簡介
岩體強度是岩體力學研究的一個基本問題, 岩體抗剪強度是岩體工程穩定性計算中的基本參數.岩體是由各種形狀的岩石塊體和節理。這裡泛指所有不連續結構面, 包括節理、斷層、層理以及其它弱面組成的複雜地質體, 其力學性質受岩石材料性質和節理性質的控制.目前, 獲取岩體抗剪強度參數的主要方法是剪下實驗與三軸壓縮實驗.對紅層軟岩試樣進行了大量的強度測定, 發現同一種岩樣用剪下與三軸壓縮2種實驗方法測得的抗剪強度參數不一致 。
節理岩體抗剪強度參數的整理
岩體大體上可分為2種:一種是接近於均質的, 岩體強度主要取決於岩石材料;另一種是非均質的, 岩體強度主要受軟弱結構面特徵(強度、產狀、粗糙度和充填物等)控制.
1 均質岩體的強度
對均質岩體, 莫爾-庫侖強度理論認為, 剪下與三軸壓縮實驗的破壞機理都是剪下破壞, 破壞準則可表述成式(1a)和(1b)2 種形式:τ= c +σntan φ, (1a)
式中:τ為極限抗剪強度;σn 為剪下面上的法向應力;c , φ分別為岩石的粘聚力和內摩擦角.
σ1 =2c tan(45°+ φ2 )+σ3tan2(45°+ φ2 ), (1b)
式中:σ1 , σ3 分別為最大和最小主應力.
當剪下實驗的τ和σn 的組合滿足式(1a)或三軸壓縮實驗的σ1 和σ3 的組合滿足式(1b)時, 岩石開始破壞.
2 節理岩體的強度
按莫爾-庫侖強度理論, 均質岩體在三軸壓縮下破壞時, 破壞面與最大主應力面總是成45°+φ/2 .但對軟弱結構面(以下簡稱弱面)節理岩體來說, 破裂面可能與最大主應力面成45°+φ/2 , 但更多情況下破裂面就是弱面MM(見圖1).由於旨在說明原理, 因此只考慮1 組弱面的情況, 此時剪下破壞準則可以用弱面上的法向應力σ和抗剪強度τ表示:
τ= cj +σtan φj , (2)
式中:cj 和φj 分別為弱面的粘聚力及內摩擦角.
為了便於用三軸壓縮時可直接測量的最大主應力σ1 和最小主應力σ3 , 將法向應力σ和抗剪強度τ分別用σ1 , σ3 以及σ1 與弱面的夾角β 表示為:
σ= 12 (σ1 +σ3)+ 12 (σ1 -σ3)cos 2 β , (3)
τ=- 12 (σ1 -σ3)sin 2β . (4)
將式(3)和(4)代入式(2), 得到用σ1 , σ3 和β 表示的沿弱面破壞的抗剪強度準則:
σ1 -σ3 = 2cj +2σ3tan φjsin 2 β -tan φj cos 2β -tan φj. (5)
式(2)和(5)中, cj , φj 均為常數.一般, 完整岩體的抗剪強度大於弱面的抗剪強度, 即有cj <c , φj <φ 。
紅層軟岩抗剪強度的實驗測定
抗剪強度參數依據《工程岩體實驗方法標準》, 三軸壓縮實驗採用美國產MTS815Test star 程控伺服岩石力學實驗系統, 完整岩石和弱面的剪下實驗在專門的岩土剪下實驗機上進行, 對紅層軟岩試樣進行了大量強度測定。(每組超過10 個試樣), 強度參數c , φ的實驗結果見表1 .
實驗結果分析
一般情況下, 岩石三軸壓縮和剪下實驗處於不等價的應力狀態.三軸壓縮實驗時, 試件處於三向應力狀態, 基本上能保證載荷是均勻分布的, 獲得的抗剪強度參數可以認為是真實的抗剪強度參數;剪下實驗時, 根據韓佳泳的分析, 獲得的摩擦角φ比實際值偏小, 而內聚力c 偏大.但從表1 可見, 剪下實驗比三軸壓縮獲得的φ值大,而c 值基本一致.
紅層軟岩中大多數都存在弱面, 沿弱面剪下所得的抗剪強度參數最小, 這是容易理解的.因為剪下實驗是對固定的剪下面進行的, 即使試樣中存在弱面, 固定剪下面正好是弱面的機率很小, 故可以認為剪下實驗獲得的是完整岩石的抗剪強度參數.而對於三軸壓縮實驗, 根據前面的分析, 只要弱面與最大主應力方向的夾角β 滿足βmin <β <βmax , 岩體強度就受弱面的控制.值得注意的是, 在整理三軸壓縮實驗結果時, 仍然是按均質岩石的破壞準則式(1b)進行的, 由於式(1b)和式(5)都可以看成σ1 =A +Bσ3 的形式, 按2 式中的係數對應相等, 由此可得
cr =cj tan(45°- φr2 )sin 2β -tan φj cos 2 β -tan φj, (6)
tan(45°+φr2 )= sin 2β -tan φj cos 2β +tan φjsin 2β -tan φj cos 2β -tan φj, (7)
式中:cr 和φr 分別為實驗結果按均質岩石公式擬合得到的岩石粘聚力及內摩擦角.
聯立方程(6)和(7)求解, 得
cr = cj1(sin 2β -tan φj cos 2 β)2 -tan2 φj, (8)
φr =2arctansin 2β -tan φj cos 2 β +tan φjsin 2β -tan φj cos 2 β -tan φj-90°. (9)
式(8)和(9)說明, 即使剪下破壞受弱面的控制, 擬合得到的岩石粘聚力cr 和內摩擦角φr 並不是cj 和φj , 而是cj , φj 和β 的函式, 即cr =f 1(cj , φj , β), φr =f 2(φj , β).為了進一步了解cr 和φr 隨cj , φj 和β 變化的情況, 分別令φj =15°, 30°和45°, β 在φj ～ 90°之間取值,
只有在β =45°+φj/2 時, 才有cr =cj , φr =φj ;當β 大於或小於45°+φj/2 時, φr/ φj 和cr/ cj 隨β -(45°+φj/2) 的增大而增大, 介於1 .0 ～ 1 .7 之間.通過三軸壓縮實驗得出的參數是cr 和φr , 為了便於預測弱面的抗剪強度參數cj 和φj , 將式(8)和(9)改寫成
cj = cr (sin 2β -tan φj cos 2β)2 -tan2 φj , (10)
φj = tan2(45°+ φr2 )-1 tan β -tan2(45°+φr2 )co t2 β . (11)
同樣, 取定cr 和φr , 可以獲得cj 和φj 隨β 變化的規律.另外, 三軸壓縮時, 可以認為有部分試樣是完整的岩塊或者不滿足βmin <β <βmax , 這時岩體的抗剪強度參數為岩石材料的粘聚力c 及內摩擦角φ.實驗結果表明,
紅層軟岩中由於微裂隙(弱面)的存在, 三軸壓縮實驗時, 不同圍壓σ3 下的岩石強度σ1 並不一定遵循同一破壞規律, 使得σ1-σ3 的實驗曲線相關性較差(根據實驗結果, 每組6 個試樣得出的相關係數在0 .90左右).
綜上所述, 採用三軸壓縮實驗時, 在微裂隙發育的情況下, 可以用擬合得到的cr , φr 來預測節理面的cj 和φj 的範圍;在微裂隙不發育的情況下, 可以認為擬合得到的c r 和φr 就是岩石材料的c 和φ .
總結
通過對紅層軟岩抗剪強度參數的實驗結果及對實驗結果產生差異的原因的分析, 可以得到以下認識:
(1)紅層軟岩的內摩擦角從完整岩石剪下、三軸壓縮到弱面剪下呈現出由大到小的規律;
(2)岩石材料的抗剪強度參數最好採用剪下實驗的結果, 因為三軸壓縮實驗可能會由於微裂隙引起強度降低;
(3)岩體裂隙面的抗剪強度參數可以通過三軸壓縮實驗結果預測, 但最好的方法是進行沿節理面的現場原位剪下實驗 。
