巖石直接剪切試驗(yàn)殘余強(qiáng)度淺析

劉 軍

（河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021）

1 概念

巖石直接剪切殘余強(qiáng)度是指巖石在剪切破壞后，在自重應(yīng)力或者其他應(yīng)力作用下，還能保持穩(wěn)定狀態(tài)，所殘存的剪切強(qiáng)度。本文主要以唐山馬城鐵礦100多組巖石殘余強(qiáng)度試驗(yàn)為依據(jù)討論巖石直剪試驗(yàn)的殘余強(qiáng)度①劉 軍.馬城鐵礦巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果[R].2011—2017.。

2 試驗(yàn)設(shè)備

巖石直剪試驗(yàn)采用長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-2000型微機(jī)控制巖石三軸剪切試驗(yàn)機(jī)，圖1為巖石直接剪切試驗(yàn)機(jī)。

3 試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述

先制取標(biāo)準(zhǔn)樣品，一般每組樣品制取φ50 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)樣5塊，特殊情況可以增加。樣品試驗(yàn)前后照片見(jiàn)圖2。

對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)樣施加預(yù)設(shè)好的不同的正應(yīng)力，然后施加水平應(yīng)力，達(dá)到峰值破壞后，繼續(xù)剪斷，至殘余強(qiáng)度近似一條直線為止。其具體試驗(yàn)特點(diǎn)如圖3所示。

圖1 巖石直接剪切試驗(yàn)

剪力加載初期，曲線的斜率較小，剪應(yīng)力增加緩慢；隨著時(shí)間的增加，剪力增加的速率越來(lái)越快，斜率越來(lái)越大；在剪應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)剪應(yīng)力又急劇下降，曲線斜率急劇變陡，由正變負(fù)，產(chǎn)生了應(yīng)力跌落的現(xiàn)象；剪應(yīng)力下降到一定程度后，曲線斜率突然變緩，隨時(shí)間的增加逐漸平緩，達(dá)到穩(wěn)定，即為殘余強(qiáng)度。

試驗(yàn)5組不同的豎向應(yīng)力和剪切殘余強(qiáng)度，根據(jù)庫(kù)倫-摩爾定律，即

圖2 樣品試驗(yàn)前后照片

圖3 剪力-時(shí)間關(guān)系曲線圖

τ=σtanφ+c，求出殘余強(qiáng)度，如圖4。

圖4 正應(yīng)力-剪應(yīng)力關(guān)系求解圖

圖中：σ為正應(yīng)力；τ為剪應(yīng)力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角，本圖計(jì)算得c=1.57、φ=43.25。

4 殘余強(qiáng)度特點(diǎn)

4.1 巖石剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出，在一組巖石剪切式樣中，比如有5個(gè)試件，對(duì)某個(gè)試件而言，其對(duì)應(yīng)著不同的豎向應(yīng)力情況下，隨著應(yīng)力增加，峰值剪力也逐漸遞增；其殘余剪力也逐漸遞增，只是其值要遠(yuǎn)小于峰值剪力，因此，在求解中，殘余強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)要遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)。

圖5為SK01-3干燥狀態(tài)下巖石不同應(yīng)力下巖石峰值剪力和殘余剪力的關(guān)系曲線。

表1為馬城鐵礦微風(fēng)化磁鐵石英巖直剪強(qiáng)度表。從中可以看出，殘余強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)較峰值強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)下降明顯。

圖5 不同應(yīng)力下巖石峰值剪力和殘余剪力的關(guān)系曲線

對(duì)表1剪切參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2，從表中可以看出變異系數(shù)較小，均小于0.60，說(shuō)明平均指標(biāo)的代表性較好。因此，我們可以以平均值來(lái)進(jìn)行分析數(shù)據(jù)的規(guī)律性。

表1 微風(fēng)化磁鐵石英巖直剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

表2 微風(fēng)化磁鐵石英巖直剪強(qiáng)度分析表

從表2得，干燥狀態(tài)下，殘余強(qiáng)度黏聚力1.86 MPa與峰值強(qiáng)度黏聚力19.6 MPa相比，下降幅度達(dá)（19.6～1.86）/19.6×100%=90.5%，同理，內(nèi)摩擦角下降34%；飽和狀態(tài)下，殘余強(qiáng)度黏聚力下降90%，內(nèi)摩擦角下降31%。兩種狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角下降幅度非常相似，具有明顯的規(guī)律性。

同理，在中等風(fēng)化和微風(fēng)化狀態(tài)下，巖石殘余強(qiáng)度也存在類似的規(guī)律。至于強(qiáng)風(fēng)化巖石和全風(fēng)化巖石，我們也可以進(jìn)行如是推斷，但由于相關(guān)數(shù)據(jù)較少，還有進(jìn)一步佐證。

從而，我們可以得出以下結(jié)論：不同狀態(tài)的巖石殘余強(qiáng)度指標(biāo)，與巖石的直剪峰值強(qiáng)度指標(biāo)相比，呈有規(guī)律的遞減。

巖石剪切峰值強(qiáng)度的黏聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于殘余強(qiáng)度的黏聚力，這主要是由巖石的內(nèi)在性質(zhì)決定的，即當(dāng)巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度破壞時(shí)，起決定主要的是巖石自己的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和內(nèi)在強(qiáng)度，而殘余強(qiáng)度的決定因素主要在于有正應(yīng)力引起的摩擦力的大小。換句話說(shuō)，巖石剪切強(qiáng)度的剪應(yīng)力主要由黏聚力和摩擦力決定。當(dāng)巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，黏聚力達(dá)到最大，隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行，黏聚力逐漸減小，當(dāng)達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)，黏聚力幾近于無(wú)，剪應(yīng)力的大小主要由摩擦力承擔(dān)。

從表2中可以看出，殘余強(qiáng)度參數(shù)的方差值及標(biāo)準(zhǔn)差值遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度的方差值及標(biāo)準(zhǔn)差值，一方面說(shuō)明了殘余強(qiáng)度參數(shù)值的波動(dòng)性小，另一方面也從反面說(shuō)明了，影響殘余強(qiáng)度的主要在于摩擦力而不是黏聚力。

4.2 巖石含水率對(duì)其剪切殘余強(qiáng)度的影響。

以表1的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。對(duì)于微風(fēng)化磁鐵石英巖而言，由于其為非軟化巖，含水率一般不超過(guò)1%，并且風(fēng)化程度較低，軟化系數(shù)較高。所以從理論上講，巖石含水率對(duì)其力學(xué)參數(shù)（這里特指殘余剪切參數(shù)）影響較小。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上，通過(guò)表2，得出干燥殘余強(qiáng)度參數(shù)和飽和殘余強(qiáng)度參數(shù)的變異系數(shù)較小，所以，其平均值有較好的代表性。經(jīng)計(jì)算，干燥殘余強(qiáng)度的平均黏聚力從1.86 MPa，降到飽和殘余強(qiáng)度的平均黏聚力1.53 MPa，降幅約18%；干燥殘余強(qiáng)度的平均內(nèi)摩擦角41.0°，降到飽和殘余強(qiáng)度的平均內(nèi)摩擦角39.3°，降幅約4.1%。

對(duì)于馬城鐵礦的其他風(fēng)化程度的不同巖石，經(jīng)計(jì)算和分析，也有類似的規(guī)律，降幅略有不同，這里不再贅述。

這里以干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)作為分析對(duì)象，是因?yàn)樗麄兇砹藥r石的兩個(gè)含水率的極端情況，實(shí)際試驗(yàn)中，干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)最好控制，也最容易實(shí)現(xiàn)，并且具有代表性。而中間的其他含水率的狀態(tài)，均較難實(shí)現(xiàn)。

因此，對(duì)同一個(gè)地區(qū)同等巖性同等風(fēng)化程度同一組巖石而言：干燥狀態(tài)下的剪切殘余強(qiáng)度，其c、φ值相比飽和狀態(tài)要偏大。我們可以推斷，當(dāng)巖石從干燥狀態(tài)向飽和狀態(tài)過(guò)度時(shí)，隨著含水率的增加，軟化作用越來(lái)越強(qiáng)烈，因而，其剪切殘余強(qiáng)度的黏聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)逐步減小，這符合一般剪切性試驗(yàn)的規(guī)律。

對(duì)比常用的三種巖石狀態(tài)：剪切殘余強(qiáng)度的c、φ值，干燥狀態(tài)最大，天然狀態(tài)次之，飽和狀態(tài)最小。這也符合一般巖石力學(xué)性質(zhì)的規(guī)律性。

這里需要注意一點(diǎn)：本文所述含水率對(duì)殘余強(qiáng)度影響，主要指非軟化巖石，如遇軟化巖類，理論上，隨著含水率的增大，其c、φ值降幅應(yīng)更多。由于此類殘余試驗(yàn)較少，還需進(jìn)一步佐證。以本人多年巖石試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，軟化巖由于軟化程度不一，隨著含水率增加，殘余強(qiáng)度的c、φ值降幅離散性較大。

4.3 巖石風(fēng)化程度對(duì)其剪切殘余強(qiáng)度的影響

這里主要以混合花崗巖為例，來(lái)闡述風(fēng)化程度對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，具體參考數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 同一巖性（以混合花崗巖為例）不同風(fēng)化狀態(tài)直剪殘余強(qiáng)度表

對(duì)表3的殘余強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，得表4。

表4 同一巖性（以混合花崗巖為例）不同風(fēng)化狀態(tài)直剪殘余強(qiáng)度（平均值）統(tǒng)計(jì)表

從表4可以看出，總體趨勢(shì)上，從中等風(fēng)化-微風(fēng)化-未風(fēng)化的過(guò)程中，剪切殘余強(qiáng)度的c、φ值，無(wú)論干燥狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，是逐漸增大的，增大幅度較小。這是由于影響剪應(yīng)力大小的主要因素是摩擦力，而在同等正應(yīng)力下，由于風(fēng)化程度不同而產(chǎn)生的摩擦力的不同，其變化幅度較小。最后體現(xiàn)在c、φ上，c、φ的變化幅度也較小。

盡管如此，巖石風(fēng)化程度對(duì)其剪切殘余強(qiáng)度的影響，依然具有規(guī)律性：巖石隨著風(fēng)化程度的減小，即巖質(zhì)越新鮮，剪切殘余強(qiáng)度的相關(guān)參數(shù)有增大的趨勢(shì)。

4.4 同種風(fēng)化程度不同巖性巖石殘余強(qiáng)度的比較

在表5中，列舉了46組微風(fēng)化不同巖類的殘余強(qiáng)度指標(biāo)比較。從中，可以看出，對(duì)于馬城鐵礦這一區(qū)域性質(zhì)的不同巖石，其微風(fēng)化狀態(tài)下的殘余強(qiáng)度值趨于一致。

在這里需說(shuō)明一下：我們用來(lái)比較的巖石需性質(zhì)相近，即：位置、成因、物理、力學(xué)、發(fā)育等基本一致。比如不能把單軸強(qiáng)度是20 MPa的巖石和100 MPa巖石進(jìn)行比較，也不能把巖漿巖和沉積巖去比較，因?yàn)檫@樣比較就沒(méi)有意義了，因此，我們可以對(duì)某一區(qū)域性質(zhì)相近的巖石作出類似的推斷：其巖石其殘余強(qiáng)度值也趨于一致。

表5 不同巖性微風(fēng)化狀態(tài)直剪強(qiáng)度（平均值）統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

1）由于本次參考資料主要為馬城鐵礦的中等風(fēng)化、微風(fēng)化、未風(fēng)化巖類，相關(guān)結(jié)論主要以此得出，其代表性范圍相對(duì)較小，其規(guī)律性和適用性，還有待其他相關(guān)的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步證明。

2）巖石剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系，前者大于后者是必然的。前者與后者的比值，隨著風(fēng)化程度的從小到大，逐步減小也是必然的；具體比值，不同的巖類，不同地區(qū)的同一種巖類，可能都不一致，這里只是指出了一種趨勢(shì)，為大家提供一種參考。

3）本文僅列舉了殘余強(qiáng)度的幾個(gè)影響因素。其實(shí)，除此之外，巖石的密度、結(jié)構(gòu)、比重、單軸抗壓強(qiáng)度值等都會(huì)影響其殘余強(qiáng)度值。此外，不同的設(shè)備、不同的試驗(yàn)方法、樣品的大小等也會(huì)直接或間接影響殘余強(qiáng)度值。

總之，巖石的內(nèi)在性質(zhì)是決定巖石殘余強(qiáng)度的最主要因素，其他因素最終也是通過(guò)影響其內(nèi)在巖性來(lái)影響其殘余強(qiáng)度。由于關(guān)于巖石殘余強(qiáng)度的研究較少，本文主要起拋磚引玉的作用，希望能在實(shí)際工程中起到參考作用。