MTT7931998岩体原位抗剪强度的测定

中华人民共和国煤炭行业标准MT/T793—1998岩体原位抗剪强度的测定Testingofshearstrengthforrockmassinsitu1998-11-10批准1999-04-01实施国家煤炭工业局批准目次1范围1………………………………………………………………………………………………………2引用标准1…………………………………………………………………………………………………3定义1………………………………………………………………………………………………………4测定装备和仪器1…………………………………………………………………………………………5测定方法2…………………………………………………………………………………………………6试验成果整理和计算4……………………………………………………………………………………附录A(提示的附录)6………………………………………………………………………………………附录B(提示的附录)7………………………………………………………………………………………Ⅰ岩体原位抗剪强度的测定1范围本标准规定了在露天岩体工作面或岩体巷道内测定岩体原位抗剪强度和变形特性使用的仪器设备、测定方法、数据整理和计算。本标准适用于露天煤矿和岩土工程中需要对岩体进行强度评价,以便为边坡稳定分析和岩体破坏机制研究提供岩体原位抗剪强度指标和应力变形曲线。2引用标准下列标准包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。DLJ204—1981、SLJ2—1981“水利水电工程岩石试验规程”CFT-1国际岩石力学学会“测定抗剪强度的建议方法”3定义本标准采用下列定义。3.1原位岩体in-siturockmass未受采掘工程影响的天然岩体。3.2抗剪强度shearstrength岩石在给定正应力时受剪切破坏前能够承受的最大剪切应力。3.3峰值强度peakstrength岩石在外载荷作用下破坏时的最大强度。3.4残余强度residualstrength岩石在外载荷作用下破坏后,继续施加载荷,在变形不断增加时的强度。3.5屈服强度yieldeimitstrength岩石在外载荷作用下,变形由弹性变形(直线段)转为塑性变形(曲线段)时的强度。3.6压缩变形模量modulusofcompressiondeformation岩石在受压缩载荷作用时,正应力与相应应变的比值。3.7剪切变形模量modulusofsheardeformation岩石在受剪切载荷破坏时的剪应力与剪切线应变的比值。4测定装备和仪器4.1加载设备和用具4.1.1液压千斤顶,垂压:300kN,剪力:1000kN。4.1.2压力盒、油压泵。4.1.3传力柱、滚轴排、钢垫板、高压软管、快速接头。4.1.4钢索、地脚锚固螺栓。4.2荷载和变形测定仪器和用具4.2.1垂直和水平荷载传感器,量程分别为:500kN和1000kN。4.2.2垂直和水平位移传感器,量程:30mm,准确度0.01mm。14.2.3动态电阻应变仪、函数记录仪。4.2.4稳压电源、万用表、压力表。4.2.5地质描述用仪器及用具:罗盘、照相机、直尺、水准尺、吊锤等。4.2.6安装支架。5测定方法本标准规定采用直接剪切平推法。5.1试体制备在试验巷道中或岩体工作面开挖的地槽内选择工程地质条件尽量相同,试体受力的大小、方向及其与节理裂隙的相对位置尽量接近边坡实际受力状况(包括顺层与切层)的地方制样。每组6块(含备用试体),试体规格为长×宽×高等于70cm×70cm×50cm。试块间距考虑到加载、测试系统的安装和不影响试体剪切时受力,大于105cm。原位试体布置见图1。如采用工作面开地槽法,则同时要在试体四周浇注垂直荷载地脚锚固螺栓基础。试体剪切面要避免扰动,保持原状。图1原位试体布置图5.2试体地质素描试体制成后进行地质素描并照相,地质素描图见附录A。素描内容包括:a)试验巷道或地槽编号、位置、底部高程、方位硐深、断面形状和尺寸,以及各块试体编号、位置和尺寸;b)岩石名称、结构和主要矿物成分、颜色;c)层理、片理、节理、裂隙、断层等各类软弱结构面的产状,以及它们与受力方向的关系、宽度、延伸情况、连续性;d)被裂隙分割岩石单块成型尺寸,各类结构面的成因类型、力学属性、粗糙程度、充填物的性质,成分和软化泥化情况;e)试体风化程度、特点及含水条件及排出状况;f)施工开挖中受扰动情况。5.3浇注试体保护罩地质描述后即可在试体顶部和四周浇注高强度的混凝土保护罩,罩的底部要求达到预定的剪切缝2上缘,距离底面1~2cm。同时在侧面安设水平位移测量标点。包封后试块的顶部和侧面承载面必须平坦,与垂直和水平承载基面平行,表面不平度允许误差为±3mm。5.4基岩面和支承座加工5.4.1平整试体范围外的基岩面,使起伏差不超过1cm,以不妨碍试验发生的剪切位移和侧向位移。5.4.2检查承受水平反力和支承垂压的岩体是否有足够的强度和完整性,加工平整。如岩体强度不够或不平整,则按实际需要和试体保护罩同时浇灌混凝土支承后座和顶面。确保后座面与试体推剪面平行,垂直支承顶面与试体顶面平行,不平行度小于3mm。5.4.3对水平剪切千斤顶、荷载传感器、传力顶头支架放置基面进行加工,以保持剪力水平,并使力的中心线通过剪切线宽的1/2处。5.5安装加载传力装置和测量系统5.5.1对所有加载装置和测量系统进行检查和标定,确认可靠后在试体上按要求标出垂直和剪切加载安装位置。先安装垂直加荷系统,后安装剪切加载系统及测量系统。5.5.2垂直加荷系统安装:在试体顶面先铺一垫层细砂,在垫层上放传力钢板,用水平尺抄平,然后依次放滚轴排、液压千斤顶(或压力盒)、荷载传感器、传力柱、顶部钢板。整个垂直加荷系统必须与剪切面垂直(用水准尺或铅球吊线校核),垂直合力应通过剪切面中心。地槽式垂压施加,用锚杆作反力装置,安装方法同上。5.5.3剪切加荷系统安装:水平加荷千斤顶要严格定位,着力距剪切面点距离要控制在试件沿推力方向边长的6%以内,即距离在4.2cm以内,每次试验时要对这一距离进行实测记录。5.5.4测试系统安装:采用自动绘制剪力—变形曲线,同时也可进行测表直读的测试记录系统。测试系统见图2。全部连线接好后再给电源,并按仪器要求预热后再进行试验。图2原位剪切测试系统框图5.6进行平推法直接剪切试验5.6.1首先选择一块试体进行单点法测定,即对这同一试体以四级不同垂压进行剪切并自动记录剪切—变形曲线,取得经验后再对其他试体进行常规多点试验。5.6.2对四块试体分别以4种垂压进行剪切,垂压等级可以按实际埋深计算,也可分别按100、200、300、400kPa四种垂压进行。剪力按第一块单点试验取得的破坏剪力进行设计分级。5.6.3正式测定前,首先按标定值调整动态电阻应变仪之衰减、函数记录仪之测量范围;函数记录仪横坐标(X)为垂直位移Δh1,纵坐标(Y1)为垂直荷载P1,纵坐标(Y2)为剪力T。并采用专门设计的测定装置测定不同垂压(4级)时滚轴排的摩擦系数f。5.6.4分别施加垂直荷载和剪切荷载。5.6.4.1垂直荷载施加:荷载分4~5级施加,加荷用时间控制,每5min加一次,加荷后函数记录仪自动绘图,并可从应变仪输出端读数,5min后再读一次后即可施加下一级荷载。加到预定荷载后,仍按5min观察记录图和读数,当记录笔不动,两次垂直变形读数之差不超过0.01mm时,认为稳定,可开始3施加水平剪切荷载。此时函数记录仪绘制而得P1-Δh1曲线。调换函数记录仪横坐标为水平位移ΔL,即可开始施加水平剪切荷载。5.6.4.2剪切荷载施加:开始按预估的最大剪切荷载的10%分级均匀等量施加(加荷开始函数记录仪即行自动绘制剪切荷载T、垂直荷载P1与水平位移ΔL曲线)。以时间控制,每5min加荷一次,每级荷载施加前后测读变形一次(便于和自动记录对照),按附录B表B1记录。当所加荷载引起的水平变形为前一级荷载引起变形的1.5倍以上时,减荷按5%施加,直至剪断。从绘制的图上看出过屈服点后,应密切注视和测记。在全部剪切过程中,应始终调整垂直荷载保持为常数。5.6.4.3第一块试体的单点法试验,当从图上看出进入屈服区后缓慢卸载,按计划施加下一级垂直荷载,再施加剪切荷载,直至在某一垂直荷载下剪断。5.6.4.4试体剪断后,继续测记在大致相等剪力下不断发生1~1.5cm以上大位移的残余抗剪强度,然后分5级将剪切荷载退到零,绘制并观测回弹变形。5.6.4.5抗剪试验结束后,可根据需要进行沿剪断面的抗剪摩擦试验,或单点摩擦试验。然后拆卸装置,先拆水平剪切装置,再拆垂压装置。5.7试验后进行地质素描试验结束拆卸试验装置后,翻转试体,对剪断面进行地质素描并照相。包括:破坏形式、起伏情况、剪断岩体的面积、擦痕范围及方向、裂隙分布等。并采取剪切面处岩样测定含水、密度及进行其他试验。5.8全部试验完成后,对测试系统进行再次标定,以评价测试精度和误差。6试验成果整理和计算6.1对自动绘制的水平剪切T1、垂直荷载P1与水平位移ΔL曲线及加垂压时的P1-Δh1,曲线进行整理和取值计算,并可对照直续记录成果比较。6.2在曲线上选择和确定各种剪切阶段特征点:屈服、峰值、残余,并按标定曲线计算相应的剪力、垂直荷载及相对应的水平位移和垂直位移值。如屈服极限不明显,则只需确定峰值和残余。下同。6.3根据实测的剪切面尺寸,按下式计算各种特征点时的应力和变形。分别为峰值应力、应变,残余应力、应变和屈服应力、应变。σ=10(P1+P2)A=10PA……………………(1)τ=10(Tt-Tf)A=10TA……………………(2)ε1=Δh1h……………………(3)ε2=ΔLL……………………(4)式中:P———作用于剪切面上的总垂直荷载(P=P1+P2),kN;P1———传感器出示的根据曲线计算的垂直荷载,kN;P2———传感器以下钢板、千斤顶、滚轴排等设备重量及试体重量,kN;T———作用于剪切面上的总水平剪力(T=Tt-Tf),kN;Tt———传感器出示的根据曲线计算的剪力,kN;Tf———滚轴排摩擦阻力(Tf=P3·f),kN;P3———滚袖排以上垂直荷载,kN;f———滚输排摩擦系数;σ———作用于剪切面上的正应力,MPa;r———作用于剪切面上的剪应力,MPa;4ε1———垂直应变;ε2———水平应变;h、Δh1———分别为试体高度和对应于σ下的变形量,cm;L、ΔL———分别为试体剪切面长度和对应于τ下的变形量,cm;A———实测的剪切面面积,cm2。6.4按库仑表达式计算各种相应特征点的凝聚力C和内摩擦角φ。τ=C+σ·tanφ(MPa)……………………(5)6.5计算压缩变形模量E和剪切变形模量G。E=σε1……………………(6)G=τε2(MPa)……………………(7)6.6将自动绘制的剪力、垂压—水平位移曲线注明坐标符号、数值或进行坐标变换(剪力垂压换成剪应力、垂直应力,位移换成应变)后作为成果之一提交用户应用。5附录A(提示的附录)原位剪切试验试体地质素描图6附录B(提示的附录)表B1岩体原位抗剪强度测定记录表工程名称:剪切面积:cm2试验日期:岩体名称:垂直传感器标定系数:试体编号:剪力传感器标定系数:时间力检测表读数垂直变形测表(0.01mm)水平变形测表(0.01mm)说明时分垂压剪力12341234记录者:校核者:计算者:7