预留缝宽度对大理岩直剪试验结果的影响

陈红丽, 曾亚武*, 刘 伟

(1.武汉大学土木建筑工程学院,武汉 430072；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

岩石抗剪强度参数的选取对岩质边坡稳定性分析、边坡加固设计、隧道开挖分析等至关重要[1]。由于不同岩石的抗剪强度参数千差万别,针对特定的工程地质条件,开展室内试验获取岩石抗剪强度参数是必不可少的。岩石直剪试验是测定岩石抗剪强度参数最直接的方法,应用广泛[2]。然而岩石直剪试验虽然原理简单,但操作复杂,影响因素较多。其中,试样尺寸、形状、加载条件以及试验加载方式等因素均会显著影响试验结果[3]。因此,为了获取准确的岩石抗剪强度参数,中外学者针对岩石直剪试验方法开展了大量研究工作,取得了丰富的研究成果。

在试样形状方面,孙强等[4]对圆柱形、长柱形样品的剪切试验进行了分析,得到了两种形状剪切面面积和应力的修正方程。加载条件方面,许江等[5]开展了砂岩在不同剪切速率条件下的破坏试验,发现随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低。在加载方式方面,为了比较平推法和斜推法对剪切面的应力和变形分布情况,尹菲[6]对黄河小浪底水库黏性岩和砂岩进行了室内中型剪和直剪仪试验,得到结论，斜推法切面应力分布较平推法要均匀,故认为斜推法比较好。在试样尺寸方面,直剪试验中的标准试样是边长为150 mm的立方体或者直径不小于150 mm的圆柱体[7]。李银平等[8]、姚院峰等[9]、衡帅等[10]针对取得的非标准尺寸岩芯试样的处理方法是将岩样放入150 mm×150 mm×150 mm的模具中间,然后在周围浇筑高强混凝土,试样中间受剪部分预留10 mm的无强度预留缝。然而这种预留缝处理方式对试验结果的影响并未经过严格的证实,而被室内试验大量使用。这种预留缝的存在使得剪切面上可能存在拉应力,剪切面受力状态显著偏离纯剪应力的应力状态,导致测量得到不真实的抗剪强度参数,从而严重影响岩石工程设计及施工的安全性。基于以上问题,采用大理岩制成同直径、不同高度的圆柱形试样,对其开展直剪试验,研究预留缝宽度对岩石直剪试验结果的影响,以期为岩石直剪试验方法的改进提供一定的借鉴。

1 试验概况

1.1 试验方案

试验在YZW50型微机控制电动应力式直剪仪上进行,直剪试样的受力如图1所示。试验基本步骤为:①设置好加载控制参数,将试样固定在剪切夹具内；②以0.2 kN/s的加载速率施加法向应力至目标值；③维持法向应力不变,以位移控制的方式施加水平剪切力,速度控制为0.01 mm/s；④待剪应力达到残余强度,并趋于稳定后终止试验。

图1 直剪试样受力Fig.1 Force of straight shear specimen

直剪试验的法向应力σn和剪切应力τ分别表示为

(1)

式(1)中:P为法向压力,N；Q为剪切力,N；A为试样实际横截面面积,mm2。

1.2 试样制备

试样选用大理岩材料，颜色为白色,结构致密、质地均一、无明显节理构造。它属于典型的变质岩,主要矿物成分为方解石、白云石和菱镁矿,主要化学成分是Ca和Mg。经过试验测定,所选用的大理岩单轴抗压强度为60.7 MPa。

试验采用定制的直径为50 mm的直剪夹具(图2),夹具的总厚度为40 mm。将钻取的直径为50 mm的圆柱形大理岩岩心分别制成尺寸为φ50 mm×42 mm、φ50 mm×45 mm、φ50 mm×50 mm、φ50 mm×60 mm(尺寸误差±0.02 mm)的直剪试样,每组各5个试样,分别施加10、15、20、25、30 MPa的法向应力。试样放入剪切夹具内,上、下剪切夹具之间的预留缝的宽度分别为2、5、10、20 mm。为了保证试样的加工精度,在钻取岩心后,首先将其切割为高于试验设计高度1～2 mm的试样,然后用砂纸打磨两端,并同时用游标卡尺测量试样高度,直至满足试验的尺寸要求。试样采用“S+预留缝宽度+法向应力”的命名方式,例如“S2-15”代表预留缝宽度为2 mm的试样在15 MPa法向应力下进行直剪。

图2 直剪试样及夹具Fig.2 Straight shear specimens and fixtures

2 试样破坏形态分析

表1给出的是在10 MPa法向应力下,不同预留缝宽度试样的直剪破坏形态,同时,对直剪试样的上盘进行了三维激光扫描,并采用逆向工程软件Geomagic对扫描的点云数据进行了模型重现。

表1 各组试样的直剪破坏形态Table 1 Straight shear failure pattern of each sample

(1)由表1中的剪切破坏正视图可知,在试验预留缝宽度较小时(如S2),试样剪切破坏面的正视图近似为一条直线。随着预留缝宽度的增大,试样剪切破坏面正视图逐渐变成由3段近似直线构成的折线(如S20)。在此变化过程中,剪切断裂面上的拉应力影响逐渐增强,试样内部受拉破坏的范围也越来越大。

(2)通过观察表1中的剪切断面俯视图和三维激光扫描图可知,随着试验预留缝宽度的增加,试样剪切断裂面由水平曲面,逐渐变为倾斜曲面,而且倾斜的角度随着预留缝宽度的增加而增大。同时,在仔细观察了剪切断裂面后发现,试验预留缝宽度较小的试样(如S2、S5),剪切断裂面上有较多的白色粉末状物质,且有明显的摩擦痕迹,擦痕与剪切方向一致,且在断裂面上几乎没有完好的晶粒,都产生了不同程度的损伤、破坏。这些说明在剪切过程中,发生了较多的“摩擦”“爬坡”和“凸起剪断”现象。当预留缝宽度增大时(如S10、S20),剪切断裂面上白色粉末状物质较少,大多数试样都有一些碎小的大理岩颗粒掉落,而且剪切断裂面上的完整晶体颗粒较多,这些特征说明试样在剪切过程中,断裂面之间的摩擦作用较少,大部分部位是受拉破坏的,没有发生“爬坡”和“凸起剪断”等现象。通常岩石的抗拉强度都比较低,这也就造成了在相同法向应力下,随着试验预留缝宽度的增加,试验获得的大理岩峰值抗剪强度逐渐降低,内摩擦角也逐渐降低。

3 抗剪强度分析

S2在不同法向应力下,大理岩试样直剪的剪应力与切向位移关系曲线如图3所示。由图3可知,大理岩剪切破坏表现为脆性特征,且试样结果总体趋势基本相似。图4所示为在法向应力为30 MPa下,不同预留缝宽度试样的剪应力与切向位移曲线。表2给出了同直径、不同预留缝宽度下大理岩试样的峰值抗剪强度。

图3 不同法向应力下试样的剪应力-切向位移曲线Fig.3 Shear stress-shear displacement curves of specimens under different normal forces

图4 不同预留缝宽度下大理岩剪应力-切向位移曲线Fig.4 Shear stress-tangential displacement curve of marble under different reserved gap width

表2 大理岩直剪试验结果

由图3、图4及表2可知,试验预留缝宽度与法向应力均对试样的剪应力-切向位移关系曲线和峰值抗剪强度有较大影响,主要体现在以下几方面。

(1)在加载初期剪应力增加比较缓慢,曲线斜率较小,且呈上凹型,直到切向位移达到一定值(约0.5 mm)后剪应力曲线斜率才明显增大。这是因为剪切夹具与试样之间存在有一定的间隙,在初期施加的剪切力对其起到了挤密作用[10]。

(2)在4种预留缝宽度下,大理岩试样的峰值强度均与法向应力成正相关,即法向应力越大,峰值抗剪强度越高,这符合岩石材料直剪试验的基本规律。

(3)由图4可知,法向应力为30 MPa下,预留缝宽度较小(S2)时,剪应力随切向位移增长的速率较快,达到峰值强度后迅速下降；预留缝宽度较大(S5、S10、S20)时,随着切向位移的增加,剪应力增加较缓,且到达峰值强度后维持了一段平台期才开始减小。

图5 大理岩峰值抗剪强度随预留缝宽度变化曲线Fig.5 Curve of peak shear strength of marble with width of reserved gap

(4)图5是根据表2的试验结果绘制而成。可以看出,在相同法向应力下,试样峰值抗剪强度随预留缝宽度增加而减小,同时峰值抗剪强度与预留缝宽度的关系曲线斜率逐渐减小,代表随着试样预留缝宽度的增大,其峰值抗剪强度减小的速率逐渐降低。试样预留缝宽度越大,岩石的破坏形态(表1)也在逐渐从剪切破坏过渡到以拉伸为主的破坏,测得的峰值抗剪强度已不再是岩石的抗剪强度,出现较大误差。由此可见,试样预留缝宽度的取值对岩石直剪试验结果会产生较大影响,目前对于岩石直剪试验上下剪切盒之间的距离没有明确规定,因此在岩石直剪试验中为减小误差应尽可能减小预留缝宽度。

4 抗剪强度指标分析

直剪试验的理论基础是摩尔库仑准则:法向应力较小时,抗剪强度与法向应力近似呈一次线性关系,即

τ=σntanφ+c(2)

式(2)中：φ、c分别为剪切破坏面上的内摩擦角和黏聚力。利用表2的试验结果作散点图,并进行线性拟合(图6),求得不同预留缝宽度下,大理岩剪切破坏面上的c、φ值(表3)。

图6 大理岩的抗剪强度曲线Fig.6 Shear strength curve of marble

表3 不同预留缝宽度下试样的抗剪强度参数

由图7可知,随着试样预留缝宽度的增加,大理岩试样剪切破坏面上的黏聚力整体上呈增加趋势,但是增加的幅度较小,且在高度为45 mm和50 mm时比较接近。

图7 大理岩抗剪强度参数随预留缝宽度变化曲线Fig.7 Curve of shear strength parameters of marble with width of reserved gap

而内摩擦角受试样预留缝宽度的影响明显较大,其随试样预留缝宽度的增加而减小,且整体变化幅度很大。岩石的内摩擦角是由内部颗粒间接触面的粗糙不平以及颗粒间发生相对位移而引起的[11],当试样预留缝宽度较小(S2、S5)时,在剪切过程中试样局部破坏发生后,剪切带之间颗粒的相互嵌入和咬合作用较为显著,随着切向位移的增加,剪切破坏面上也会产生较多的“爬坡”和“凸起剪断”现象,这共同造成了试样在法向应力作用下具有较高的摩擦强度；而剪试样高度较大(S50、S60)时,其破坏形态决定了在剪切过程中相互嵌入和咬合作用发生的概率会很小,因此摩擦强度也会相对较低。

5 结论

采用自制的同直径、不同高度的大理岩试样,开展直剪试验,研究了试样预留缝宽度对岩石抗剪强度的影响规律,分析了不同高度试样在剪切作用下的破坏形态,得出的主要结论如下。

(1)法向应力一定时,随着试样高度的增加,试样剪切破坏的正视图由一条直线逐渐变成了3段折线,剪切断裂面由水平曲面逐渐变为了倾斜曲面,试样内部主导破坏的应力由剪应力逐渐变为拉应力。

(2)在同一法向应力下,大理岩试样预留缝宽度越大,所测定的峰值抗剪强度值越小。因为随着预留缝宽度的增大,岩石的破坏形态逐渐从剪切破坏过渡到以拉伸为主的破坏,通常岩石的抗拉强度都比较低。

(3)随着大理岩预留缝宽度的增加,剪切破坏面上的黏聚力呈增加趋势,但较为平稳,而内摩擦角则很明显的是随着试样高度的增加而减小,变化幅度较大。

由此可见,试样预留缝宽度的取值对岩石直剪试验结果会产生较大的影响。目前对于岩石直剪试验上下剪切盒之间的距离没有明确规定,因此,在岩石直剪试验中应尽可能减小预留缝宽度。