利用三轴压缩测量岩石不连续剪切面抗剪强度的方法

摘要

本发明涉及一种抗剪强度测量方法，尤其涉及一种利用三轴压缩测量岩石不连续剪切面抗剪强度的方法。该方法包括：S100：制备三轴压缩试验所需的岩石试样；S200：对岩石试样进行三轴压缩试验，其中施加围压后施加轴向载荷，直至岩石试样发生剪切破坏并产生残余变形；S300：测量剪切面与水平方向的角度；S400：设定若干级围压，逐级进行三轴压缩试验；S500：根据试验数据和岩石试样破裂角度，计算出正应力与剪应力，利用最小二乘法拟合正应力与剪应力的关系曲线，得出抗剪强度。本发明利用残余变形代替水泥浇注法对岩石试样不连续剪切面进行抗剪试验，能够快速、准确地得出岩石试样不连续剪切面的抗剪强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗剪强度测量方法，尤其涉及一种利用三轴压缩测量岩 石不连续剪切面抗剪强度的方法。

背景技术

在岩质边坡工程中，研究岩体不连续面的空间几何特征和力学特性以及 预想滑动剪切面的力学特征是研究岩质边坡稳定性的最重要的部分，这些不 连续面和滑动剪切面的力学特征中最重要的力学性质就是抗剪强度，对此， 目前普遍采用库仑准则进行表述。

室内岩石试样不连续面抗剪强度试验主要采用弱面直剪仪进行，如图1 所示。因为岩石试样不连续面的试样很难加工成规则的形状，所以要用水泥 砂浆将岩石试样不连续面的试样浇注到剪切盒中来制备试样。首先将采集的 岩石试样不连续面的试样用绳索捆紧，放入下剪切盒中，使不连续面与剪切 盒的上边缘平行且高出3～5mm，然后倒入水泥砂浆，振捣抹平，在整个过程 中注意岩石试样不连续面与剪切盒的上边缘平行，且高出3～5mm，岩石试样 不连续面不能下陷至水泥砂浆中。待下剪切盒中的水泥砂浆凝固后，然后翻 转剪切盒180度，以便浇注上半部分岩石试样，方法与浇注下半部分一样， 两剪切盒的间隙保持在6～10mm，待水泥砂浆养护28天以上(或水泥砂浆强 度超过所施加的应力值后)即可用来进行试验。

试验采用分级加载的方法进行，法向载荷分3～5级施加，最大法向载荷 根据岩石试样不连续面在现场所受应力值设定，每施加一级法向载荷，进行 一次剪切试验。试验过程中先施加法向载荷，再施加剪切载荷，同时记录剪 切应力值、剪切位移和法向位移。剪切载荷按照预计的最大值等分8～12级 施加，当剪切位移增量为前级位移增量的1.5倍时，将级差减半。剪切载荷 施加采用时间控制，对于无充填的不连续面，每隔5分钟施加一级，对于充 填软弱物质的不连续面根据剪切位移的大小，每隔10分钟或15分钟施加一 级。试样超过峰值强度后，继续施加剪切载荷，直至剪切位移达到10mm停止 试验。

根据剪切应力与剪切位移关系曲线，得出每级法向应力下的剪切应力峰 值，利用最小二乘法拟合正应力与剪应力的关系曲线，得出岩石试样不连续 面的抗剪强度。

这种方法存在以下一些局限性：

1、试样制备时间长、精度低；

岩石试样不连续面试样需要使用水泥砂浆浇注到剪切盒中，且等待水泥 砂浆凝固，这需要很长一段时间；同时在浇注试样时，在水泥凝固过程中试 样很容易发生不均匀下陷或倾斜，导致不连续面与剪切载荷不水平或不垂直， 在试验时就存在施加载荷的角度问题。

2、施加载荷受限于水泥砂浆强度或岩石试样与水泥砂浆的握裹力；

大部分人工配制的水泥砂浆其强度低于天然岩石试样强度，在试验过程 中所施加的法向载荷或剪切载荷超过水泥砂浆强度，或是岩石试样与水泥砂 浆的交界面上产生应力集中，导致水泥砂浆发生开裂或破坏，导致试验无法 继续进行，或是水泥砂浆和岩石试样之间发生错动等情况，影响试验结果。

3、水泥砂浆变形对于试验精度的影响；

在试验中要记录剪切位移和法向位移，因为试样周围浇注有水泥砂浆， 在施加载荷时，水泥砂浆也会发生位移，这部分位移也被记录在岩石试样不 连续面的剪切位移和法向位移中，降低了试验的精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中试样制备时间长、精度低的问题，提 供一种新型的岩石试样不连续剪切面抗剪强度测量方法，达到能够快速、准 确地得出岩石试样不连续剪切面的抗剪强度的目的。

本发明提供如下技术方案：

一种利用三轴压缩测量岩石不连续剪切面抗剪强度的方法包括如下步 骤：S100：制备三轴压缩试验所需的岩石试样；S200：对岩石试样进行三轴 压缩试验：施加围压后施加轴向载荷，直至岩石试样发生剪切破坏并产生残 余变形；S300：取出并打开破坏后的岩石试样，观察其剪切破坏面是否为单 一宏观的剪切面，若是则测量剪切面与水平方向的角度；通常这种试验方法 主要用于没有明显层理面的岩石试样，因为具有层理面的岩石试样在发生剪 切破坏时受层理的影响，不能产生单一宏观的剪切面，且破裂面不平整，不 能视同为单一不连续剪切面；S400：根据岩石试样不连续面所处现场应力条 件，设定若干级围压，其中最大围压不能超过岩石试样不连续面所处现场应 力值，将剪切裂隙对齐至初始状态，使岩石试样剪切破坏面恢复至原始状态， 再次进行三轴压缩试验，直至若干级围压全部完成，结束试验；以及S500： 计算岩石试样在不同围压作用下轴向应力与轴向应变数据，根据Jaeger单一 不连续面强度理论，岩石试样在极限应力条件下不连续面上的正应力和剪应 力用主应力σ₁和σ₃分别表达为：

$\sigma =\frac{({\sigma }_1+{\sigma }_3)}{2}+\frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{2}\cos 2\beta$

$\tau =\frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{2}\sin 2\beta$

式中：σ₁为最大主应力，单位为MPa；

σ₃为最小主应力，单位为MPa；

β为不连续面与水平方向的夹角，

根据试验数据和测量出的岩石试样破裂角度，计算出在此剪切面上的正应力 与剪应力，利用最小二乘法拟合正应力与剪应力的关系曲线，得出岩石试样 不连续剪切面的抗剪强度。

作为优选，在步骤S200所述的对岩石试样进行的三轴压缩试验中，围压 不超过岩石试样单轴抗压强度的1/3。这是因为围压过高容易产生塑性变形， 岩石试样不会发生剪切破坏，而产生多重剪切破坏。试验机采用刚性三轴试 验机。

作为优选，在步骤S400中，施加第一级围压后施加轴向载荷，直至岩石 试样发生滑动摩擦变形，同时记录岩石试样变形，岩石试样的总变形量控制 在1％内；试验结束后取出并打开破坏后的岩石试样，观察其剪切破坏面，然 后将剪切裂隙对齐至初始状态，使岩石试样剪切破坏面恢复至原始状态，施 加第二级围压继续进行三轴压缩试验，直至若干级围压全部完成，结束试验。

本发明的技术效果：

1、利用三轴压缩中岩石试样剪切破坏面上产生的残余变形代替水泥浇注 法的岩石试样不连续剪切面的抗剪试验；

2、现有技术的方法试样制备时间长，精度低，而本发明的测量方法只需 要制备标准的岩石试样即可开展测量；

3、现有技术的方法施加载荷受限于水泥砂浆的强度或岩石试样与水泥砂 浆的握裹力，而本发明的测量方法不会受到这种限制，只要通过改变最小主 应力σ₃就可以改变剪切面上的正应力，然后通过施加最大主应力σ₁，可以得 出此岩石试样不连续剪切面的抗剪强度。

4、现有技术的方法只能测量垂直方向和水平方向2个方向的变形，不能 得出空间上的3个方向的变形，而利用三轴压缩可以通过测量岩石试样的轴 向变形和径向变形，从而完整计算岩石试样的体积扩容。

附图说明

图1是现有技术采用弱面直剪仪测量示意图；

图2是本发明三轴压缩中使用的三轴压缩仪；

图3是本发明的流程图；

图4是粗砂岩剪切面抗剪试验中剪应力与位移关系曲线；

图5是粗砂岩剪切面三轴压缩试验中轴向应力与应变关系曲线；以及

图6是所述岩石剪切面直剪试验与三轴压缩试验中抗剪强度的对比曲线。

图中标号如下：1-支撑顶柱，2-正应力加压千斤顶，3-现有技术岩石试样， 4-剪切位移测量装置，5-剪切面，6-上剪切盒，7-下剪切盒，8-剪切力加压千 斤顶，9-轴向位移测量仪，10-本发明岩石试样，11-径向位移测量仪，12-方向 活塞。

具体实施方式

根据岩石试样强度理论的库仑准则，岩石试样三轴压缩下会发生剪切破 坏，其强度准则为：

τ＝c+σtanφ        (1)

式中：c为岩石试样的粘聚力，单位为MPa；

σ为正应力，单位为MPa；

φ为岩石试样的摩擦角；

岩石试样在极限应力条件下剪切面上的正应力和剪应力可用主应力σ₁和 σ₃表达为：

$\sigma =\frac{({\sigma }_1+{\sigma }_3)}{2}+\frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{2}\cos 2\alpha ---\left(2\right)$

$\tau =\frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{2}\sin 2\alpha ---\left(3\right)$

式中：σ₁为最大主应力，单位为MPa；

σ₃为最小主应力，单位为MPa；

α为剪切面与水平方向的夹角。

将(2)、(3)式带入(1)式，可以得出剪切面上的主应力σ₁和σ₃的表达 式：

${\sigma }_1={\sigma }_3+\frac{2(c+{\sigma }_3\tan \phi )}{(1-\tan \phi \cot \alpha )\sin 2\alpha }---\left(4\right)$

将(4)式对α求导，令一阶导数为零，可以求出岩石试样发生剪切破坏 的角度为：

$\alpha =\frac{\pi }{4}+\frac{\phi }{2}---\left(5\right)$

其物理意义是岩石试样在角度为α的剪切面上受最大剪应力，并沿角度 为α的剪切面发生剪切破坏。岩石试样在三轴压缩条件下发生破裂后，岩石试 样试件产生宏观裂隙，该宏观裂隙的角度为α，继续加载时岩石试样的应力不 再增长而应变逐步增加，岩石试样将会沿破裂面发生滑动变形，即表现出岩 石试样的残余强度。

Jaeger(1960)得到含单一结构面的岩体的破坏特征受结构面的方位控制 的结论，并推导出相应的理论公式，提出了著名的“单弱面理论”。

根据Jaeger单一不连续面强度理论可以得出，当岩石试样不连续面的角 度为时，岩体将沿此不连续面发生破坏。于是，岩石试样在三轴压缩 条件下发生剪切破坏后的残余强度可以看作单一的不连续剪切面的剪切强 度。

在残余变形的条件下，改变最小主应力σ₃，那么最大主应力σ₁也会发生 改变，同时，作用在这个剪切面上的正应力和剪应力也会发生改变。所以， 通过σ₃的改变可以得出不同的σ₁，即可以得出此岩石试样不连续剪切面的抗 剪强度。同时，可以通过测量岩石试样的轴向变形和径向变形计算其体积扩 容。

图2是本发明所述的三轴压缩中所使用的三轴压缩仪的示意图，图3是 本发明所述的测量方法的流程图，如图3所示，本发明所述的方法包括：

步骤S100：制备三轴压缩试验所需的岩石试样，直径为50mm，高度为 100～150mm，试件两端面的不平整度允许偏差为±0.05mm。通常这种试验方法 主要用于没有明显层理面的岩石试样，这是因为，具有层理面的岩石试样在 发生剪切破坏时受层理的影响，不能产生单一的宏观剪切面，且破裂面不平 整，不能视为单一不连续剪切面。

步骤S200：按照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试样试验 规程(SL264-2001)》进行三轴压缩试验(其围压不得超过岩石试样单轴抗压 强度的1/3，这是因为，围压过高容易产生塑性变形，岩石试样不会发生剪切 破坏，而是产生多重剪切破坏)。试验机易采用刚性三轴试验机，施加轴向载 荷，直至岩石试样发生剪切破坏并产生残余变形。

步骤S300：结束三轴压缩试验，取出岩石试样，并打开破坏后的岩石试 样，观察其剪切破坏面是否为单一的宏观剪切面，测量剪切面与水平方向的 角度。

步骤S400：将岩石试样剪切破坏面恢复至原始状态(将剪切裂隙对齐至 初始状态)，继续进行三轴剪切试验。试验依据中华人民共和国行业标准《水 利水电工程岩石试样试验规程(SL264-2001)》进行，其中根据岩石试样不连 续面所处现场应力条件，设定4～6级围压(最大围压不能超过岩石试样不连 续面所处现场应力值)，施加第一级围压后施加轴向载荷，直至岩石试样发生 稳定的滑动摩擦变形，同时记录岩石试样变形，岩石试样的总变形量控制在 1％内。试验结束后取出岩石试样试件，并打开破坏后的岩石试样，观察其剪 切破坏面，然后将岩石试样剪切破坏面恢复至原始状态(将剪切裂隙对齐至 初始状态)，施加第二级围压继续进行三轴剪切试验，直至4～6级围压全部 完成，结束试验。

步骤S500：根据试验，可以得出岩石试样在不同围压作用下轴向应力与 轴向应变数据。根据Jaeger单一不连续面强度理论，岩石试样在极限应力条 件下不连续面上的正应力和剪应力可用主应力σ₁和σ₃分别表达为：

$\sigma =\frac{({\sigma }_1+{\sigma }_3)}{2}+\frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{2}\cos 2\beta$

$\tau =\frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{2}\sin 2\beta$

式中：σ₁为最大主应力，单位为MPa；

σ₃为最小主应力，单位为MPa；

β为不连续面与水平方向的夹角。

根据试验数据和测量出的岩石试样破裂角度，可以计算出在此剪切面上的正 应力与剪应力，利用最小二乘法拟合正应力与剪应力的关系曲线，得出岩石 试样不连续剪切面的抗剪强度。

在某岩质边坡工程中取得粗砂岩样品进行平行对比试验。试验依据中华 人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试样试验规程(SL264-2001)》进行， 其中一组是粗砂岩不连续剪切面，另外一组是粗砂岩的完整岩芯。

将粗砂岩的完整岩芯加工为5个标准岩石试样样品，进行不同围压下的 三轴试验，得出完整岩石试样的抗剪强度。同时，从三轴试验剪切破坏后的 样品中选取一个样品进行岩石试样剪切面三轴压缩试验，试验围压分5级进 行，分别为1MPa，4MPa，8MPa，15MPa，20MPa。表1为岩石试样不连续剪切 面的两种试验方法的计算对比。如表1所示，根据试验结果得出岩石试样剪 切面三轴压缩试验的抗剪强度为：粘聚力为0.95MPa，内摩擦角为39.13°。 粗砂岩不连续剪切面试件还可以采用岩石试样剪切面直接剪切(直剪)的方 法进行试验，即，使用水泥砂浆浇注剪切面，养护28天后进行试验。试验考 虑施压的正应力不宜过大，因此正应力分0.2KPa，0.4KPa，0.8KPa，1.2KPa4 级施加，根据试验结果得出岩石试样剪切面直剪试验的抗剪强度为：粘聚力 为0.07MPa，内摩擦角为42.41°。

图4是粗砂岩剪切面直接剪切试验中剪应力与位移关系曲线，图5是粗 砂岩剪切面三轴压缩试验中轴向应力与应变关系曲线，而图6是所述岩石剪 切面直剪试验与三轴压缩试验中抗剪强度的对比曲线。

表1岩石试样不连续剪切面两种试验方法对比计算表

参考表1以及图4-图6，通过这两组对比试验得出：

1、两种方法得出的试验结果中内摩擦角一致，但粘聚力结果相差较大， 剪切面三轴压缩试验所得粘聚力大于剪切面直接剪切试验所得粘聚力。可判 断为，剪切面三轴压缩试验在剪切面上所产生的正应力远大于剪切面直接剪 切试验在剪切面上所施加的正应力，在剪切面上发生岩石试样矿物晶体交错 镶嵌现象，粘聚力提高。这种现象符合岩质边坡破坏滑动过程中岩层交错现 象。

2、剪切面三轴压缩试验施加载荷不受限于水泥砂浆的强度或岩石试样与 水泥砂浆的握裹力，能真实反应不连续剪切面的现场应力环境。

3、用剪切面三轴压缩试验的方法进行岩石试样剪切面试验，试样制备方 便、快捷，不受限于水泥砂浆养护时间和人工制样的精度等问题。

4、剪切面三轴压缩试验可以通过测量岩石试样的轴向变形和径向变形完 整计算岩石试样的体积扩容。