岩石的抗剪强度

发布于：2022-09-15 14:44:15 来自：建筑结构/岩土工程 [复制转发]

岩石的抗剪强度就是岩石抵抗剪切滑动的能力，它是岩石力学中需要研究的最重要指标之一，往往比抗压和抗拉强度更有意义。岩石的抗剪强度可用凝聚力c和内摩擦角φ来表示，它们可以通过室内外的剪切试验确定。这两个指标是沿用土力学中的术语。其实，岩石的抗剪强度，说得更确切些，应当是抗剪断强度。

岩石的剪切试验可分为抗剪断试验、抗剪试验(或称摩擦试验)以及抗切试验(在剪切面上不加法向荷载的情况下剪切)三种。前两种试验是在试件内没有现成的破裂面条件下进行的，后一种试验可以用来确定软弱结构面上的抗剪强度。

决定抗剪强度的方法可分为室内和现场两大类。室内试验常用直接剪切仪(直接剪切试验)、楔形剪切仪(楔形剪切试验)、三轴压缩仪(三轴压缩试验)测定岩石的抗剪断(抗剪)指标。

1）直接剪切试验

采用直接剪切仪来进行。仪器主要由上、下两个刚性匣子所组成，《水利水电工程岩石试验规程》规定：试件宜采用边长不小于150mm的立方体或直径不小于150mm的圆柱体。

图7-6 直接剪切试验及试件设备

每次试验时，先在试样上施加垂直荷载P，然后在水平方向逐渐施加水平剪切力T，直至达到最大值Tmax发生破坏为止。剪切面上的正应力和剪应力按下列公式计算：

式中：A为试样的剪切面面积。

在逐渐施加水平剪切力的同时，不断观测上、下匣试样的相对水平位移以及垂直位移，从而可以绘制剪应力与水平位移的关系曲线( 曲线)以及垂直位移与水平位移的关系曲线( - 曲线)，如图所示。

试验证明，这根强度线并不是严格的直线，但在正应力不大时( MPa)，可以近似看作为直线。根据近似直线在轴上的截距以及该线与水平线的夹角，即可求得岩石试样的凝聚力c和内摩擦角。


图7-7 曲线与曲线	图7-8 关系曲线

直接剪切试验的优点是简单方便，不需要特殊设备，目前除了用来测定整体性岩石的抗剪断强度以及软弱结构面强度以外，还可用来测定岩石与混凝土之间的、以及不同岩石之间的强度。该法的缺点是所用试件的尺寸较小，不易反映岩石中的裂缝层理等弱面的情况。同时，试样受剪切面上的应力分布也不均匀，如果所加水平力偏离剪切面，则还要引起弯矩，误差较大。

2）楔形剪切试验

楔形剪切试验用楔形剪切仪进行。把装有试件的这种装置放在压力机上进行加压，直至试件沿着AB面发生剪切破坏。实际上也是另一种形式的直接剪切试验。

根据平衡条件，可以列出下列方程式：

式中：P为压力机上施加的总垂直力(kN)；

N为作用在试件剪切面上的切向总剪力(kN)

Q为作用在试件剪切面上的切向总剪力(kN)；

f为压力机垫板下面的滚珠的摩擦系数，可由摩擦校正试验决定；

a为剪切面与水平面所成的角度。

试件尺寸为10 cm×10 cm×5cm，最大的有达30 cm×30 cm×30cm的。在试验时应当采用多个试件，分别以不同的角进行试验。当破坏时，对应于每一个值可以得出一组和值，由此便可以得到如图所示的曲线。从图中曲线可以看出，铅直压力变化范围较大时，为一曲线关系，但当小于10MPa时就可视为直线。

图7-9 楔形剪切仪

图7-10 楔形剪切试验结果

3）三轴压缩试验

这种试验就是利用三轴向压力试验的成果来求出剪切面上的与的关系。试验的装置与试验的方法和土的三轴压力试验相类似，不过所能施加的侧向压力和垂直压力要比土的三轴试验大得多。

在进行三轴试验时，先将试件施加侧压力，即小主应力，然后逐渐增加垂直压力，直至破坏，得到破坏时的，从而可得出一个破坏时的应力圆。

采用相同的岩样，改变侧压力，即施加垂直压力直至破坏，得，从而又得到一个破坏应力圆。

重复上述实验可得数个应力圆，绘这些应力圆的包络线，即可求得岩石的抗剪强度曲线。

曲线绘成后，如果把它看作是一根近似的直线，则可根据该线在纵轴上的截距和该线与水平线的夹角，求得岩石的凝聚力c和内摩擦角。

图7-11 三轴压缩试验装置示意图

图7-12 三轴压缩试验试验结果

4）现场强度试验——现场直接剪切试验

此法是用两个油压千斤顶(有的单位用两个压力钢枕)按图所示的方式布置，一个用来施加垂向荷载，另一个用来施加侧向推力。试验多数是放在岩壁上专门开凿的试洞中进行；如果采用反力框架，也可以在露天的坑道或大口径钻井的井底进行。施加侧向推力的方式有平推法和斜推法两种。在采用斜推法时应当使垂向荷载与侧向推力的合力通过剪切面的中心，这样可使应力分布均匀。

试件的尺寸一般根据裂隙的间距来决定。“规程”规定，其底部的受剪面积不得小于2500cm2，最小边长不宜小于50cm，高度不应小于最小边长的一半。