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岩石抗剪强度

2020-04-09 21:02

岩石在剪切载荷作用下破坏时所能承受的最大剪应力。岩石抗剪强度按试验方法的不同分为岩石直剪强度和岩石三轴抗剪强度。岩石直剪强度分为抗剪断强度和抗剪(摩擦)强度。抗剪断强度指岩石受剪断破坏时的强度;抗剪(摩擦)强度则是岩石剪断后所进行摩擦试验时所具有的抗剪强度。研究岩石抗剪强度的目的主要是为大坝、边坡和地下洞室岩体稳定性分析提供抗剪强度参数。获得岩石抗剪强度的常规试验方法主要有直剪试验和三轴试验。

岩石直剪试验

岩石直剪试验装置见图1(a)。根据岩石试件在不同法向载荷σ下相应剪切强度τf,按库仑准则确定岩石的抗剪强度参数[图1(b)],包括内摩擦角φ摩擦系数f(f=tanφ)和黏聚力c。岩石直剪试验在实验室或现场进行,分为岩块(或岩体)抗剪强度试验、结构面(或软弱夹层)抗剪强度试验、混凝土与基岩接触面抗剪强度试验。现场直剪试验是测定岩体抗剪强度最常用的方法,在平硐、基坑、甚至在大口径钻孔中均可进行。试验前可预先选择破坏面的位置,剪切载荷可按所需要的方向施加,试验方法比较简单,因此特别适用于测定岩体软弱结构面的抗剪强度。

图1 直接剪切试验

(a)直接剪切仪;(b)试验结果

岩石三轴试验

岩石三轴试验压力室装置见图2。根据岩石试件在不同侧向压力(σ2和σ3)下取得的轴向抗压强度σ1,在剪应力τ与正应力σ的坐标系中,绘制莫尔应力圆簇和莫尔强度包络线,按莫尔—库仑准则确定岩石的三轴抗剪强度参数。岩石三轴抗剪强度试验在一定的程度上消除了直剪试

验时剪切面上的应力分布不均匀的缺点,成果的规律性较好,且反映了实际岩体的受力状况。但三轴抗剪强度试验和直剪试验的意义和结果不尽相同,这主要是由于直剪试验是预先确定剪切面,而三轴抗剪强度试验破坏面主要由应力控制,从试验结果来看,三轴抗剪强度试验所得到的c值大于直剪试验所得到的c值,而f值大致相同。

图2 岩石三轴仪装置图

1—压力机施加垂直压力;2—侧压力液体出口处,排气处;3—侧压力液体进口处;4—密封设备;5—压力室;6—侧压力(σ32);7—球状底座;8—试件

三向应力状态下岩体抗剪强度参数也可根据各试体破坏时轴向应力σ1和对应侧向应力σ3,绘制各试体破坏时轴向应力σ1与对应侧向应力σ3的关系曲线,确定σ1—σ3关系直线的斜率F和截距R,按下列公式计算三向应力状态下岩体抗剪强度参数:

式中,F、R分别为σ1—σ3关系直线的斜率和截距,MPa;f为摩擦系数;c为黏聚力,MPa。

按剪切变形过程中强度的变化,抗剪强度又分峰值强度和残余强度。前者是随着剪切变形出现的最大强度值;后者是不断变形后的最终值。在达到峰值应力后的剪切过程中,剪切面上的黏聚力破坏以及粒间咬合力减弱,因而强度降低。资用强度在峰值强度与残余强度之间。

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