岩石直接剪切试验残余强度浅析

刘 军

（河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050021）

1 概念

岩石直接剪切残余强度是指岩石在剪切破坏后，在自重应力或者其他应力作用下，还能保持稳定状态，所残存的剪切强度。本文主要以唐山马城铁矿100多组岩石残余强度试验为依据讨论岩石直剪试验的残余强度①刘 军.马城铁矿岩石物理力学试验成果[R].2011—2017.。

2 试验设备

岩石直剪试验采用长春市朝阳试验仪器有限公司生产的TAW-2000型微机控制岩石三轴剪切试验机，图1为岩石直接剪切试验机。

3 试验过程简述

先制取标准样品，一般每组样品制取φ50 mm×50 mm标准样5块，特殊情况可以增加。样品试验前后照片见图2。

对每块标准样施加预设好的不同的正应力，然后施加水平应力，达到峰值破坏后，继续剪断，至残余强度近似一条直线为止。其具体试验特点如图3所示。

图1 岩石直接剪切试验

剪力加载初期，曲线的斜率较小，剪应力增加缓慢；随着时间的增加，剪力增加的速率越来越快，斜率越来越大；在剪应力达到峰值强度时剪应力又急剧下降，曲线斜率急剧变陡，由正变负，产生了应力跌落的现象；剪应力下降到一定程度后，曲线斜率突然变缓，随时间的增加逐渐平缓，达到稳定，即为残余强度。

试验5组不同的竖向应力和剪切残余强度，根据库伦-摩尔定律，即

图2 样品试验前后照片

图3 剪力-时间关系曲线图

τ=σtanφ+c，求出残余强度，如图4。

图4 正应力-剪应力关系求解图

图中：σ为正应力；τ为剪应力；c为黏聚力；φ为内摩擦角，本图计算得c=1.57、φ=43.25。

4 残余强度特点

4.1 岩石剪切峰值强度和残余强度的关系

从图2和图3可以看出，在一组岩石剪切式样中，比如有5个试件，对某个试件而言，其对应着不同的竖向应力情况下，随着应力增加，峰值剪力也逐渐递增；其残余剪力也逐渐递增，只是其值要远小于峰值剪力，因此，在求解中，残余强度的参数指标要远小于峰值强度的参数指标。

图5为SK01-3干燥状态下岩石不同应力下岩石峰值剪力和残余剪力的关系曲线。

表1为马城铁矿微风化磁铁石英岩直剪强度表。从中可以看出，残余强度的参数指标较峰值强度参数指标下降明显。

图5 不同应力下岩石峰值剪力和残余剪力的关系曲线

对表1剪切参数进行统计分析见表2，从表中可以看出变异系数较小，均小于0.60，说明平均指标的代表性较好。因此，我们可以以平均值来进行分析数据的规律性。

表1 微风化磁铁石英岩直剪强度统计表

表2 微风化磁铁石英岩直剪强度分析表

从表2得，干燥状态下，残余强度黏聚力1.86 MPa与峰值强度黏聚力19.6 MPa相比，下降幅度达（19.6～1.86）/19.6×100%=90.5%，同理，内摩擦角下降34%；饱和状态下，残余强度黏聚力下降90%，内摩擦角下降31%。两种状态下的黏聚力和内摩擦角下降幅度非常相似，具有明显的规律性。

同理，在中等风化和微风化状态下，岩石残余强度也存在类似的规律。至于强风化岩石和全风化岩石，我们也可以进行如是推断，但由于相关数据较少，还有进一步佐证。

从而，我们可以得出以下结论：不同状态的岩石残余强度指标，与岩石的直剪峰值强度指标相比，呈有规律的递减。

岩石剪切峰值强度的黏聚力远远大于残余强度的黏聚力，这主要是由岩石的内在性质决定的，即当岩石达到峰值强度破坏时，起决定主要的是岩石自己的结构强度和内在强度，而残余强度的决定因素主要在于有正应力引起的摩擦力的大小。换句话说，岩石剪切强度的剪应力主要由黏聚力和摩擦力决定。当岩石达到峰值强度时，黏聚力达到最大，随着剪切试验的进行，黏聚力逐渐减小，当达到残余强度时，黏聚力几近于无，剪应力的大小主要由摩擦力承担。

从表2中可以看出，残余强度参数的方差值及标准差值远小于峰值强度的方差值及标准差值，一方面说明了残余强度参数值的波动性小，另一方面也从反面说明了，影响残余强度的主要在于摩擦力而不是黏聚力。

4.2 岩石含水率对其剪切残余强度的影响。

以表1的数据作为分析依据。对于微风化磁铁石英岩而言，由于其为非软化岩，含水率一般不超过1%，并且风化程度较低，软化系数较高。所以从理论上讲，岩石含水率对其力学参数（这里特指残余剪切参数）影响较小。

从试验数据上，通过表2，得出干燥残余强度参数和饱和残余强度参数的变异系数较小，所以，其平均值有较好的代表性。经计算，干燥残余强度的平均黏聚力从1.86 MPa，降到饱和残余强度的平均黏聚力1.53 MPa，降幅约18%；干燥残余强度的平均内摩擦角41.0°，降到饱和残余强度的平均内摩擦角39.3°，降幅约4.1%。

对于马城铁矿的其他风化程度的不同岩石，经计算和分析，也有类似的规律，降幅略有不同，这里不再赘述。

这里以干燥状态和饱和状态作为分析对象，是因为他们代表了岩石的两个含水率的极端情况，实际试验中，干燥状态和饱和状态最好控制，也最容易实现，并且具有代表性。而中间的其他含水率的状态，均较难实现。

因此，对同一个地区同等岩性同等风化程度同一组岩石而言：干燥状态下的剪切残余强度，其c、φ值相比饱和状态要偏大。我们可以推断，当岩石从干燥状态向饱和状态过度时，随着含水率的增加，软化作用越来越强烈，因而，其剪切残余强度的黏聚力和内摩擦角会逐步减小，这符合一般剪切性试验的规律。

对比常用的三种岩石状态：剪切残余强度的c、φ值，干燥状态最大，天然状态次之，饱和状态最小。这也符合一般岩石力学性质的规律性。

这里需要注意一点：本文所述含水率对残余强度影响，主要指非软化岩石，如遇软化岩类，理论上，随着含水率的增大，其c、φ值降幅应更多。由于此类残余试验较少，还需进一步佐证。以本人多年岩石试验经验，软化岩由于软化程度不一，随着含水率增加，残余强度的c、φ值降幅离散性较大。

4.3 岩石风化程度对其剪切残余强度的影响

这里主要以混合花岗岩为例，来阐述风化程度对剪切强度的影响，具体参考数值见表3。

表3 同一岩性（以混合花岗岩为例）不同风化状态直剪残余强度表

对表3的残余强度数据进行统计后，得表4。

表4 同一岩性（以混合花岗岩为例）不同风化状态直剪残余强度（平均值）统计表

从表4可以看出，总体趋势上，从中等风化-微风化-未风化的过程中，剪切残余强度的c、φ值，无论干燥状态还是饱和状态，是逐渐增大的，增大幅度较小。这是由于影响剪应力大小的主要因素是摩擦力，而在同等正应力下，由于风化程度不同而产生的摩擦力的不同，其变化幅度较小。最后体现在c、φ上，c、φ的变化幅度也较小。

尽管如此，岩石风化程度对其剪切残余强度的影响，依然具有规律性：岩石随着风化程度的减小，即岩质越新鲜，剪切残余强度的相关参数有增大的趋势。

4.4 同种风化程度不同岩性岩石残余强度的比较

在表5中，列举了46组微风化不同岩类的残余强度指标比较。从中，可以看出，对于马城铁矿这一区域性质的不同岩石，其微风化状态下的残余强度值趋于一致。

在这里需说明一下：我们用来比较的岩石需性质相近，即：位置、成因、物理、力学、发育等基本一致。比如不能把单轴强度是20 MPa的岩石和100 MPa岩石进行比较，也不能把岩浆岩和沉积岩去比较，因为这样比较就没有意义了，因此，我们可以对某一区域性质相近的岩石作出类似的推断：其岩石其残余强度值也趋于一致。

表5 不同岩性微风化状态直剪强度（平均值）统计表

5 结语

1）由于本次参考资料主要为马城铁矿的中等风化、微风化、未风化岩类，相关结论主要以此得出，其代表性范围相对较小，其规律性和适用性，还有待其他相关的试验来进一步证明。

2）岩石剪切峰值强度和残余强度的关系，前者大于后者是必然的。前者与后者的比值，随着风化程度的从小到大，逐步减小也是必然的；具体比值，不同的岩类，不同地区的同一种岩类，可能都不一致，这里只是指出了一种趋势，为大家提供一种参考。

3）本文仅列举了残余强度的几个影响因素。其实，除此之外，岩石的密度、结构、比重、单轴抗压强度值等都会影响其残余强度值。此外，不同的设备、不同的试验方法、样品的大小等也会直接或间接影响残余强度值。

总之，岩石的内在性质是决定岩石残余强度的最主要因素，其他因素最终也是通过影响其内在岩性来影响其残余强度。由于关于岩石残余强度的研究较少，本文主要起抛砖引玉的作用，希望能在实际工程中起到参考作用。