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        巖石直接剪切試驗(yàn)殘余強(qiáng)度淺析

        2019-06-20 08:40:50
        巖土工程技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:黏聚力剪力風(fēng)化

        劉 軍

        (河北中核巖土工程有限責(zé)任公司,河北石家莊 050021)

        1 概念

        巖石直接剪切殘余強(qiáng)度是指巖石在剪切破壞后,在自重應(yīng)力或者其他應(yīng)力作用下,還能保持穩(wěn)定狀態(tài),所殘存的剪切強(qiáng)度。本文主要以唐山馬城鐵礦100多組巖石殘余強(qiáng)度試驗(yàn)為依據(jù)討論巖石直剪試驗(yàn)的殘余強(qiáng)度①劉 軍.馬城鐵礦巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果[R].2011—2017.。

        2 試驗(yàn)設(shè)備

        巖石直剪試驗(yàn)采用長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-2000型微機(jī)控制巖石三軸剪切試驗(yàn)機(jī),圖1為巖石直接剪切試驗(yàn)機(jī)。

        3 試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述

        先制取標(biāo)準(zhǔn)樣品,一般每組樣品制取φ50 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)樣5塊,特殊情況可以增加。樣品試驗(yàn)前后照片見(jiàn)圖2。

        對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)樣施加預(yù)設(shè)好的不同的正應(yīng)力,然后施加水平應(yīng)力,達(dá)到峰值破壞后,繼續(xù)剪斷,至殘余強(qiáng)度近似一條直線為止。其具體試驗(yàn)特點(diǎn)如圖3所示。

        圖1 巖石直接剪切試驗(yàn)

        剪力加載初期,曲線的斜率較小,剪應(yīng)力增加緩慢;隨著時(shí)間的增加,剪力增加的速率越來(lái)越快,斜率越來(lái)越大;在剪應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)剪應(yīng)力又急劇下降,曲線斜率急劇變陡,由正變負(fù),產(chǎn)生了應(yīng)力跌落的現(xiàn)象;剪應(yīng)力下降到一定程度后,曲線斜率突然變緩,隨時(shí)間的增加逐漸平緩,達(dá)到穩(wěn)定,即為殘余強(qiáng)度。

        試驗(yàn)5組不同的豎向應(yīng)力和剪切殘余強(qiáng)度,根據(jù)庫(kù)倫-摩爾定律,即

        圖2 樣品試驗(yàn)前后照片

        圖3 剪力-時(shí)間關(guān)系曲線圖

        τ=σtanφ+c,求出殘余強(qiáng)度,如圖4。

        圖4 正應(yīng)力-剪應(yīng)力關(guān)系求解圖

        圖中:σ為正應(yīng)力;τ為剪應(yīng)力;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角,本圖計(jì)算得c=1.57、φ=43.25。

        4 殘余強(qiáng)度特點(diǎn)

        4.1 巖石剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系

        從圖2和圖3可以看出,在一組巖石剪切式樣中,比如有5個(gè)試件,對(duì)某個(gè)試件而言,其對(duì)應(yīng)著不同的豎向應(yīng)力情況下,隨著應(yīng)力增加,峰值剪力也逐漸遞增;其殘余剪力也逐漸遞增,只是其值要遠(yuǎn)小于峰值剪力,因此,在求解中,殘余強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)要遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)。

        圖5為SK01-3干燥狀態(tài)下巖石不同應(yīng)力下巖石峰值剪力和殘余剪力的關(guān)系曲線。

        表1為馬城鐵礦微風(fēng)化磁鐵石英巖直剪強(qiáng)度表。從中可以看出,殘余強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)較峰值強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)下降明顯。

        圖5 不同應(yīng)力下巖石峰值剪力和殘余剪力的關(guān)系曲線

        對(duì)表1剪切參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2,從表中可以看出變異系數(shù)較小,均小于0.60,說(shuō)明平均指標(biāo)的代表性較好。因此,我們可以以平均值來(lái)進(jìn)行分析數(shù)據(jù)的規(guī)律性。

        表1 微風(fēng)化磁鐵石英巖直剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

        表2 微風(fēng)化磁鐵石英巖直剪強(qiáng)度分析表

        從表2得,干燥狀態(tài)下,殘余強(qiáng)度黏聚力1.86 MPa與峰值強(qiáng)度黏聚力19.6 MPa相比,下降幅度達(dá)(19.6~1.86)/19.6×100%=90.5%,同理,內(nèi)摩擦角下降34%;飽和狀態(tài)下,殘余強(qiáng)度黏聚力下降90%,內(nèi)摩擦角下降31%。兩種狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角下降幅度非常相似,具有明顯的規(guī)律性。

        同理,在中等風(fēng)化和微風(fēng)化狀態(tài)下,巖石殘余強(qiáng)度也存在類似的規(guī)律。至于強(qiáng)風(fēng)化巖石和全風(fēng)化巖石,我們也可以進(jìn)行如是推斷,但由于相關(guān)數(shù)據(jù)較少,還有進(jìn)一步佐證。

        從而,我們可以得出以下結(jié)論:不同狀態(tài)的巖石殘余強(qiáng)度指標(biāo),與巖石的直剪峰值強(qiáng)度指標(biāo)相比,呈有規(guī)律的遞減。

        巖石剪切峰值強(qiáng)度的黏聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于殘余強(qiáng)度的黏聚力,這主要是由巖石的內(nèi)在性質(zhì)決定的,即當(dāng)巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度破壞時(shí),起決定主要的是巖石自己的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和內(nèi)在強(qiáng)度,而殘余強(qiáng)度的決定因素主要在于有正應(yīng)力引起的摩擦力的大小。換句話說(shuō),巖石剪切強(qiáng)度的剪應(yīng)力主要由黏聚力和摩擦力決定。當(dāng)巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí),黏聚力達(dá)到最大,隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行,黏聚力逐漸減小,當(dāng)達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí),黏聚力幾近于無(wú),剪應(yīng)力的大小主要由摩擦力承擔(dān)。

        從表2中可以看出,殘余強(qiáng)度參數(shù)的方差值及標(biāo)準(zhǔn)差值遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度的方差值及標(biāo)準(zhǔn)差值,一方面說(shuō)明了殘余強(qiáng)度參數(shù)值的波動(dòng)性小,另一方面也從反面說(shuō)明了,影響殘余強(qiáng)度的主要在于摩擦力而不是黏聚力。

        4.2 巖石含水率對(duì)其剪切殘余強(qiáng)度的影響。

        以表1的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。對(duì)于微風(fēng)化磁鐵石英巖而言,由于其為非軟化巖,含水率一般不超過(guò)1%,并且風(fēng)化程度較低,軟化系數(shù)較高。所以從理論上講,巖石含水率對(duì)其力學(xué)參數(shù)(這里特指殘余剪切參數(shù))影響較小。

        從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上,通過(guò)表2,得出干燥殘余強(qiáng)度參數(shù)和飽和殘余強(qiáng)度參數(shù)的變異系數(shù)較小,所以,其平均值有較好的代表性。經(jīng)計(jì)算,干燥殘余強(qiáng)度的平均黏聚力從1.86 MPa,降到飽和殘余強(qiáng)度的平均黏聚力1.53 MPa,降幅約18%;干燥殘余強(qiáng)度的平均內(nèi)摩擦角41.0°,降到飽和殘余強(qiáng)度的平均內(nèi)摩擦角39.3°,降幅約4.1%。

        對(duì)于馬城鐵礦的其他風(fēng)化程度的不同巖石,經(jīng)計(jì)算和分析,也有類似的規(guī)律,降幅略有不同,這里不再贅述。

        這里以干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)作為分析對(duì)象,是因?yàn)樗麄兇砹藥r石的兩個(gè)含水率的極端情況,實(shí)際試驗(yàn)中,干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)最好控制,也最容易實(shí)現(xiàn),并且具有代表性。而中間的其他含水率的狀態(tài),均較難實(shí)現(xiàn)。

        因此,對(duì)同一個(gè)地區(qū)同等巖性同等風(fēng)化程度同一組巖石而言:干燥狀態(tài)下的剪切殘余強(qiáng)度,其c、φ值相比飽和狀態(tài)要偏大。我們可以推斷,當(dāng)巖石從干燥狀態(tài)向飽和狀態(tài)過(guò)度時(shí),隨著含水率的增加,軟化作用越來(lái)越強(qiáng)烈,因而,其剪切殘余強(qiáng)度的黏聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)逐步減小,這符合一般剪切性試驗(yàn)的規(guī)律。

        對(duì)比常用的三種巖石狀態(tài):剪切殘余強(qiáng)度的c、φ值,干燥狀態(tài)最大,天然狀態(tài)次之,飽和狀態(tài)最小。這也符合一般巖石力學(xué)性質(zhì)的規(guī)律性。

        這里需要注意一點(diǎn):本文所述含水率對(duì)殘余強(qiáng)度影響,主要指非軟化巖石,如遇軟化巖類,理論上,隨著含水率的增大,其c、φ值降幅應(yīng)更多。由于此類殘余試驗(yàn)較少,還需進(jìn)一步佐證。以本人多年巖石試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),軟化巖由于軟化程度不一,隨著含水率增加,殘余強(qiáng)度的c、φ值降幅離散性較大。

        4.3 巖石風(fēng)化程度對(duì)其剪切殘余強(qiáng)度的影響

        這里主要以混合花崗巖為例,來(lái)闡述風(fēng)化程度對(duì)剪切強(qiáng)度的影響,具體參考數(shù)值見(jiàn)表3。

        表3 同一巖性(以混合花崗巖為例)不同風(fēng)化狀態(tài)直剪殘余強(qiáng)度表

        對(duì)表3的殘余強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,得表4。

        表4 同一巖性(以混合花崗巖為例)不同風(fēng)化狀態(tài)直剪殘余強(qiáng)度(平均值)統(tǒng)計(jì)表

        從表4可以看出,總體趨勢(shì)上,從中等風(fēng)化-微風(fēng)化-未風(fēng)化的過(guò)程中,剪切殘余強(qiáng)度的c、φ值,無(wú)論干燥狀態(tài)還是飽和狀態(tài),是逐漸增大的,增大幅度較小。這是由于影響剪應(yīng)力大小的主要因素是摩擦力,而在同等正應(yīng)力下,由于風(fēng)化程度不同而產(chǎn)生的摩擦力的不同,其變化幅度較小。最后體現(xiàn)在c、φ上,c、φ的變化幅度也較小。

        盡管如此,巖石風(fēng)化程度對(duì)其剪切殘余強(qiáng)度的影響,依然具有規(guī)律性:巖石隨著風(fēng)化程度的減小,即巖質(zhì)越新鮮,剪切殘余強(qiáng)度的相關(guān)參數(shù)有增大的趨勢(shì)。

        4.4 同種風(fēng)化程度不同巖性巖石殘余強(qiáng)度的比較

        在表5中,列舉了46組微風(fēng)化不同巖類的殘余強(qiáng)度指標(biāo)比較。從中,可以看出,對(duì)于馬城鐵礦這一區(qū)域性質(zhì)的不同巖石,其微風(fēng)化狀態(tài)下的殘余強(qiáng)度值趨于一致。

        在這里需說(shuō)明一下:我們用來(lái)比較的巖石需性質(zhì)相近,即:位置、成因、物理、力學(xué)、發(fā)育等基本一致。比如不能把單軸強(qiáng)度是20 MPa的巖石和100 MPa巖石進(jìn)行比較,也不能把巖漿巖和沉積巖去比較,因?yàn)檫@樣比較就沒(méi)有意義了,因此,我們可以對(duì)某一區(qū)域性質(zhì)相近的巖石作出類似的推斷:其巖石其殘余強(qiáng)度值也趨于一致。

        表5 不同巖性微風(fēng)化狀態(tài)直剪強(qiáng)度(平均值)統(tǒng)計(jì)表

        5 結(jié)語(yǔ)

        1)由于本次參考資料主要為馬城鐵礦的中等風(fēng)化、微風(fēng)化、未風(fēng)化巖類,相關(guān)結(jié)論主要以此得出,其代表性范圍相對(duì)較小,其規(guī)律性和適用性,還有待其他相關(guān)的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步證明。

        2)巖石剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系,前者大于后者是必然的。前者與后者的比值,隨著風(fēng)化程度的從小到大,逐步減小也是必然的;具體比值,不同的巖類,不同地區(qū)的同一種巖類,可能都不一致,這里只是指出了一種趨勢(shì),為大家提供一種參考。

        3)本文僅列舉了殘余強(qiáng)度的幾個(gè)影響因素。其實(shí),除此之外,巖石的密度、結(jié)構(gòu)、比重、單軸抗壓強(qiáng)度值等都會(huì)影響其殘余強(qiáng)度值。此外,不同的設(shè)備、不同的試驗(yàn)方法、樣品的大小等也會(huì)直接或間接影響殘余強(qiáng)度值。

        總之,巖石的內(nèi)在性質(zhì)是決定巖石殘余強(qiáng)度的最主要因素,其他因素最終也是通過(guò)影響其內(nèi)在巖性來(lái)影響其殘余強(qiáng)度。由于關(guān)于巖石殘余強(qiáng)度的研究較少,本文主要起拋磚引玉的作用,希望能在實(shí)際工程中起到參考作用。

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