原 野 王 賀 于世波,4 黃 丹

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京102628；3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；4.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083)

工程巖體的失穩(wěn)與結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、發(fā)育位置、產(chǎn)狀、組合特征及其工程性質(zhì)有著十分密切的內(nèi)在聯(lián)系,只要工程巖體中存在著不利的結(jié)構(gòu)面構(gòu)成軟弱的地質(zhì)界面或分割面,工程巖體就失去了其完整性和連續(xù)性,就有可能沿著這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形破壞。分析兩種常用的工程巖體分類方法RMR分類和Q系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),在RMR分類中“結(jié)構(gòu)面”因素占75%,而Q系統(tǒng)中幾乎所有六個(gè)分類要素均與結(jié)構(gòu)面相關(guān)[1-4]。鄧宜明和李堅(jiān)詩(shī)的調(diào)查資料顯示,大瑤山隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的29次塌方,有22次塌方與結(jié)構(gòu)面有關(guān),占塌方總數(shù)的75.9%。郭志列舉了三峽水庫(kù)壩基、小浪底水庫(kù)左壩肩、法國(guó)的布澤壩等13個(gè)國(guó)內(nèi)外著名工程受結(jié)構(gòu)面影響的實(shí)例[5-12]。

總而言之,大多數(shù)工程巖體的失穩(wěn)以結(jié)構(gòu)面的剪切破壞為主,因此結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度就成為影響工程巖體穩(wěn)定的決定性因素,結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度確定方法的研究具有十分重大的工程實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用的巖體取自華興鋁土礦，取樣深度為836～1 140 m，所取巖塊屬于石炭系中統(tǒng)本溪組一段中下部，主要由鐵質(zhì)黏土巖、硬質(zhì)耐火黏土礦及黏土巖等組成。將現(xiàn)場(chǎng)獲取的巖體密封包裝后運(yùn)回試驗(yàn)室，由于破碎巖體試樣得之不易，試樣存在不同程度的缺陷，無(wú)法制作標(biāo)準(zhǔn)的試樣。將按以下步驟重建不規(guī)則試樣。

表1 重建試樣基本參數(shù)

1)選取有明顯節(jié)理裂隙，但未破壞的巖體試樣，巖體的長(zhǎng)寬高最大值控制在70 mm以內(nèi)。

2)將不規(guī)則試塊放入70 mm的標(biāo)準(zhǔn)模具中，將環(huán)氧樹(shù)脂倒入模具中，盡量避免氣泡的產(chǎn)生。

3)靜置。放置于平整處，室溫靜待，等待試樣凝固。然后，將試樣翻轉(zhuǎn)，取下模具，再澆筑一次，仍等待試樣凝固。最后脫模完成試樣制作，見(jiàn)圖1。

4)加工打磨。將脫模得到的試樣進(jìn)行加工打磨，對(duì)于細(xì)小的氣泡等引起的微小瑕疵可以采用另外配樹(shù)脂補(bǔ)救。

5)在制作試樣過(guò)程中，要測(cè)量剪切面的形狀,求出剪切面面積并做好標(biāo)記?？丛嚇幼罱K是否在預(yù)定的剪切面破壞。

圖1 澆筑環(huán)氧樹(shù)脂后的試樣Fig.1 Typical specimens after poured epoxy resin

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

該試驗(yàn)設(shè)備為數(shù)字控制式伺服試驗(yàn)機(jī)，可全程自動(dòng)記錄剪切方向、法向受力等數(shù)據(jù)，作用在剪應(yīng)力和正應(yīng)力的計(jì)算：

(1)

式中：τ為剪應(yīng)力；σ為正應(yīng)力；P為破壞荷載；A為試樣剪切面面積；α為試樣放置角度(變角板角度,單位為度)；f為滾軸摩擦系數(shù)。

試驗(yàn)基本步驟為：1)試樣描述及尺寸測(cè)量：試件的描述應(yīng)包括巖體名稱、顏色、主要特征、風(fēng)化程度；試樣節(jié)理裂隙及其與加載方向的關(guān)系；試件在制備過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題；試件尺寸(制作試樣過(guò)程中剪切面的面積)等。2)安裝試樣：將變角板剪切夾具放在壓力機(jī)承壓板之間,應(yīng)注意使夾具的中心與壓力機(jī)的中心線相重合, 然后通過(guò)更換夾具使變角板達(dá)到所要求的角度,將試樣安裝于變角板內(nèi)。3)加載：開(kāi)動(dòng)壓力機(jī)，使剪切夾具與壓力機(jī)承壓板接觸上，以每秒0.5～0.8 MPa的加荷速率加荷，直至試件破壞,記錄破壞荷載P。4)破壞試樣描述：取出被剪壞的試件進(jìn)行描述，內(nèi)容包括破壞面的形態(tài)及破壞情況等。5)重復(fù)試驗(yàn)：變角板夾具的角度,一般在45°～70°內(nèi)選擇，以5°或者10°為間隔重復(fù)上述步驟取得不同角度下的破壞荷載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)破壞情況

重建試樣的剪切破壞是在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力雙重應(yīng)力作用下產(chǎn)生的結(jié)果，使其內(nèi)部已有裂隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展、連通。試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)部分重建試樣已經(jīng)破裂，這主要是由于試樣在外力作用下不僅在法向產(chǎn)生了剪脹破壞，而且在側(cè)向也有明顯的膨脹。同時(shí)試樣在破壞后，其剪切位置產(chǎn)生大量散體，且破壞范圍發(fā)現(xiàn)明顯擴(kuò)大，說(shuō)明試樣的剪切破壞不僅僅發(fā)生在一個(gè)面，而是發(fā)生在一個(gè)近似于破碎帶的范圍。重建試樣破壞前后對(duì)比見(jiàn)圖2。

2.2 剪向應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

不同剪切角作用下的試樣剪向應(yīng)力與剪切位移的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。不同法向力作用下試樣都表現(xiàn)出不同程度的剪切特性，隨著法向力的減小，剪脹特性有強(qiáng)化的趨勢(shì)，同時(shí)也可以看出對(duì)比一般巖石試樣，剪脹現(xiàn)象明顯。

圖2 重建試樣破壞前后對(duì)比圖Fig.2 Comparison chart before and after remodeling of the sample

表2 重建試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，所有剪切試驗(yàn)的試樣發(fā)現(xiàn)破壞時(shí)都發(fā)生了突變，這是由于結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞是一個(gè)突變過(guò)程。另外，在剪切角度30°、45°、60°的不同情況下，所有曲線的剪切峰值大小較為接近，由圖3可知，應(yīng)力呈線性分布。最終破碎巖體結(jié)構(gòu)面的黏聚力為1.95 MPa，內(nèi)摩擦角為23.26°。

圖3 剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖Fig.3 Relationship between shear stress and normal stress

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)華興鋁土礦的破碎巖體試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，得到其剪切強(qiáng)度。說(shuō)明這種確定方法適用于華興鋁土礦，能夠在試樣存在缺陷的情況下對(duì)其進(jìn)行重建，達(dá)到試驗(yàn)要求，最終得到了破碎巖體結(jié)構(gòu)面的黏聚力為1.95 MPa，內(nèi)摩擦角為23.26°。

2)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，多組試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性好，反映出這種確定方法是可行的，滿足了現(xiàn)場(chǎng)破碎巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的測(cè)定要求。