秦安洪，雷 濤

不同角度下板巖層面剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究*

秦安洪1，雷 濤2

巖體層面對(duì)巖體的剪切力學(xué)性能具有非常重要的影響。以貴州某礦山層狀板巖為對(duì)象，開(kāi)展了不同角度下的層面剪切力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了該礦山板巖層面的剪切力學(xué)參數(shù)和力學(xué)性能，結(jié)果顯示：剪切角度越大，層面發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力越大，層面的剪切力學(xué)性能越好；不同角度下巖體層面剪切破壞面總體較為光滑，但角度較小時(shí)破壞面有突變產(chǎn)生，剪切角度較大時(shí)破壞面呈“S”形。

層狀板巖；剪切試驗(yàn)；力學(xué)特性；破壞模式

層狀巖體一般含有多組相互平行的層理面，這些層理面的力學(xué)強(qiáng)度一般低于巖石強(qiáng)度，往往控制著巖體的力學(xué)性能[1￣3]。同時(shí)，層理面與加載方向的夾角也會(huì)導(dǎo)致巖體力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生改變[4]。因此，了解清楚不同角度下層狀巖體的剪切力學(xué)特性，對(duì)相關(guān)巖體工程的開(kāi)挖和支護(hù)都有非常重要的意義。

以貴州東部某礦山的層狀板巖為試驗(yàn)研究對(duì)象，開(kāi)展不同角度下的剪切力學(xué)實(shí)驗(yàn)，揭示其剪切力學(xué)特性，力求為礦山工程的安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自礦山現(xiàn)場(chǎng)的板巖，具有明顯的層理結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，層間定向性較好，層理膠結(jié)物以變質(zhì)礦物和泥質(zhì)微粒為主，巖石主要含方解石、石英和云母等物質(zhì)。

圖1 板巖層理結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用限制性剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，在進(jìn)行不同角度下的剪切試驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)改變角模角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)正應(yīng)力與剪應(yīng)力的調(diào)整，且易于比較不同試驗(yàn)條件下試樣的破壞形式。試驗(yàn)加載方式見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)加載方式

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]，試驗(yàn)時(shí)選取完整性較好的巖石加工為100 mm×100 mm×100 mm的立方體剪切試樣。試樣表面平整度控制在0.1 mm以內(nèi)，上、下表面的平行度控制在0.5 mm以內(nèi)。

試驗(yàn)時(shí)，分別選取20°、30°、40°、50°、60°、70°的剪切角度開(kāi)展6組試驗(yàn)，每組試樣數(shù)為3個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同角度下板巖層面的剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著剪切角度的增大，層面發(fā)生破壞時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都在增大，但增大趨勢(shì)存在一定的差異，主要表現(xiàn)在：

(1) 剪切角度較小時(shí)(20°和30°)，層面的剪切力學(xué)特性較為相似，發(fā)生破壞時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力相差不大，兩者分別在4 MPa和7.5 MPa左右；

(2) 剪切角度較大時(shí)(70°)，層面的剪切力學(xué)性能迅速增強(qiáng)，其發(fā)生破壞時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力值分別在47 MPa和17 MPa左右；

(3) 剪切角度位于中間范圍時(shí)(40°、50°和60°)，層面的剪切力學(xué)性能平穩(wěn)增長(zhǎng)，其發(fā)生破壞時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別在9～20 MPa和10～12 MPa范圍內(nèi)。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果及擬合曲線

巖石變角度剪切試驗(yàn)結(jié)果，即層面剪切強(qiáng)度可用式(1)表示：

τ=σtanφ+c

(1)

式中，τ為抗剪強(qiáng)度，MPa；σ為正應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角；c為粘聚力，MPa。

用式(1)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，可得到如圖3所示的擬合曲線及相應(yīng)的擬合方程：

(2)

由式(2)可得到層面的剪切力學(xué)參數(shù)為：

(3)

3 破壞模式探討

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同角度下巖體層面的剪切破壞模式也存在一些差異，試樣破壞的結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，總體而言，當(dāng)試樣達(dá)到強(qiáng)度極限后，就會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的沿層理面的滑移剪切破壞，滑移面一般較為光滑，且較為完整，沒(méi)有大量的散體和碎塊出現(xiàn)。這種現(xiàn)象充分說(shuō)明層面的膠結(jié)層強(qiáng)度相對(duì)巖體基巖較弱，導(dǎo)致巖體在剪切作用下直接沿層理面發(fā)生破壞，表明在剪切條件下，層理面是巖體力學(xué)性能的主控因素。

圖4 不同剪切角度下層面破壞模式

但是，與力學(xué)性能類(lèi)似，不同角度下巖體層面的剪切破壞模式也存在一定的差異：

(1) 當(dāng)剪切角度較小時(shí)(20°和30°)，破壞剪切面可分為兩段。第1段大約占整個(gè)滑移面長(zhǎng)度的3/4，為一個(gè)較為光滑的平面，緊接著滑移面出現(xiàn)了一個(gè)突變，剪切面不再沿原層面發(fā)展，而是突然穿越該層面到另一層面后繼續(xù)發(fā)生剪切破壞，說(shuō)明此時(shí)其破壞還可能受到了壓應(yīng)力的部分影響；

(2) 剪切角度位于中間范圍時(shí)(40°、50°和60°)，破壞剪切面幾乎就是沿著某一特定層面發(fā)展，剪切面平整光滑；

(3) 剪切角度較大時(shí)(70°)，破壞剪切面可分為3段，近似為“S”形。第1段大約占整個(gè)剪切面長(zhǎng)度的1/4，為一帶有一定角度的弧形，表明此時(shí)試樣的起裂沒(méi)有完全受層理面控制；第2段約占整個(gè)剪切面長(zhǎng)度的1/2，基本是沿某一層面發(fā)展，但光滑程度不如其他中間角度的剪切面；第3段約占整個(gè)剪切面長(zhǎng)度的1/4，但與較小角度存在一些差別，其并非由突變產(chǎn)生，而是由第3段漸進(jìn)發(fā)展而來(lái)，因此也表現(xiàn)出弧形特征。

4 結(jié) 論

通過(guò)不同角度下板巖層面的剪切力學(xué)試驗(yàn)，可得到如下的結(jié)論：

(1) 不同角度下巖體層面的剪切力學(xué)性能存在差異，角度越大，層面的剪切力學(xué)性能越好，發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力越大；

(2) 根據(jù)莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，該礦山板巖層面的剪切力學(xué)參數(shù)為c=7.36049 MPa，φ=12.06157°；

(3) 不同角度下巖體層面的剪切破壞模式存在差異：剪切角度較小時(shí)，破壞面有突變產(chǎn)生；剪切角度位于中間范圍時(shí)，破壞面較為平整光滑；剪切角度較大時(shí)，破壞面呈“S”形。

[1]趙寶友，鄭天照，王 東，等.基于強(qiáng)度原理的順層巖質(zhì)邊坡動(dòng)力安全系數(shù)判據(jù)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2016,36(5)：811￣819.

[2]孫廣忠，孫 毅.巖體力學(xué)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]丁立明，才慶祥，劉 雷，等.軟弱夾層對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響[J].金屬礦山，2012，(4)：40￣58.

[4]林宗元.巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20172803).

2017￣09￣30)

秦安洪(1986-)，男，貴州遵義人，主要從事采礦工藝設(shè)計(jì)和采礦工程管理工作，Email:askyo@126.com。