉抗压强度测试

2.1 理论分析

基于现行测试方法存在的问题，本文提出一种方便快捷的岩石强度测试仪(见图3)。仪器主要由分离式千斤顶与一钢架组成。其中，钢架为正方形环架，上部留有空缺口，便于试样上推时发生剪切。

图3 岩石强度测试仪示意

图4为试验剪切时的受力分布。与现有抗切试验相比可知，2种试验方法下试样的受力情况一致，均在剪切面处受最大剪力和最大弯矩，因此本仪器在力学机理上是合理的，用于现场试验时可行的。粘聚力计算公式为

(4)

式中，c为岩块粘聚力；P为破坏荷载；b为岩块受剪截面宽度；h为受剪截面高度。

图4 试样受力分析

计算结果显示，若试样截面面积为600 mm2，岩块最大粘聚力为50 MPa，采用HRB245钢板制作钢架，钢架截面为50 mm×50 mm即可满足要求，仪器总质量约30 kg，在现场进行抗切试验极为方便，缺点是本仪器只能进行小样品试验，样品体积不能太大，但测试岩块的粘聚力已足够。

本仪器还可以进行抗拉强度测试，只需将千斤顶上部垫块换成棱柱体即可。岩块可以看作简支梁中部受集中荷载，跨中受最大弯矩[9]，在梁中性轴以上受拉应力，以下受压应力，可以认为试样是受拉破坏，破坏跨中的拉应力为

(5)

(6)

通过上述分析可知，本仪器可以用作岩块的粘聚力、抗拉强度的测试，且操作简单、便于携带，可以为现场的测试工作节省大量资金和人员的投入。此外，将本仪器的凹槽部分置于侧边，还可以进行岩石单轴抗压强度的测试，试样可取圆柱体，也可取长方体。

2.2 应用分析

本次试验选取苏州大阳山隧道工程中的石英砂岩来验证仪器的可行性。图5为制作完成后的整体仪器，包括钢架、千斤顶、压力表、手动泵以及高压管。

图5 岩石强度测试仪

图6为岩块剪切试验。试样沿预定位置剪断，说明本仪器的力学机理是正确的。本次试验共制样38组，每组取2～3个平行样，弱风化岩石10组，中风化18组，试件高2～4 cm，长10～15 cm，宽3～5 cm。测试中对弱风化岩石进分别行了粘聚力、单轴抗压强度及抗拉强度测试，中风化岩石进行了粘聚力、单轴抗压强度测试。试验过程中发现，当对强度较低的岩块进行抗拉强度测试时，试样破坏时压力表无法读数，指针只是轻微晃动。因此，本仪器不适用于强度较低岩石的抗拉强度的测试。

图6 试样剪切

粘聚力与抗压强度的关系见图7。从试验结果可知，弱风化岩块的粘聚力为7～14 MPa，单轴抗压强度为60～100 MPa，抗拉强度为1～6 MPa；中风化岩块的粘聚力为1～10 MPa，单轴抗压强度为20～60 MPa，试验结果可信度较高。其中，单轴抗压强度测试结果与室内岩石压力机测试结果基本一致。

图7 粘聚力与抗压强度的关系

图8、9为岩块的单轴抗压强度与粘聚力及抗拉强度的线性拟合结果。从拟合结果可以看出，粘聚力约为单轴抗压强度的0.15，抗拉强度约为抗压强度的25.70倍。从试验结果来看，本仪器完全可信可靠。单轴抗压强度、抗拉强度的测试比以往的试验手段方便快捷，如室内的大型压力机测试仪无法在现场应用，劈裂试验需要规则的球体或立方体试样，而本仪器试样只需将顶面与底面磨平即可。抗剪强度参数的测试仪器目前有变角板剪切仪、便携式剪切仪，这2种仪器均需规则的正方体试样，有时还需砂浆包裹处理，制样较繁琐。因此，本文提出的岩石强度测试仪有一定的实用优势，可以推广到岩石强度的现场测试中。

图8 粘聚力与抗压强度的关系

图9 抗拉强度与抗压强度的关系

本仪器采用试样为小试件，高度小于5 cm，在对岩体力学参数评价中存在不可避免的尺寸效应，严格来说本仪器是针对岩块进行的试验，因此应注意试样的选择，尽量选取具有代表性的岩块[10-12]。另外，在进行试验时，试件不可重复使用，也很难找出相同的试件来测试，因此没有研究试件尺寸对测试结果的影响[13-15]。关于这一问题，可以制作混凝土试块进行测试研究，这样就消除了试件性质不同对测试结果的影响，并以此建立试件尺寸对测试结果的影响，建立相关公式来修正测试结果。本文工作只是一种尝试，仍有很多工作有待加强。

3 结 语

本文提出了量力环法测试岩块摩擦角，还可以针对不同情况选择单量力环法及双量力环法。在试验过程中手动操作即可，如果试验时选择的岩块较大，手动无法推动时，可以采用拉动法，将岩块用钢丝绳捆绑再用量力环拉动岩块即可，经过与自由滑落法的对比发现其误差较小。

本文研制的便携式岩石强度测试仪可以对岩块的抗拉强度、抗压强度、粘聚力进行测试，制样过程简单，只需切割机和磨光机即可。不足之处为由于仪器较小，故仅能对小型岩块进行测量，但是抗压强度测试结果与现行方法基本一致，说明本仪器的测试值是可信的。另外，单轴抗拉强度与粘聚力的测试结果未能与现行方法进行对比，试件尺寸效应的影响等有待于进一步的研究。