秦安洪，雷 濤

不同角度下板巖層面剪切力學(xué)特性試驗研究*

秦安洪1，雷 濤2

巖體層面對巖體的剪切力學(xué)性能具有非常重要的影響。以貴州某礦山層狀板巖為對象，開展了不同角度下的層面剪切力學(xué)實驗，得到了該礦山板巖層面的剪切力學(xué)參數(shù)和力學(xué)性能，結(jié)果顯示：剪切角度越大，層面發(fā)生破壞時對應(yīng)的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力越大，層面的剪切力學(xué)性能越好；不同角度下巖體層面剪切破壞面總體較為光滑，但角度較小時破壞面有突變產(chǎn)生，剪切角度較大時破壞面呈“S”形。

層狀板巖；剪切試驗；力學(xué)特性；破壞模式

層狀巖體一般含有多組相互平行的層理面，這些層理面的力學(xué)強度一般低于巖石強度，往往控制著巖體的力學(xué)性能[1￣3]。同時，層理面與加載方向的夾角也會導(dǎo)致巖體力學(xué)強度發(fā)生改變[4]。因此，了解清楚不同角度下層狀巖體的剪切力學(xué)特性，對相關(guān)巖體工程的開挖和支護都有非常重要的意義。

以貴州東部某礦山的層狀板巖為試驗研究對象，開展不同角度下的剪切力學(xué)實驗，揭示其剪切力學(xué)特性，力求為礦山工程的安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗材料取自礦山現(xiàn)場的板巖，具有明顯的層理結(jié)構(gòu)(見圖1)，層間定向性較好，層理膠結(jié)物以變質(zhì)礦物和泥質(zhì)微粒為主，巖石主要含方解石、石英和云母等物質(zhì)。

圖1 板巖層理結(jié)構(gòu)

1.2 試驗方案

本次試驗采用限制性剪切強度試驗，在進行不同角度下的剪切試驗時，可通過改變角模角度來實現(xiàn)對正應(yīng)力與剪應(yīng)力的調(diào)整，且易于比較不同試驗條件下試樣的破壞形式。試驗加載方式見圖2。

圖2 試驗加載方式

根據(jù)相關(guān)試驗標準[5]，試驗時選取完整性較好的巖石加工為100 mm×100 mm×100 mm的立方體剪切試樣。試樣表面平整度控制在0.1 mm以內(nèi)，上、下表面的平行度控制在0.5 mm以內(nèi)。

試驗時，分別選取20°、30°、40°、50°、60°、70°的剪切角度開展6組試驗，每組試樣數(shù)為3個。

2 試驗結(jié)果分析

不同角度下板巖層面的剪切試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著剪切角度的增大，層面發(fā)生破壞時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力都在增大，但增大趨勢存在一定的差異，主要表現(xiàn)在：

(1) 剪切角度較小時(20°和30°)，層面的剪切力學(xué)特性較為相似，發(fā)生破壞時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力相差不大，兩者分別在4 MPa和7.5 MPa左右；

(2) 剪切角度較大時(70°)，層面的剪切力學(xué)性能迅速增強，其發(fā)生破壞時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力值分別在47 MPa和17 MPa左右；

(3) 剪切角度位于中間范圍時(40°、50°和60°)，層面的剪切力學(xué)性能平穩(wěn)增長，其發(fā)生破壞時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別在9～20 MPa和10～12 MPa范圍內(nèi)。

圖3 試驗結(jié)果及擬合曲線

巖石變角度剪切試驗結(jié)果，即層面剪切強度可用式(1)表示：

τ=σtanφ+c

(1)

式中，τ為抗剪強度，MPa；σ為正應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角；c為粘聚力，MPa。

用式(1)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合后，可得到如圖3所示的擬合曲線及相應(yīng)的擬合方程：

(2)

由式(2)可得到層面的剪切力學(xué)參數(shù)為：

(3)

3 破壞模式探討

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同角度下巖體層面的剪切破壞模式也存在一些差異，試樣破壞的結(jié)果見圖4。

由圖4可知，總體而言，當試樣達到強度極限后，就會發(fā)生瞬時的沿層理面的滑移剪切破壞，滑移面一般較為光滑，且較為完整，沒有大量的散體和碎塊出現(xiàn)。這種現(xiàn)象充分說明層面的膠結(jié)層強度相對巖體基巖較弱，導(dǎo)致巖體在剪切作用下直接沿層理面發(fā)生破壞，表明在剪切條件下，層理面是巖體力學(xué)性能的主控因素。

圖4 不同剪切角度下層面破壞模式

但是，與力學(xué)性能類似，不同角度下巖體層面的剪切破壞模式也存在一定的差異：

(1) 當剪切角度較小時(20°和30°)，破壞剪切面可分為兩段。第1段大約占整個滑移面長度的3/4，為一個較為光滑的平面，緊接著滑移面出現(xiàn)了一個突變，剪切面不再沿原層面發(fā)展，而是突然穿越該層面到另一層面后繼續(xù)發(fā)生剪切破壞，說明此時其破壞還可能受到了壓應(yīng)力的部分影響；

(2) 剪切角度位于中間范圍時(40°、50°和60°)，破壞剪切面幾乎就是沿著某一特定層面發(fā)展，剪切面平整光滑；

(3) 剪切角度較大時(70°)，破壞剪切面可分為3段，近似為“S”形。第1段大約占整個剪切面長度的1/4，為一帶有一定角度的弧形，表明此時試樣的起裂沒有完全受層理面控制；第2段約占整個剪切面長度的1/2，基本是沿某一層面發(fā)展，但光滑程度不如其他中間角度的剪切面；第3段約占整個剪切面長度的1/4，但與較小角度存在一些差別，其并非由突變產(chǎn)生，而是由第3段漸進發(fā)展而來，因此也表現(xiàn)出弧形特征。

4 結(jié) 論

通過不同角度下板巖層面的剪切力學(xué)試驗，可得到如下的結(jié)論：

(1) 不同角度下巖體層面的剪切力學(xué)性能存在差異，角度越大，層面的剪切力學(xué)性能越好，發(fā)生破壞時對應(yīng)的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力越大；

(2) 根據(jù)莫爾-庫侖準則，該礦山板巖層面的剪切力學(xué)參數(shù)為c=7.36049 MPa，φ=12.06157°；

(3) 不同角度下巖體層面的剪切破壞模式存在差異：剪切角度較小時，破壞面有突變產(chǎn)生；剪切角度位于中間范圍時，破壞面較為平整光滑；剪切角度較大時，破壞面呈“S”形。

[1]趙寶友，鄭天照，王 東，等.基于強度原理的順層巖質(zhì)邊坡動力安全系數(shù)判據(jù)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2016,36(5)：811￣819.

[2]孫廣忠，孫 毅.巖體力學(xué)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]丁立明，才慶祥，劉 雷，等.軟弱夾層對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響[J].金屬礦山，2012，(4)：40￣58.

[4]林宗元.巖土工程勘察設(shè)計手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

貴州省科技計劃項目(20172803).

2017￣09￣30)

秦安洪(1986-)，男，貴州遵義人，主要從事采礦工藝設(shè)計和采礦工程管理工作，Email:askyo@126.com。