巖塊強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀的研制及其應(yīng)用

邵 勇，閻長(zhǎng)虹

(1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇連云港222006；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210093)

0 引 言

在現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)中，為獲得巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通常采用摩擦試驗(yàn)測(cè)量巖石摩擦角，采用剪切試驗(yàn)測(cè)量巖石的粘聚力，或采用抗剪試驗(yàn)同時(shí)測(cè)量巖石的粘聚力及摩擦角[1- 4]。在這些試驗(yàn)中均需架設(shè)千斤頂?shù)仍O(shè)備，試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備笨重，操作難度大，僅制樣一項(xiàng)就需大量時(shí)間，試驗(yàn)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在一般巖體工程中，這些試驗(yàn)經(jīng)常受到限制，從而影響了試驗(yàn)的大量進(jìn)行[5- 8]。

目前，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，比較輕便的儀器僅有便攜式巖石剪切儀，但該試驗(yàn)儀器制樣比較復(fù)雜，需將巖塊制成近立方體狀，再將巖塊周?chē)蒙皾{包裹，最后形成立方體再進(jìn)行剪切試驗(yàn)，制樣較麻煩。在測(cè)試摩擦角時(shí)，有時(shí)采用自由滑落法代替摩擦試驗(yàn)，但自由滑落法在使用過(guò)程中較難操作，當(dāng)測(cè)試的巖石表面傾角很難調(diào)整，或巖石表面不平整時(shí)，調(diào)整測(cè)試面傾角時(shí)，上面巖塊通常會(huì)翻滾落下，而不是滑落。

基于上述問(wèn)題，本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行了分析，提出用量力環(huán)法測(cè)試巖石摩擦角，并針對(duì)不同巖石表面平整情況，采用單量力環(huán)法與雙量力環(huán)法分別測(cè)試。對(duì)巖石粘聚力的測(cè)試問(wèn)題，本文研制了便攜式巖石強(qiáng)度測(cè)試儀，可測(cè)試巖塊的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及粘聚力，且易于現(xiàn)場(chǎng)操作，僅需將巖塊切割成規(guī)則形狀即可進(jìn)行試驗(yàn)。

1 摩擦角的測(cè)試

1.1 現(xiàn)有方法

在工程中，一般用摩擦試驗(yàn)求取巖體的摩擦角。在一定的法向應(yīng)力之下，施加水平向推力，然后按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的摩擦角。由于該方法需在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)千斤頂?shù)仍O(shè)備，操作復(fù)雜，因此用自由滑落法代替。將巖塊置于一傾斜巖體平面之上，逐漸改變傾斜角度θ，直至上部巖塊產(chǎn)生滑動(dòng)，然后按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的摩擦角。

在自由滑落試驗(yàn)中，如果巖塊接觸面較粗糙，不斷增大傾斜角θ時(shí)，上部巖塊可能是翻滾滑落，而不是沿接觸面水平滑落，所以自由滑落試驗(yàn)存在弊端。因此，本文提出一種簡(jiǎn)潔的摩擦角試驗(yàn)方法——單量力環(huán)法和雙量力環(huán)法。該試驗(yàn)無(wú)須調(diào)整傾斜角，在野外現(xiàn)場(chǎng)操作更為方便，在任意角度的接觸面條件下均可實(shí)行。

1.2 量力環(huán)法測(cè)摩擦角

本文提出的量力環(huán)法分為單量力環(huán)法及雙量力環(huán)法，無(wú)需像摩擦試驗(yàn)?zāi)菢有栌屑魯嗝?，也無(wú)需像自由滑落法那樣需調(diào)整測(cè)試面的角度，在任意測(cè)試面均可試驗(yàn)。單量力環(huán)法適用于測(cè)試面面壁較平滑時(shí)。單量力環(huán)法摩擦試驗(yàn)見(jiàn)圖1。圖中，G為巖塊自重；θ為測(cè)試面傾角；σ為量力環(huán)推力。

當(dāng)接觸面角度較平緩時(shí)，在一側(cè)手持量力環(huán)推動(dòng)巖塊即可，在巖塊滑動(dòng)時(shí)記下量力環(huán)讀數(shù)。計(jì)算公式為

Gsinθ+Gcosθtanφ=σ

(1)

式中，φ為測(cè)試面摩擦角。

現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法找到較平緩面壁時(shí)，先將巖塊放置于較陡面壁之上，用量力環(huán)施加垂直面壁的力，使之保持平衡，然后慢慢撤出量力環(huán)，當(dāng)巖塊開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，記下量力環(huán)讀數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束。計(jì)算公式為

Gsinθ=(σ+Gcosθ)tanφ

(2)

上述2種方法無(wú)需調(diào)整測(cè)試面傾角，在接觸面較平滑時(shí)，只要1個(gè)量力環(huán)即可得到試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 單量力環(huán)法摩擦試驗(yàn)

接觸面較粗糙時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中容易產(chǎn)生巖塊翻轉(zhuǎn)滑落而不是平行滑動(dòng)，因此采用雙量力環(huán)法。雙量力環(huán)法摩擦試驗(yàn)見(jiàn)圖2。圖中，σ1為量力環(huán)在面壁垂直向施加的壓力，σ2為量力環(huán)在水平向施加的推力。這樣就可以避免巖塊發(fā)生翻轉(zhuǎn)滑落。計(jì)算公式為

σ2+Gsinθ=(σ1+Gcosθ)tanφ

(3)

圖2 雙量力環(huán)法摩擦試驗(yàn)

為驗(yàn)證量力環(huán)法的可行性，在室內(nèi)外進(jìn)行了多組試驗(yàn)，并與自由滑落法進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可知，本文的量力環(huán)法與自由滑落法測(cè)試結(jié)果相近，平均誤差僅為4.38%，證明量力環(huán)法是可行的。

表1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 粘聚力及抗拉抗壓強(qiáng)度測(cè)試

2.1 理論分析

基于現(xiàn)行測(cè)試方法存在的問(wèn)題，本文提出一種方便快捷的巖石強(qiáng)度測(cè)試儀(見(jiàn)圖3)。儀器主要由分離式千斤頂與一鋼架組成。其中，鋼架為正方形環(huán)架，上部留有空缺口，便于試樣上推時(shí)發(fā)生剪切。

圖3 巖石強(qiáng)度測(cè)試儀示意

圖4為試驗(yàn)剪切時(shí)的受力分布。與現(xiàn)有抗切試驗(yàn)相比可知，2種試驗(yàn)方法下試樣的受力情況一致，均在剪切面處受最大剪力和最大彎矩，因此本儀器在力學(xué)機(jī)理上是合理的，用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)可行的。粘聚力計(jì)算公式為

(4)

式中，c為巖塊粘聚力；P為破壞荷載；b為巖塊受剪截面寬度；h為受剪截面高度。

圖4 試樣受力分析

計(jì)算結(jié)果顯示，若試樣截面面積為600 mm2，巖塊最大粘聚力為50 MPa，采用HRB245鋼板制作鋼架，鋼架截面為50 mm×50 mm即可滿(mǎn)足要求，儀器總質(zhì)量約30 kg，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抗切試驗(yàn)極為方便，缺點(diǎn)是本儀器只能進(jìn)行小樣品試驗(yàn)，樣品體積不能太大，但測(cè)試巖塊的粘聚力已足夠。

本儀器還可以進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，只需將千斤頂上部墊塊換成棱柱體即可。巖塊可以看作簡(jiǎn)支梁中部受集中荷載，跨中受最大彎矩[9]，在梁中性軸以上受拉應(yīng)力，以下受壓應(yīng)力，可以認(rèn)為試樣是受拉破壞，破壞跨中的拉應(yīng)力為

(5)

(6)

通過(guò)上述分析可知，本儀器可以用作巖塊的粘聚力、抗拉強(qiáng)度的測(cè)試，且操作簡(jiǎn)單、便于攜帶，可以為現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試工作節(jié)省大量資金和人員的投入。此外，將本儀器的凹槽部分置于側(cè)邊，還可以進(jìn)行巖石單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，試樣可取圓柱體，也可取長(zhǎng)方體。

2.2 應(yīng)用分析

本次試驗(yàn)選取蘇州大陽(yáng)山隧道工程中的石英砂巖來(lái)驗(yàn)證儀器的可行性。圖5為制作完成后的整體儀器，包括鋼架、千斤頂、壓力表、手動(dòng)泵以及高壓管。

圖5 巖石強(qiáng)度測(cè)試儀

圖6為巖塊剪切試驗(yàn)。試樣沿預(yù)定位置剪斷，說(shuō)明本儀器的力學(xué)機(jī)理是正確的。本次試驗(yàn)共制樣38組，每組取2～3個(gè)平行樣，弱風(fēng)化巖石10組，中風(fēng)化18組，試件高2～4 cm，長(zhǎng)10～15 cm，寬3～5 cm。測(cè)試中對(duì)弱風(fēng)化巖石進(jìn)分別行了粘聚力、單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度測(cè)試，中風(fēng)化巖石進(jìn)行了粘聚力、單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)強(qiáng)度較低的巖塊進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，試樣破壞時(shí)壓力表無(wú)法讀數(shù)，指針只是輕微晃動(dòng)。因此，本儀器不適用于強(qiáng)度較低巖石的抗拉強(qiáng)度的測(cè)試。

圖6 試樣剪切

粘聚力與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖7。從試驗(yàn)結(jié)果可知，弱風(fēng)化巖塊的粘聚力為7～14 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為60～100 MPa，抗拉強(qiáng)度為1～6 MPa；中風(fēng)化巖塊的粘聚力為1～10 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為20～60 MPa，試驗(yàn)結(jié)果可信度較高。其中，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)巖石壓力機(jī)測(cè)試結(jié)果基本一致。

圖7 粘聚力與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖8、9為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度與粘聚力及抗拉強(qiáng)度的線(xiàn)性擬合結(jié)果。從擬合結(jié)果可以看出，粘聚力約為單軸抗壓強(qiáng)度的0.15，抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的25.70倍。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本儀器完全可信可靠。單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的測(cè)試比以往的試驗(yàn)手段方便快捷，如室內(nèi)的大型壓力機(jī)測(cè)試儀無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，劈裂試驗(yàn)需要規(guī)則的球體或立方體試樣，而本儀器試樣只需將頂面與底面磨平即可?？辜魪?qiáng)度參數(shù)的測(cè)試儀器目前有變角板剪切儀、便攜式剪切儀，這2種儀器均需規(guī)則的正方體試樣，有時(shí)還需砂漿包裹處理，制樣較繁瑣。因此，本文提出的巖石強(qiáng)度測(cè)試儀有一定的實(shí)用優(yōu)勢(shì)，可以推廣到巖石強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中。

圖8 粘聚力與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖9 抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

本儀器采用試樣為小試件，高度小于5 cm，在對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)中存在不可避免的尺寸效應(yīng)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)本儀器是針對(duì)巖塊進(jìn)行的試驗(yàn)，因此應(yīng)注意試樣的選擇，盡量選取具有代表性的巖塊[10-12]。另外，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試件不可重復(fù)使用，也很難找出相同的試件來(lái)測(cè)試，因此沒(méi)有研究試件尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響[13-15]。關(guān)于這一問(wèn)題，可以制作混凝土試塊進(jìn)行測(cè)試研究，這樣就消除了試件性質(zhì)不同對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并以此建立試件尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，建立相關(guān)公式來(lái)修正測(cè)試結(jié)果。本文工作只是一種嘗試，仍有很多工作有待加強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了量力環(huán)法測(cè)試巖塊摩擦角，還可以針對(duì)不同情況選擇單量力環(huán)法及雙量力環(huán)法。在試驗(yàn)過(guò)程中手動(dòng)操作即可，如果試驗(yàn)時(shí)選擇的巖塊較大，手動(dòng)無(wú)法推動(dòng)時(shí)，可以采用拉動(dòng)法，將巖塊用鋼絲繩捆綁再用量力環(huán)拉動(dòng)巖塊即可，經(jīng)過(guò)與自由滑落法的對(duì)比發(fā)現(xiàn)其誤差較小。

本文研制的便攜式巖石強(qiáng)度測(cè)試儀可以對(duì)巖塊的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、粘聚力進(jìn)行測(cè)試，制樣過(guò)程簡(jiǎn)單，只需切割機(jī)和磨光機(jī)即可。不足之處為由于儀器較小，故僅能對(duì)小型巖塊進(jìn)行測(cè)量，但是抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)行方法基本一致，說(shuō)明本儀器的測(cè)試值是可信的。另外，單軸抗拉強(qiáng)度與粘聚力的測(cè)試結(jié)果未能與現(xiàn)行方法進(jìn)行對(duì)比，試件尺寸效應(yīng)的影響等有待于進(jìn)一步的研究。