破碎岩体结构面剪切强度确定方法

2020-02-26于世波

矿冶 2020年1期

原野王贺于世波,4 黄丹

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京102628；3.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628；4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083)

工程岩体的失稳与结构面的发育程度、发育位置、产状、组合特征及其工程性质有着十分密切的内在联系,只要工程岩体中存在着不利的结构面构成软弱的地质界面或分割面,工程岩体就失去了其完整性和连续性,就有可能沿着这些结构面发生变形破坏。分析两种常用的工程岩体分类方法RMR分类和Q系统发现,在RMR分类中“结构面”因素占75%,而Q系统中几乎所有六个分类要素均与结构面相关[1-4]。邓宜明和李坚诗的调查资料显示,大瑶山隧道施工过程中出现的29次塌方,有22次塌方与结构面有关,占塌方总数的75.9%。郭志列举了三峡水库坝基、小浪底水库左坝肩、法国的布泽坝等13个国内外著名工程受结构面影响的实例[5-12]。

总而言之,大多数工程岩体的失稳以结构面的剪切破坏为主,因此结构面的剪切强度就成为影响工程岩体稳定的决定性因素,结构面剪切强度确定方法的研究具有十分重大的工程实用价值。

1 试验概况

1.1 试样制备

试验所用的岩体取自华兴铝土矿，取样深度为836～1 140 m，所取岩块属于石炭系中统本溪组一段中下部，主要由铁质黏土岩、硬质耐火黏土矿及黏土岩等组成。将现场获取的岩体密封包装后运回试验室，由于破碎岩体试样得之不易，试样存在不同程度的缺陷，无法制作标准的试样。将按以下步骤重建不规则试样。

表1 重建试样基本参数

1)选取有明显节理裂隙，但未破坏的岩体试样，岩体的长宽高最大值控制在70 mm以内。

2)将不规则试块放入70 mm的标准模具中，将环氧树脂倒入模具中，尽量避免气泡的产生。

3)静置。放置于平整处，室温静待，等待试样凝固。然后，将试样翻转，取下模具，再浇筑一次，仍等待试样凝固。最后脱模完成试样制作，见图1。

4)加工打磨。将脱模得到的试样进行加工打磨，对于细小的气泡等引起的微小瑕疵可以采用另外配树脂补救。

5)在制作试样过程中，要测量剪切面的形状,求出剪切面面积并做好标记。看试样最终是否在预定的剪切面破坏。

图1 浇筑环氧树脂后的试样Fig.1 Typical specimens after poured epoxy resin

1.2 试验设备及方法

该试验设备为数字控制式伺服试验机，可全程自动记录剪切方向、法向受力等数据，作用在剪应力和正应力的计算：

(1)

式中：τ为剪应力；σ为正应力；P为破坏荷载；A为试样剪切面面积；α为试样放置角度(变角板角度,单位为度)；f为滚轴摩擦系数。

试验基本步骤为：1)试样描述及尺寸测量：试件的描述应包括岩体名称、颜色、主要特征、风化程度；试样节理裂隙及其与加载方向的关系；试件在制备过程中出现的问题；试件尺寸(制作试样过程中剪切面的面积)等。2)安装试样：将变角板剪切夹具放在压力机承压板之间,应注意使夹具的中心与压力机的中心线相重合, 然后通过更换夹具使变角板达到所要求的角度,将试样安装于变角板内。3)加载：开动压力机，使剪切夹具与压力机承压板接触上，以每秒0.5～0.8 MPa的加荷速率加荷，直至试件破坏,记录破坏荷载P。4)破坏试样描述：取出被剪坏的试件进行描述，内容包括破坏面的形态及破坏情况等。5)重复试验：变角板夹具的角度,一般在45°～70°内选择，以5°或者10°为间隔重复上述步骤取得不同角度下的破坏荷载。

2 试验结果及分析

2.1 试验破坏情况

重建试样的剪切破坏是在压应力和剪应力双重应力作用下产生的结果，使其内部已有裂隙不断发育、扩展、连通。试验结束后，发现部分重建试样已经破裂，这主要是由于试样在外力作用下不仅在法向产生了剪胀破坏，而且在侧向也有明显的膨胀。同时试样在破坏后，其剪切位置产生大量散体，且破坏范围发现明显扩大，说明试样的剪切破坏不仅仅发生在一个面，而是发生在一个近似于破碎带的范围。重建试样破坏前后对比见图2。