邵 勇，閻長虹

(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)場巖石力學(xué)試驗中，為獲得巖石的抗剪強度參數(shù)，通常采用摩擦試驗測量巖石摩擦角，采用剪切試驗測量巖石的粘聚力，或采用抗剪試驗同時測量巖石的粘聚力及摩擦角[1- 4]。在這些試驗中均需架設(shè)千斤頂?shù)仍O(shè)備，試驗過程復(fù)雜，設(shè)備笨重，操作難度大，僅制樣一項就需大量時間，試驗過程費時費力，在一般巖體工程中，這些試驗經(jīng)常受到限制，從而影響了試驗的大量進行[5- 8]。

目前，在現(xiàn)場試驗中，比較輕便的儀器僅有便攜式巖石剪切儀，但該試驗儀器制樣比較復(fù)雜，需將巖塊制成近立方體狀，再將巖塊周圍用砂漿包裹，最后形成立方體再進行剪切試驗，制樣較麻煩。在測試摩擦角時，有時采用自由滑落法代替摩擦試驗，但自由滑落法在使用過程中較難操作，當測試的巖石表面傾角很難調(diào)整，或巖石表面不平整時，調(diào)整測試面傾角時，上面巖塊通常會翻滾落下，而不是滑落。

基于上述問題，本文對現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗進行了分析，提出用量力環(huán)法測試巖石摩擦角，并針對不同巖石表面平整情況，采用單量力環(huán)法與雙量力環(huán)法分別測試。對巖石粘聚力的測試問題，本文研制了便攜式巖石強度測試儀，可測試巖塊的抗拉強度、抗壓強度及粘聚力，且易于現(xiàn)場操作，僅需將巖塊切割成規(guī)則形狀即可進行試驗。

1 摩擦角的測試

1.1 現(xiàn)有方法

在工程中，一般用摩擦試驗求取巖體的摩擦角。在一定的法向應(yīng)力之下，施加水平向推力，然后按經(jīng)驗公式計算巖體的摩擦角。由于該方法需在現(xiàn)場架設(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，然后按經(jīng)驗公式計算巖體的摩擦角。

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

1.2 量力環(huán)法測摩擦角

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，無需像摩擦試驗?zāi)菢有栌屑魯嗝?，也無需像自由滑落法那樣需調(diào)整測試面的角度，在任意測試面均可試驗。單量力環(huán)法適用于測試面面壁較平滑時。單量力環(huán)法摩擦試驗見圖1。圖中，G為巖塊自重；θ為測試面傾角；σ為量力環(huán)推力。

當接觸面角度較平緩時，在一側(cè)手持量力環(huán)推動巖塊即可，在巖塊滑動時記下量力環(huán)讀數(shù)。計算公式為

Gsinθ+Gcosθtanφ=σ

(1)

式中，φ為測試面摩擦角。

現(xiàn)場無法找到較平緩面壁時，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)，當巖塊開始滑動時，記下量力環(huán)讀數(shù)，試驗結(jié)束。計算公式為

Gsinθ=(σ+Gcosθ)tanφ

(2)

上述2種方法無需調(diào)整測試面傾角，在接觸面較平滑時，只要1個量力環(huán)即可得到試驗結(jié)果。

圖1 單量力環(huán)法摩擦試驗

接觸面較粗糙時，在試驗過程中容易產(chǎn)生巖塊翻轉(zhuǎn)滑落而不是平行滑動，因此采用雙量力環(huán)法。雙量力環(huán)法摩擦試驗見圖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。計算公式為

σ2+Gsinθ=(σ1+Gcosθ)tanφ

(3)

圖2 雙量力環(huán)法摩擦試驗

為驗證量力環(huán)法的可行性，在室內(nèi)外進行了多組試驗，并與自由滑落法進行了對比，對比結(jié)果見表1。從表1可知，本文的量力環(huán)法與自由滑落法測試結(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 試驗結(jié)果對比

2 粘聚力及抗拉抗壓強度測試

2.1 理論分析

基于現(xiàn)行測試方法存在的問題，本文提出一種方便快捷的巖石強度測試儀(見圖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，便于試樣上推時發(fā)生剪切。

圖3 巖石強度測試儀示意

圖4為試驗剪切時的受力分布。與現(xiàn)有抗切試驗相比可知，2種試驗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)機理上是合理的，用于現(xiàn)場試驗時可行的。粘聚力計算公式為

(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即可滿足要求，儀器總質(zhì)量約30 kg，在現(xiàn)場進行抗切試驗極為方便，缺點是本儀器只能進行小樣品試驗，樣品體積不能太大，但測試巖塊的粘聚力已足夠。

本儀器還可以進行抗拉強度測試，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，可以認為試樣是受拉破壞，破壞跨中的拉應(yīng)力為

(5)

(6)

通過上述分析可知，本儀器可以用作巖塊的粘聚力、抗拉強度的測試，且操作簡單、便于攜帶，可以為現(xiàn)場的測試工作節(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，還可以進行巖石單軸抗壓強度的測試，試樣可取圓柱體，也可取長方體。

2.2 應(yīng)用分析

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

圖5 巖石強度測試儀

圖6為巖塊剪切試驗。試樣沿預(yù)定位置剪斷，說明本儀器的力學(xué)機理是正確的。本次試驗共制樣38組，每組取2～3個平行樣，弱風(fēng)化巖石10組，中風(fēng)化18組，試件高2～4 cm，長10～15 cm，寬3～5 cm。測試中對弱風(fēng)化巖石進分別行了粘聚力、單軸抗壓強度及抗拉強度測試，中風(fēng)化巖石進行了粘聚力、單軸抗壓強度測試。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當對強度較低的巖塊進行抗拉強度測試時，試樣破壞時壓力表無法讀數(shù)，指針只是輕微晃動。因此，本儀器不適用于強度較低巖石的抗拉強度的測試。

圖6 試樣剪切

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

圖7 粘聚力與抗壓強度的關(guān)系

圖8、9為巖塊的單軸抗壓強度與粘聚力及抗拉強度的線性擬合結(jié)果。從擬合結(jié)果可以看出，粘聚力約為單軸抗壓強度的0.15，抗拉強度約為抗壓強度的25.70倍。從試驗結(jié)果來看，本儀器完全可信可靠。單軸抗壓強度、抗拉強度的測試比以往的試驗手段方便快捷，如室內(nèi)的大型壓力機測試儀無法在現(xiàn)場應(yīng)用，劈裂試驗需要規(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?？辜魪姸葏?shù)的測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，有時還需砂漿包裹處理，制樣較繁瑣。因此，本文提出的巖石強度測試儀有一定的實用優(yōu)勢，可以推廣到巖石強度的現(xiàn)場測試中。

圖8 粘聚力與抗壓強度的關(guān)系

圖9 抗拉強度與抗壓強度的關(guān)系

本儀器采用試樣為小試件，高度小于5 cm，在對巖體力學(xué)參數(shù)評價中存在不可避免的尺寸效應(yīng)，嚴格來說本儀器是針對巖塊進行的試驗，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，在進行試驗時，試件不可重復(fù)使用，也很難找出相同的試件來測試，因此沒有研究試件尺寸對測試結(jié)果的影響[13-15]。關(guān)于這一問題，可以制作混凝土試塊進行測試研究，這樣就消除了試件性質(zhì)不同對測試結(jié)果的影響，并以此建立試件尺寸對測試結(jié)果的影響，建立相關(guān)公式來修正測試結(jié)果。本文工作只是一種嘗試，仍有很多工作有待加強。

3 結(jié) 語

本文提出了量力環(huán)法測試巖塊摩擦角，還可以針對不同情況選擇單量力環(huán)法及雙量力環(huán)法。在試驗過程中手動操作即可，如果試驗時選擇的巖塊較大，手動無法推動時，可以采用拉動法，將巖塊用鋼絲繩捆綁再用量力環(huán)拉動巖塊即可，經(jīng)過與自由滑落法的對比發(fā)現(xiàn)其誤差較小。

本文研制的便攜式巖石強度測試儀可以對巖塊的抗拉強度、抗壓強度、粘聚力進行測試，制樣過程簡單，只需切割機和磨光機即可。不足之處為由于儀器較小，故僅能對小型巖塊進行測量，但是抗壓強度測試結(jié)果與現(xiàn)行方法基本一致，說明本儀器的測試值是可信的。另外，單軸抗拉強度與粘聚力的測試結(jié)果未能與現(xiàn)行方法進行對比，試件尺寸效應(yīng)的影響等有待于進一步的研究。