試驗探究巖石抗剪強度參數與單軸抗壓強度的關系

宗靜，熊穗，潘海利

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

試驗探究巖石抗剪強度參數與單軸抗壓強度的關系

宗靜*，熊穗，潘海利

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

巖石單軸抗壓強度一方面可為勘測設計階段的工程地質評價和各類工程地基基礎設計提供參數和資料，另一方面可為施工階段的實體工程選用符合質量要求的石料提供依據，因此研究巖石的單軸抗壓強度具有重要的工程意義。通過平推法巖石直剪試驗，獲得內聚力c和內摩擦角Φ，通過分析內聚力c和內摩擦角Φ隨單軸抗壓強度的變化特點，得出抗剪強度參數與單軸抗壓強度的關系，為實際工程提供參考和輔助，具有重要指導意義。

內聚力；內摩擦角；單軸抗壓強度；平推法直剪試驗

1 前 言

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

巖石的抗剪強度用摩擦角(Φ)和內聚力(c)表示。結合巖石受力、破壞情況可把巖石強度分為抗剪斷強度(c、Φ)、抗剪強度和抗切強度(c)[3]。內聚力c和內摩擦角Φ，測定它們的值的方法很多，如現場大型直剪、室內中型直剪、變角剪等。通過室內直剪應力控制式的平推法直剪試驗，得出內聚力c和內摩擦角Φ，通過分析內聚力c和內摩擦角Φ的變化特點，可以使巖石試驗和巖體運動成為一個連續過程，探究巖石抗剪強度參數與單軸抗壓強度的關系，使巖石試驗獲取的數據可用于巖石工程設計，具有指導意義和參考意義。

2 試驗分析

2.1取樣的位置及地理情況

本次試驗的樣品取自南京地鐵五號線D5-XK04標沿線的巖石樣品。

場地下伏基巖層面埋深變大體由東往西逐漸加深。場地基巖為白堊系和侏羅系沉積巖，巖性包括：泥巖、泥質粉砂巖、粉細砂巖以及含礫砂巖，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)粉砂質泥巖(取樣深度：17.7 m～50.0 m)

2.2試樣的制備和試驗方法[4]

2.2.1 試樣的制備

本次試驗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 試驗方法

本試驗的試驗方法為平推法巖石直剪試驗

(1)巖石試件要求

①取樣應在現場采取試件，在采取、運輸和制備過程中，應防止產生裂縫和擾動。

②每組試驗試件的數量應為5個。

③巖石直剪試驗試件的直徑或邊長不小于 50 mm，試件高度應與試件的直徑或邊長相等。

(2)主要儀器和設備：應力控制式平推法直剪試驗儀。

(3)試驗結束后，應對試件剪切面進行描述：

①準確量測剪切面面積；

②詳細描述剪切面的破壞情況，擦痕的分布、方向和長度；

③測定剪切面的起伏差；

④當結構面內有充填物時，應準確判斷剪切面的位置，并記述其組成成分、性質、厚度、構造。

⑤應將各剪切階段特征點的剪應力和法向應力點繪制在坐標圖上，繪制剪應力與法向應力關系曲線，并應按庫倫-奈維表達式確定相應的巖石強度參數(c、Φ)[5]。

2.3試驗數據

根據三次工程巖石直剪試驗的強度參數與單軸抗壓強度的成果匯總，得出如下關系圖：

(1)試驗一為泥質粉砂巖：

圖1 泥質粉砂巖內聚力與單軸抗壓強度的關系

圖2 泥質粉砂巖內摩擦角與單軸抗壓強度的關系

數據分析：

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

②從圖1中，我們可以看出，隨著抗壓強度σc的增大，內聚力c的值也明顯的增大。從圖中可以發現，此巖塊的內聚力c主要在 0 MPa～2 MPa之間。內聚力c越大，離散性也越大。

③從圖2中可以看出，內摩擦角的變化比較平緩，一般都大于40°。

(2)試驗二為含礫砂巖：

圖3 含礫砂巖內聚力與單軸抗壓強度的關系

圖4 含礫砂巖內摩擦角與單軸抗壓強度的關系

數據分析：

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

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

(3)試驗三為細砂巖：

圖5 細砂巖內聚力與單軸抗壓強度的關系

圖6 細砂巖內摩擦角與單軸抗壓強度的關系

數據分析：

①由圖5我們可以發現，此工程的巖石的抗剪強度參數內聚力c值集中在 2 MPa，隨著單軸抗壓強度的增大，內聚力c值明顯呈增大的趨勢。在單軸抗壓強度大于 20 MPa之后，內聚力c比較離散。

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

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

如果我們把這些數據合在一起統計，如圖7所示，我們可以清楚地看出，隨著單軸抗壓強度的增大，抗剪強度c、Φ值明顯的呈增大趨勢。

圖7 單軸抗壓強度σc、內聚力c、摩擦角Φ關系曲線

數據分析：

Hoek于1990年提出根據Hoek-Brown準則定義的包圍心應力圓的包絡線的切線來確定Mohr-Coulomb黏聚力和內摩擦角的等效值的方法[6]：

已知有效正應力σn的值，Hoek-Brown的計算過程如下：

c=τ-σntanφ

求出c和φ后，巖體的單軸抗壓強度σc可由下式求得：

(1)

根據內聚力和內摩擦角，可以求出巖塊的單軸抗壓強度值σc，根據試驗數據匯總成表1：

研究區各類巖石物理力學參數統計表 表1

圖8 研究區內內聚力比單軸抗壓強度與單軸抗壓強度的關系

圖9 研究區內內摩擦角比單軸抗壓強度與單軸抗壓強度的關系

圖8、圖9是分別是單軸抗壓強度與內聚力比單軸抗壓強度的坐標圖和單軸抗壓強度與摩擦角比單軸抗壓強度的坐標圖，圖8我們可以看出，隨著單軸抗壓強度的增大，內聚力緩慢的增大。圖9是一個反函數曲線，隨著單軸抗壓強度的增大，在0 MPa～10 MPa范圍內，摩擦角急劇增大，在 10 MPa～30 MPa范圍內，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 研究區內單軸抗壓強度測試值與計算值的關系

3 結 論

(1)由此工程的數據表統計圖可以發現，不同的巖石，其抗剪強度參數c、Φ值基本都隨著抗壓強度的增大而增大。

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

①巖石本身的特性，由于巖塊材料的復雜性，巖塊本身中含有大量的裂隙、不同的膠結物，是個多項介質的復合材料，還有地層形成過程中產生的層理、節理、破碎帶等異常的地質結構，此外還有在采樣過程中產生的裂隙以及巖塊的破碎等。

②單軸抗壓是在無側限的條件下，受軸向力作用破壞時單位面積上所承受的荷載，而抗剪強度參數是在有側限限制的條件下進行的。

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，抗剪強度要求高徑比為 1∶1。

④巖石抗剪參數具有隨機性和離散性的特點，因此，當實驗數據較少時，試樣數量的不充分會引起統計上的不確定性，“真值”很可能在實驗數據限定的范圍以外；當實驗數據較多時，逼近“真值”的自由度很大，也很難給出一個確定的值。

[1] 羅國煜，李生林. 工程地質學基礎[M]. 南京：南京大學出版社，1990.

[2] 趙文強，王國瑞. 巖石抗剪強度測試方法的研究[J]. 河北地質學院學報，1988(3)：82～95.

[3] 沈明榮，陳建峰. 巖體力學[M].上海：同濟大學出版社，1999.

[4] JTG E41-2005. 公路工程巖石試驗規程[S].

[5] GB/T 50266-2013. 工程巖體試驗方法標準[S].

[6] 劉佑榮，唐輝明. 巖體力學[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

[7] 潘慶英，游桂芝. 巖石抗剪強度的參數C和φ值的測定[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，高級工程師，從事巖土工程檢測與巖土測試工作。