2014年第1期西部探矿工程*收稿日期:2013-04-12第一作者简介:潘庆英(1976-),女(苗族),贵州松桃人,工程师,现从事地质矿产勘查工作。岩石抗剪强度的参数C和φ值的测定——以贵州省开阳县兖矿50×104t醇氨厂初勘工程为例潘庆英*1,游桂芝2(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院,贵州贵阳550005;2.贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队,贵州六盘水553004)摘要:岩石的抗剪强度是岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力,它的2个参数——内聚力C和内摩擦角φ,测定它们的值方法很多,如现场大型直剪、室内中型直剪、变角剪等。讨论室内中型直剪应力控制式的平推法直剪试验。得出内聚力C和内摩擦角φ,通过分析内聚力C和内摩擦角φ的变化特点,可以使岩石试验和岩体运动成为一个连续过程,岩石试验获取的数据可用于岩石工程设计。关键词:岩石中型直剪;剪切荷载;库伦表达式;内聚力;内摩擦角中图分类号:TU458文献标识码:B文章编号:1004-5716(2014)01-0013-03岩石的抗剪强度是岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力,岩石抗剪强度划分为3种类型,即抗剪断强度、抗剪强度及抗切强度。我们现在探讨抗剪断强度和抗剪强度(摩擦强度);抗剪断强度:是试件在一定法向应力作用下,沿预定剪切面剪断时的最大剪应力,反映了岩块的内聚力和内摩擦阻力,它的2个参数——内聚力C和内摩擦角φ。抗剪强度(摩擦强度):指试件在一定法向应力作用下,沿已有破裂面(层面、节理等)再次剪切破坏时的最大剪应力。岩石中型直剪试验是试件在法向压力作用下沿预定剪切面剪断时的最大剪应力和沿已有破裂面(层面、节理等)再次剪切破坏时的最大剪应力。岩石中型直剪试验是将同一类型的一组岩石试件,在直剪试验仪上,用垂直和水平荷载进行剪切,使岩石从水平方向剪切,然后计算出法向压应力和剪应力,从而绘制法向压应力σ与抗剪断强度τ之关系曲线,求得岩石的内聚力C和内摩擦角φ。通过分析内聚力C和内摩擦角φ的变化特点,可以使岩石试验和岩体运动成为一个连续过程,岩石试验获取的数据可用于岩石工程设计。1岩石中型直剪实验部分(1)取样要求:取样应在现场采取试件,在采取、运输和制备过程中,应防止产生裂缝和扰动。(2)主要仪器和设备:①试件制备设备。②试件饱和设备。③中型直剪试验仪。(3)试验结束后,应对试件剪切面进行描述:①准确量测剪切面面积;②详细描述剪切面的破坏情况,擦痕的分布、方向和长度;③测定剪切面的起伏差;④当结构面内有充填物时,应准确判断剪切面的位置,并记述其组成成分、性质、厚度、构造。(4)试验成果整理:①抗剪断强度:是在垂直压力P作用,并且在水平方向施加剪切力T,直至岩石试件被剪断为止,此时,剪切面上正应力σ及剪应力τ分别为:σ=P/A(1)τ=Q/A(2)式中:σ——作用于剪切面上的法向应力,MPa;τ——作用于剪切面上的剪应力,MPa;P——作用于剪切面上的总法向荷载,N;Q——作用于剪切面上的总剪切荷载,N;132014年第1期西部探矿工程A——剪切面积,mm2。由莫尔—库伦强度理论可知,岩石抗剪断强度x为:x=σtanφ+C(3)②抗剪强度:是岩石试件具有先存剪切面,在垂直压力P作用下,并且在水平方向施加剪切力T,直到试件发生剪切滑动为止,此时,剪切面上正应力σ及剪应力τ分别为:σ=P/A(4)τ=Q/A(5)参数解释同上。由莫尔—库伦强度理论可知,岩石抗剪强度x为:x=σtanφ(6)由于岩石中有先存剪切面,所以(6)式中没有包括内聚力C,显然,岩石抗剪强度大大低于抗剪断强度。③绘制各法向应力下的剪应力与剪切位移及法向位移关系曲线,多数是一条弧线,一般把它简化为直线形式。④根据简化直线,确定相应的岩石抗剪强度参数。2实例部分现对兖矿50×104t醇氨厂初勘工程钻孔岩石芯样进行室内中型直剪试验。该工程岩石直剪试验所取岩样均为钻孔岩芯样,岩性为灰岩,全部中剪试验均在饱和状态下完成。试样制备中,要求长宽比按2∶1进行,因钻孔岩石芯样的直径约7cm,所以将岩石芯样切割成长约14cm,并磨平、光滑,浸水饱和约一周后,在室内中型剪切仪上用专用剪切夹具进行剪切试验。直剪试验过程中试验记录表及计算结果见岩石中剪试样计算成果表(见表1),表中荷重是根据垂直(水平)表读数而来,根据库伦表达式荷重与剪切面积的比值,即可得正应力σ值;剪应力τ值与之相似。根据表1用米格子绘制正应力σ与剪应力τ关系曲线图(见图1),在图上计算内聚力C和内摩擦角φ值。斜线段与纵轴的交点,零到交点的距离为内聚力C值,斜线段与水平线的夹角为内摩擦角φ值,试验成果见中剪试验成果表(表2、表3)。表1岩石中剪试样计算成果表剪切性质抗剪断抗剪抗剪抗剪岩样编号37-137-237-337-437-537-137-237-3垂直压力表读数及荷重垂直表读数57911102.505.007.009.002.505.007.009.002.505.007.009.00荷重(kN)21.4225.4029.9133.2435.015.3310.0014.0018.675.3310.0014.0018.675.3310.0014.0018.67σ(MPa)5.716.788.098.739.341.422.673.734.981.422.673.744.981.442.703.795.05水平压力表读数及荷重水平表读数23.0025.0029.0025.0027.00678956785678荷重(kN)50.5357.0563.4468.6571.929.0012.0015.0018.008.6511.6514.6517.649.0012.0015.0018.00τ(MPa)13.4715.2317.1618.0319.192.383.183.984.842.313.113.914.712.433.254.064.87剪切面积(cm2)37.5137.4636.9738.0837.4837.5137.5137.5137.5137.4637.4637.4637.4636.9736.9736.9736.97备注ZK37(灰岩)试验岩样的岩性构造特征及剪切试验后的剪切面情况如下:该组中型直剪岩样的岩性为灰岩,外观上看,多有纵向贯通发育的褐黄色、紫红色浸染裂隙,部分岩样上裂隙间胶结差,尤其是在浸水饱和后较明显,142014年第1期西部探矿工程部分岩样上有方解石条带及方解石小团块分布,但未贯通试样。该组岩样均不同程度发育有横向的缝合线构造,个别岩样上发育的缝合线构造胶结差。剪切试验过程中,全部岩样的剪断面均是沿岩石本身剪切破坏(纵向发育的缝合线构造对剪切强度影响不大),由于多数岩样在纵向发育的裂隙间胶结差,造成剪断面起伏差偏大,剪断面多数不平整,个别岩样剪断面破碎,剪切方向最大起伏差在0.8~2.0cm,剪断面上擦痕较明显,剪切碎块分布少,部分岩样剪断面上有擦痕、粉末分布和少量碎块。3结论内聚力C反映岩石的连续部分的连结力大小,ZK37钻孔内聚力C为5.16MPa,内摩擦角φ则主要反映了岩石中微裂隙面的摩擦阻力和微裂隙面的发育情况,ZK37钻孔内摩擦角tanφ为1.48,见表2、表3。从试验结果分析该组岩样中纵向紫红色浸染的裂隙较发育,且部分岩样上裂隙间胶结差,在剪切试验过程中,大部分岩样在剪断破坏时只有轻微响声,反映该组岩样抗剪强度不高,岩石完整性稍差。通过分析内聚力C和内摩擦角φ的变化特点,可以使岩石试验和岩体运动成为一个连续过程,岩石试验获取的数据可用于岩石工程设计。参考文献:[1]唐大雄,孙愫文.工程岩土学[M].地质出版社,1987:11.[2]GB/T50266-99工程岩体试验方法标准[S].取样位置ZK37钻孔取样深度(m)10.80~11.0011.20~11.6011.20~11.40岩石名称灰岩岩样编号37-137-237-3抗剪强度指标tanφ0.710.690.68C(MPa)1.351.331.40备注剪切性质:抗剪强度(摩擦强度)表3中剪试验成果表表2中剪试验成果表取样位置ZK37钻孔取样深度(m)10.80~11.80岩石名称灰岩岩样编号37-1~37-5抗剪断强度指标tanφ1.48C(MPa)5.16备注剪切性质:抗剪断强度15