試驗(yàn)探究巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

宗靜，熊穗，潘海利

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

試驗(yàn)探究巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

宗靜*，熊穗，潘海利

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

巖石單軸抗壓強(qiáng)度一方面可為勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)和各類工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參數(shù)和資料，另一方面可為施工階段的實(shí)體工程選用符合質(zhì)量要求的石料提供依據(jù)，因此研究巖石的單軸抗壓強(qiáng)度具有重要的工程意義。通過平推法巖石直剪試驗(yàn)，獲得內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角Φ，通過分析內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角Φ隨單軸抗壓強(qiáng)度的變化特點(diǎn)，得出抗剪強(qiáng)度參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，為實(shí)際工程提供參考和輔助，具有重要指導(dǎo)意義。

內(nèi)聚力；內(nèi)摩擦角；單軸抗壓強(qiáng)度；平推法直剪試驗(yàn)

1 前 言

巖石抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力，叫抗剪強(qiáng)度[1]。在實(shí)際工程中巖石是處在復(fù)雜的受力狀態(tài)中。而工程巖體的破壞往往不是簡(jiǎn)單的壓碎和拉裂，而是在復(fù)雜的受力作用下的剪切破壞。因此，研究巖石的抗剪強(qiáng)度及測(cè)試方法，比研究巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度更有意義[2]。

巖石的抗剪強(qiáng)度用摩擦角(Φ)和內(nèi)聚力(c)表示。結(jié)合巖石受力、破壞情況可把巖石強(qiáng)度分為抗剪斷強(qiáng)度(c、Φ)、抗剪強(qiáng)度和抗切強(qiáng)度(c)[3]。內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角Φ，測(cè)定它們的值的方法很多，如現(xiàn)場(chǎng)大型直剪、室內(nèi)中型直剪、變角剪等。通過室內(nèi)直剪應(yīng)力控制式的平推法直剪試驗(yàn)，得出內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角Φ，通過分析內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角Φ的變化特點(diǎn)，可以使巖石試驗(yàn)和巖體運(yùn)動(dòng)成為一個(gè)連續(xù)過程，探究巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，使巖石試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)可用于巖石工程設(shè)計(jì)，具有指導(dǎo)意義和參考意義。

2 試驗(yàn)分析

2.1取樣的位置及地理情況

本次試驗(yàn)的樣品取自南京地鐵五號(hào)線D5-XK04標(biāo)沿線的巖石樣品。

場(chǎng)地下伏基巖層面埋深變大體由東往西逐漸加深。場(chǎng)地基巖為白堊系和侏羅系沉積巖，巖性包括：泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖以及含礫砂巖，巖體完整性亦有差異，局部巖體較破碎。場(chǎng)地下伏基巖層面埋深變化較大，埋深在 5.3 m～60.0 m。具體巖層的埋深如下：

(1)砂礫巖(取樣深度8.0 m～60.0 m)

(2)粉砂巖(取樣深度：17.2 m～33.9 m)

(3)粉砂質(zhì)泥巖(取樣深度：17.7 m～50.0 m)

2.2試樣的制備和試驗(yàn)方法[4]

2.2.1 試樣的制備

本次試驗(yàn)的樣品為原柱型芯樣，直徑在 7.5 cm～9.0 cm之間，制成的試樣高、徑比為1∶1左右。

2.2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的試驗(yàn)方法為平推法巖石直剪試驗(yàn)

(1)巖石試件要求

①取樣應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)采取試件，在采取、運(yùn)輸和制備過程中，應(yīng)防止產(chǎn)生裂縫和擾動(dòng)。

②每組試驗(yàn)試件的數(shù)量應(yīng)為5個(gè)。

③巖石直剪試驗(yàn)試件的直徑或邊長(zhǎng)不小于 50 mm，試件高度應(yīng)與試件的直徑或邊長(zhǎng)相等。

(2)主要儀器和設(shè)備：應(yīng)力控制式平推法直剪試驗(yàn)儀。

(3)試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)對(duì)試件剪切面進(jìn)行描述：

①準(zhǔn)確量測(cè)剪切面面積；

②詳細(xì)描述剪切面的破壞情況，擦痕的分布、方向和長(zhǎng)度；

③測(cè)定剪切面的起伏差；

④當(dāng)結(jié)構(gòu)面內(nèi)有充填物時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確判斷剪切面的位置，并記述其組成成分、性質(zhì)、厚度、構(gòu)造。

⑤應(yīng)將各剪切階段特征點(diǎn)的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力點(diǎn)繪制在坐標(biāo)圖上，繪制剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系曲線，并應(yīng)按庫(kù)倫-奈維表達(dá)式確定相應(yīng)的巖石強(qiáng)度參數(shù)(c、Φ)[5]。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)三次工程巖石直剪試驗(yàn)的強(qiáng)度參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的成果匯總，得出如下關(guān)系圖：

(1)試驗(yàn)一為泥質(zhì)粉砂巖：

圖1 泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)聚力與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)摩擦角與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

數(shù)據(jù)分析：

①由圖(1)、圖(2)可以看出，此工程中巖石的抗壓強(qiáng)度集中在 1 MPa～10 MPa之間，大于 10 MPa后的內(nèi)聚力離散性較大。

②從圖1中，我們可以看出，隨著抗壓強(qiáng)度σc的增大，內(nèi)聚力c的值也明顯的增大。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，此巖塊的內(nèi)聚力c主要在 0 MPa～2 MPa之間。內(nèi)聚力c越大，離散性也越大。

③從圖2中可以看出，內(nèi)摩擦角的變化比較平緩，一般都大于40°。

(2)試驗(yàn)二為含礫砂巖：

圖3 含礫砂巖內(nèi)聚力與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 含礫砂巖內(nèi)摩擦角與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

數(shù)據(jù)分析：

①圖3可以明顯看出，此種巖石的內(nèi)聚力c主要集中在 0 MPa～2 MPa之間，一般內(nèi)聚力c都小于 5 MPa，而且，隨著抗壓強(qiáng)度σc的增大，內(nèi)聚力c增大非常明顯。

②圖4可以看出，內(nèi)摩擦角的變化與圖2相似，隨著抗壓強(qiáng)度的變化，內(nèi)摩擦角的變化范圍很小。比較圖2和圖4，可以看出，內(nèi)摩擦角增大。

(3)試驗(yàn)三為細(xì)砂巖：

圖5 細(xì)砂巖內(nèi)聚力與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 細(xì)砂巖內(nèi)摩擦角與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

數(shù)據(jù)分析：

①由圖5我們可以發(fā)現(xiàn)，此工程的巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力c值集中在 2 MPa，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大，內(nèi)聚力c值明顯呈增大的趨勢(shì)。在單軸抗壓強(qiáng)度大于 20 MPa之后，內(nèi)聚力c比較離散。

②由圖6可以發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度Φ值變化也比較平緩，角度一般都大于45°，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大呈緩慢的增大趨勢(shì)。

本工程的巖石是南京地區(qū)代表性的巖石沉積巖，此巖層在南京地區(qū)分布比較廣。南京地鐵五號(hào)線D5-XK04標(biāo)的沿線基本為沉積巖，代表性的巖石為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、部分的含礫砂巖，中風(fēng)化，密度在 2.35 g/cm3～2.40 g/cm3之間，平均單軸抗壓強(qiáng)度在 5 MPa～ 15 MPa之間。由以上數(shù)據(jù)和圖表我們還可以發(fā)現(xiàn)，此種巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c一般在 1 MPa～2 MPa之間，Φ在45°。一般，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大，抗剪強(qiáng)度參數(shù)c的值在一定的范圍內(nèi)，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大而明顯的增大；抗剪強(qiáng)度Φ值隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大也是緩緩增大，但是增大的幅度沒有c值明顯。

如果我們把這些數(shù)據(jù)合在一起統(tǒng)計(jì)，如圖7所示，我們可以清楚地看出，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大，抗剪強(qiáng)度c、Φ值明顯的呈增大趨勢(shì)。

圖7 單軸抗壓強(qiáng)度σc、內(nèi)聚力c、摩擦角Φ關(guān)系曲線

數(shù)據(jù)分析：

Hoek于1990年提出根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則定義的包圍心應(yīng)力圓的包絡(luò)線的切線來確定Mohr-Coulomb黏聚力和內(nèi)摩擦角的等效值的方法[6]：

已知有效正應(yīng)力σn的值，Hoek-Brown的計(jì)算過程如下：

c=τ-σntanφ

求出c和φ后，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σc可由下式求得：

(1)

根據(jù)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，可以求出巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度值σc，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總成表1：

研究區(qū)各類巖石物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 表1

圖8 研究區(qū)內(nèi)內(nèi)聚力比單軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖9 研究區(qū)內(nèi)內(nèi)摩擦角比單軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖8、圖9是分別是單軸抗壓強(qiáng)度與內(nèi)聚力比單軸抗壓強(qiáng)度的坐標(biāo)圖和單軸抗壓強(qiáng)度與摩擦角比單軸抗壓強(qiáng)度的坐標(biāo)圖，圖8我們可以看出，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大，內(nèi)聚力緩慢的增大。圖9是一個(gè)反函數(shù)曲線，隨著單軸抗壓強(qiáng)度的增大，在0 MPa～10 MPa范圍內(nèi)，摩擦角急劇增大，在 10 MPa～30 MPa范圍內(nèi)，摩擦角增大的幅度緩慢，大于 30 MPa以后，摩擦角變化非常小，幾乎是不增加。

圖10 研究區(qū)內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試值與計(jì)算值的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)由此工程的數(shù)據(jù)表統(tǒng)計(jì)圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的巖石，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、Φ值基本都隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大。

(2)由圖4可以發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度c值一般都集中在0 MPa～5 MPa以內(nèi)，Φ在40°～50°之間，而其隨著單軸抗壓啊強(qiáng)度的增大，抗剪強(qiáng)度c、Φ的離散性越來越大。

①巖石本身的特性，由于巖塊材料的復(fù)雜性，巖塊本身中含有大量的裂隙、不同的膠結(jié)物，是個(gè)多項(xiàng)介質(zhì)的復(fù)合材料，還有地層形成過程中產(chǎn)生的層理、節(jié)理、破碎帶等異常的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，此外還有在采樣過程中產(chǎn)生的裂隙以及巖塊的破碎等。

②單軸抗壓是在無側(cè)限的條件下，受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載，而抗剪強(qiáng)度參數(shù)是在有側(cè)限限制的條件下進(jìn)行的。

③巖石的尺寸，同為圓柱體，單軸抗壓的尺寸要求高徑比為 1∶2，抗剪強(qiáng)度要求高徑比為 1∶1。

④巖石抗剪參數(shù)具有隨機(jī)性和離散性的特點(diǎn)，因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少時(shí)，試樣數(shù)量的不充分會(huì)引起統(tǒng)計(jì)上的不確定性，“真值”很可能在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)限定的范圍以外；當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多時(shí)，逼近“真值”的自由度很大，也很難給出一個(gè)確定的值。

[1] 羅國(guó)煜，李生林. 工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，1990.

[2] 趙文強(qiáng)，王國(guó)瑞. 巖石抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法的研究[J]. 河北地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1988(3)：82～95.

[3] 沈明榮，陳建峰. 巖體力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

[4] JTG E41-2005. 公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S].

[5] GB/T 50266-2013. 工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 劉佑榮，唐輝明. 巖體力學(xué)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[7] 潘慶英，游桂芝. 巖石抗剪強(qiáng)度的參數(shù)C和φ值的測(cè)定[J]. 西部探礦工程 ，2014，26(1) ：13～15.

ExperimentalResearchontheCorrelationBetweentheShearStrengthParametersandUniaxialCompressiveStrengthofrock

Zong Jing，Xiong Sui，Pan Haili

(Nanjing Institute of Surveying Mapping & Geotechnical Investigation Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

The uniaxial compressive strength of rock is useful to provide parameters and information for the engineering geological evaluation and the engineering foundation design during the survey design stage as well as it can offer basis for the selection of stone material which meets the quality requirements for thesubstantial projectduring the construction phase，therefore，it has great engineering significance to study on the uniaxial compressive strength of rock.The relationship between the shear strength and the uniaxial compressive strength was obtained by analyzing the cohesive force c and the internal friction angle Φ with the changing characteristics of uniaxial compressive strength .This research provides reference and assistance for practical engineering，which has important guiding significance.

cohesion；internal friction angle；uniaxial compressive strength；flat push of direct shear test

1672-8262(2017)05-160-04

TU452

A

2017—06—06

宗靜(1979—)，女，高級(jí)工程師，從事巖土工程檢測(cè)與巖土測(cè)試工作。