張 磊， 黃正均， 劉 鈺

(北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法研究

張 磊， 黃正均， 劉 鈺

(北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度是影響巖體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。根據(jù)Jaeger單一結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度理論,巖石三軸剪切破壞面上的受力情況可看作巖石單一結(jié)構(gòu)面剪切,利用巖石三軸壓縮剪切破壞后的殘余變形試驗(yàn)方法與巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法對(duì)比分析,得出巖體剪切面的抗剪強(qiáng)度。

巖體; 結(jié)構(gòu)面; 抗剪強(qiáng)度

在巖體工程中,影響巖體的穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究分析表明,研究軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度比研究巖體的抗剪強(qiáng)度更為重要,國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)提出把巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定為重力壩、拱壩、巖質(zhì)邊坡、大型地下結(jié)構(gòu)等工程祥勘階段必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目[1];在我國(guó)巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)也列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266—99)中的4.1詳細(xì)說(shuō)明了巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法與要求。

1 直剪試驗(yàn)計(jì)算公式及試驗(yàn)設(shè)備

巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)主要采用直接剪切的方法,即在結(jié)構(gòu)面上施加一組正應(yīng)力與剪應(yīng)力來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度[2];對(duì)于軟弱巖石,在施加載荷前需要用水泥砂漿等膠凝材料澆筑保護(hù)套,然后再施加載荷。圖1為巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)設(shè)備及試樣澆注模型。

試驗(yàn)分為平推法與斜推法兩種,其計(jì)算公式如下:

圖1 巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)設(shè)備及試樣澆注模型

(1) 平推法計(jì)算公式:

(1)

式中:P為作用于剪切面上的總法向載荷,N;Q為作用于剪切面上的剪切載荷,N;σ為作用于剪切面上的法向應(yīng)力,MPa;τ為作用于剪切面上的剪向應(yīng)力,MPa;A為剪切面積,mm2。

(2) 斜推法計(jì)算公式:

(2)

式中:α為剪切面的水平夾角,(°)。

根據(jù)各階段法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn),利用最小二乘法擬合關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)確定巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。

巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法在試驗(yàn)過(guò)程中存在有以下一些的局限性[3]:

(1) 試樣制備時(shí)間長(zhǎng)、精度低。巖體軟弱結(jié)構(gòu)面試件需要使用水泥砂漿等膠凝材料澆注到剪切盒中,且等待水泥砂漿等膠凝材料凝固,這需要很長(zhǎng)一段時(shí)間;同時(shí)在澆注試件時(shí),由于人工澆注導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面之間存在有一定的配合誤差。

(2) 施加載荷受限于膠凝材料強(qiáng)度或巖石與膠凝材料的握裹力。大部分人工配制的膠凝材料其強(qiáng)度低于天然巖石強(qiáng)度,在試驗(yàn)過(guò)程中所施加的法向載荷或剪切載荷超過(guò)膠凝材料強(qiáng)度,或是巖石與膠凝材料的交界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致膠凝材料發(fā)生開(kāi)裂或破壞,導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行,或是膠凝材料和巖石試件之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)等情況,影響試驗(yàn)結(jié)果。

(3) 膠凝材料變形對(duì)于試驗(yàn)精度的影響。在試驗(yàn)中要記錄剪切位移和法向位移,因?yàn)樵嚰車(chē)鷿沧⒂心z凝材料,在施加載荷時(shí),膠凝材料也會(huì)發(fā)生位移,這部分位移也被記錄在巖體結(jié)構(gòu)面的剪切位移和法向位移中,降低了試驗(yàn)的精度。

2 巖石三軸剪切破壞殘余變形分析

巖石三軸壓縮下會(huì)發(fā)生剪切破壞,其強(qiáng)度準(zhǔn)則[2-4]為

(3)

式中:c為巖石的黏結(jié)力,MPa;φ為巖石的摩擦角,(°);

巖石在極限應(yīng)力條件下剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可用主應(yīng)力σ1和σ3表達(dá)為:

(4)

(5)

式中:σ1為最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力,MPa;α為剪切面與水平方向的夾角(°)。

將(4)、(5)式代入(3)式,可以得出剪切面上的用主應(yīng)力σ1和σ3表達(dá)式:

(6)

將(6)式對(duì)α求導(dǎo),令一階導(dǎo)數(shù)為零,可以求出最大主應(yīng)力的極小值,即巖石發(fā)生剪切破壞的角度為

(7)

其物理意義是巖石在角度為α的剪切面上受最大剪應(yīng)力,并沿角度為α的剪切面發(fā)生剪切破壞。巖石在三軸壓縮條件下發(fā)生破裂后,巖石試件產(chǎn)生宏觀(guān)裂隙,該宏觀(guān)裂隙的角度為α,繼續(xù)加載時(shí)巖石的應(yīng)力不再增長(zhǎng)而應(yīng)變逐步增加,將會(huì)沿破裂面發(fā)生滑動(dòng)變形,即巖石的殘余強(qiáng)度階段[5-9]。圖2為巖石三軸壓縮剪切破壞及殘余變形曲線(xiàn)。

圖2 巖石三軸壓縮剪切破壞及殘余變形曲線(xiàn)

如果在殘余變形的條件下,改變巖石三軸壓縮的最小主應(yīng)力σ3,那么巖石三軸壓縮的最大主應(yīng)力σ1也會(huì)發(fā)生改變,同時(shí)作用在這個(gè)剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力也會(huì)發(fā)生改變,根據(jù)公式(4)、(5)可以計(jì)算出剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力[11-15],所以通過(guò)最小主應(yīng)力σ3的改變可以得出不同的最大主應(yīng)力σ1,即可以得出此巖石剪切破壞后該剪切面的抗剪強(qiáng)度。

3 兩種試驗(yàn)方法的對(duì)比

在某巖質(zhì)邊坡工程中取得粗砂巖樣品進(jìn)行平行對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266—99)進(jìn)行;其中一組是粗砂巖結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn),另外一組是粗砂巖三軸壓縮試驗(yàn)。

直剪試驗(yàn)：取粗砂巖結(jié)構(gòu)面試樣3個(gè),分別按照0°、5°、10°角度澆注在剪切盒中,養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)施壓的正應(yīng)力不宜過(guò)大(避免引起膠凝材料破壞),正應(yīng)力分0.2、0.4、0.8、1.2kPa4級(jí)施加,根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算剪切面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力,利用最小二乘法擬合得出巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。

三軸壓縮試驗(yàn)：取粗砂巖的完整巖芯加工成5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)巖石樣品,進(jìn)行不同圍壓下的三軸試驗(yàn),得出完整巖石的抗剪強(qiáng)度,同時(shí)從三軸試驗(yàn)剪切破壞后的樣品中選取一個(gè)樣品進(jìn)行巖石剪切面三軸壓縮殘余變性試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程如下:

(1) 將剪切破壞后的巖石試樣沿著剪切面打開(kāi),恢復(fù)巖石原始狀態(tài);

(2) 將試樣放入巖石三軸壓力腔內(nèi),試驗(yàn)的方法與巖石三軸壓縮試驗(yàn)一樣,施加一級(jí)圍壓,進(jìn)行巖石三軸壓縮剪切面殘余變形試驗(yàn),記錄巖石的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù);

(3) 一級(jí)圍壓下試驗(yàn)結(jié)束,取出試樣,重復(fù)第1步和第2步,加下一級(jí)圍壓完成試驗(yàn),直至所設(shè)定各級(jí)圍壓全部完成。

本次試驗(yàn)圍壓分5級(jí)進(jìn)行,分別為1、4、8、15、20MPa,試驗(yàn)記錄巖石的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù),根據(jù)公式(7)、(8)、(9)計(jì)算得出巖石剪切面的抗剪強(qiáng)度。

(8)

(9)

(10)

式中:c為巖石的黏聚力,MPa;φ為巖石的內(nèi)摩擦角,(°);σc為1與3關(guān)系曲線(xiàn)縱坐標(biāo)的應(yīng)力截距,MPa;M為1與3關(guān)系曲線(xiàn)的斜率。

或根據(jù)公式(4)、(5)計(jì)算出剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,利用最小二乘法擬合得出巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。

兩種試驗(yàn)方法得出的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,兩種試驗(yàn)方法得出的抗剪強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

表1 兩種試驗(yàn)方法對(duì)比分析計(jì)算表

圖3 兩種試驗(yàn)方法抗剪強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)

4 試驗(yàn)結(jié)論

本文提出的利用巖石三軸剪切破壞后殘余變形試驗(yàn)方法來(lái)計(jì)算巖體單一結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度,該方法基于Jaeger單一結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度理論,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析得出如下結(jié)論:

(1) 巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)方法中的平推法與斜推法相比,結(jié)構(gòu)面摩擦角基本一致,而黏聚力隨著角度的增加略有增加,因?yàn)榻嵌忍岣吆?巖體結(jié)構(gòu)面之間咬合作用增加而導(dǎo)致;

(2) 兩種試驗(yàn)方法得出的試驗(yàn)結(jié)果中內(nèi)摩擦角一致,黏聚力結(jié)果相差較大,剪切面三軸壓縮試驗(yàn)所得黏聚力大于剪切面直接剪切試驗(yàn)所得黏聚力,判斷是剪切面三軸壓縮試驗(yàn)在剪切面上所產(chǎn)生的正應(yīng)力遠(yuǎn)大于剪切面直接剪切試驗(yàn)在剪切面上所施加的正應(yīng)力,在剪切面上發(fā)生巖石礦物晶體交錯(cuò)鑲嵌現(xiàn)象,黏聚力提高,這種現(xiàn)象符合巖質(zhì)邊坡破壞滑動(dòng)過(guò)程中巖層交錯(cuò)現(xiàn)象;

(3) 剪切面三軸剪切破壞后殘余變形試驗(yàn)方法施加載荷不受限于水泥砂漿等膠凝材料的強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間等條件的約束,試驗(yàn)方法快捷方便。

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Study of direct shear test method of rock mass structure

Zhang Lei, Huang Zhengjun, Liu Yu

(School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology, Beijing 100083,China)

Rock joint shear strength is an important parameter affecting the stability of rock masses.According to the strength of Jaeger single plane theory, the rock triaxial shear failure force on the surface can be considered as a single structural plane shear rock, the rock compressive shear failure after using comparative analysis of the triaxial deformation test method and the rock mass structural plane direct shear test method, obtains the shear plane shear strength.

rock mass; joint; shear strength

2015- 02- 03

張磊(1981—)，男，河北保定，碩士，工程師，研究方向?yàn)閹r土工程.

E-mail：13810174099@163.com

TU455

A

1002-4956(2015)6- 0055- 04