复杂层状结构岩石抗剪强度试验方法研究

复杂层状结构岩石抗剪强度试验方法研究

叶琴

广东省矿产应用研究所  512026

摘要：我国幅员辽阔，地域分布的岩性也不一样，地质条件呈现出了明显的差别，岩石经过地质建造和地质改造逐渐形成了节理、裂缝、空洞。其直接对岩石以及岩体的物理力学性能产生了一定程度的影响，岩体力学参数的影响因素有着复杂化和多样性的特征。表现为风化程度、结构面、裂隙发育程度和组合形式、尺寸效应等多少有效因素的综合体现，剪切实验结果也存在着数据分散现象。对此，要想获取准确数据，关键在于实验样品的代表性和采取合理的实验方式。

关键词：复杂层状结构；岩石抗剪强度；实验方式

0前言
    对于岩石的抗剪强度来讲，属于边坡稳定性、地基强度和稳定性评价中十分重要的一项指标，不同类型的岩体岩石的抗剪强度特征是不一样的，在这一阶段中，复杂层状结构岩石的抗剪强度表现为岩土工程探究的一项要点，在工程开展过程中，采取的岩石剪切实验方式涉及到了现场原位实验和室内实验，基于实验约束条件的不一致，获取的实验数据也有着明显的差别。在本篇文章中以某项工程举例说明，采取了室内试验和原位实验，从中获得抗剪强度指标，综合性分析了实验结果，全面论证了工程实践操作情况，将现场原位剪切实验方式应用到地层组合十分复杂的沉积岩石中，重点考虑尺寸效应和样品的代表性现象，与工程具体情况相一致。
1、室内实验

岩体强度表现为岩体抵抗剪切的能力，也就是说，岩体基于垂直荷载下，剪切受到破坏以后可以抵抗的较大应力值，被称之为剪切面。处于此项垂直荷载的抗剪强度，通过开展岩体现场剪切实验的方式明确岩体的抗剪强度参数以及剪切刚度系数。因为试验尺寸较大同时是处于施工现场实施，可以真实体现出岩体的非均质性和软弱结构对于抗剪强度产生的一系列影响，从而符合标准要求。
1.1室内直剪实验
    在本次项目开展过程中，从岩性、岩性组合和分化程度入手，展开了相应的勘察，以代表性的岩石为主展开了室内实验操作，实验样品包含了各种岩性和岩性组合，中等风化岩实验数据16组，微风化岩实验数据17组。
1.2室内实验
    确定了基本的建筑物布置以后，按照具体的实验要求开展准确的勘察作业。获取与施工图阶段地基计算和结构设计相一致的岩土设计参数，为了从中得到符合设计要求的精准实验数据，就需要开展室内实验操作。
2、现场直接剪切实验操作方式
    对于现场直接剪切实验来讲，被称之为野外大剪实验。从工程场地内以代表性的岩体为主，使用处于原地岩体人工开凿的方式获取符合实验要求的实验样品，五个点划分为一个组，实验点可以落实于试坑和探槽内，相同组岩体的岩性以及岩性组合处于一致状态，应用现场实验有着一定的优势，可以避免人为因素造成的干扰，面对于结构复杂且繁琐的岩体来讲，可以有效的代表样品的原状特征，获取符合工程具体环境的设计参数，其在边坡稳定性分析评价中有着极高的优势，不过需要认识到的一方面是，只可以从地表开展该项实验操作，不可以预定深度展开实验，实验点的选择普遍受到了现场环境条件的影响，需要从相对开阔且安全的工作场地内开展各项工作，并且试件开凿也有着相应的成功率，样品的废弃决定了经济性体现和工期。在本项领域内，地基岩体层特征十分明显，而该种类型的岩体抗剪强度指标容易受到人为因素的干扰，室内实验岩块加工制备的要求使用的样品一般是完善程度非常高的岩块，对于完善程度非常差的岩块来讲，室内实验效果不佳，代表性不高，需要重点开展原位实验操作。文章中从中等风化的砂岩、泥质粉砂岩和泥页岩入手，开展了相关的实验操作。每种岩性包含了6个试验点；为反映工程岩体实际受力状态、试验的剪切面为竖直方向、剪切面垂直于岩层面。在试验点开挖试验坑，把试样布置在侧壁上，试样制备成长宽50cmx50cm、高度大25cm的长方体，因为岩体不具备良好的完整性，试件外套钢模、钢模与试件空隙浇注水泥砂浆。

3、基本的实验要求

3.1试验之前对于试验点地质的描述

为试验点地质描述整理试验成果以及计算试验指标提供一定的依据，相关要点涉及到多方面。首先，开挖和制作试验点内的各项要点。其次，试验点的位置编号以及具体尺寸。最后，试验段编号和坐标、岩层具体走向。第四，试验段岩石的基本类型和岩石内包含的矿物。第五，岩石产状和分布情况。第六，试验段的岩石风化现象。

3.2选择和整理试点

首先，选择试点的过程中明确试点受力大小程度和方向以及裂隙灯，尽可能和具体工程工作条件相符合，位于同一高程内，对于试点间距来讲，需要大于1.5倍试体最短边，以免受力以后产生变形问题。

其次，选取后座底面和做好混凝土预浇作业，保持混凝土表面的平整性，起伏差距不可以太大，完成试验操作以后，必须选择工程地质条件一样的试体。

3.3对混凝土试体展开相应的浇筑作业

依照我国岩土工程勘察规范要求，明确规定试坑开挖和试件布置以及尺寸必须与标准要求相一致。首先，将试件加工为方形体，每一组试验的试体数量不可以少于五个，必须处于相同标高和基础面内。其次，试体后面应当预留相应的高度以及长度，为安装仪器设备提供便利。最后，完成试体混凝土浇筑作业以后，注水饱和试体，要求饱和位置对剪切面加以覆盖，等到混凝土达到28天以后，展开试体试验操作。有的情况下，因为对工期提出了严格要求，所以需提前展开试验操作，将速凝剂添加到混凝土浇筑环节内，混凝土强度合格以后展开试验作业。

3.4试验操作之前的加荷分析

在试验前期阶段中，将相关的垂直荷载落实到每一个试体上，增加斜向剪切荷载开展试验操作。因为斜向荷载具体包含了平行于剪切面的切应力以及垂直剪切面的正应力，因此一旦加上斜向荷载以后，剪切面中的垂直荷载分量增加，从而形成了正应力处理现象。伴随着斜向荷载的增加，同步减少垂直压力表读数，保持剪切面垂直荷载始终为常数。

4、试验结果分析和论述
    整体上而言，分析和参数推荐本工程地层产状总体上十分稳定，局部变化幅度大，岩层倾角总体上以0～20°居多。结合中等风化岩的试验结果得出，相同类型的岩性的粘聚力差异程度是非常大的，三轴试验最高。然后是室内直剪试验结果，现场直剪试验结果较低。内摩擦角 φ的试验结果差异程度处于比较小的状态，泥质粉砂岩的差异程度则是在10%以内，砂岩的结果偏大一些。与此同时，同种试验结果的离散性也从一定程度上体现出了该项复杂层状岩的各向异性。依照具体的工程实践来看，采取不同试验方式获取的结果存在着一些差异，形成差异的原因是多方面的，表现为样品的岩性及岩性组合、岩石矿物组成、层理及节理裂隙发育程度、含水量的差异等，而且，尺寸效应造成的影响也逐渐被诸多工程实践证实。经过工程实践及相关研究认为，所谓室内直剪试验，是指试件在提前预定好的剪切面受轴向应力和法向应力作用下开展的一项试验操作，从实际情况看出，岩体状况比较复杂和繁琐，岩体是岩石和结构面的综合体现，换而言之，岩体强度重点考虑结构面作用的综合强度，现场岩体剪切试验对实际的工程应力状态展开了模拟操作。基于岩体有着复杂性特征，所以导致抗剪强度参数方面具备相应的难度。无论是国外还是国内均大范围探究了抗剪强度参数，对该项参数展开了确定。在本项工程开展过程中，除了实施专门的室内实验操作和原位实验作业之外，还重点探讨了岩体结构的复杂程度，勘察期间将工程岩体分级标准当成基本的依据看待，把各项岩体的质量级别作为基本，从而确定各类岩体抗剪强度。从试验结果可以看出，现场岩体剪切试验的结果与规范的推荐值差不多一致。本项目一期工程开展过程中，因为主厂房地基实际变形监测结果与设计计算的数据之间有着一些差别，因为专门分析和探究了变形机理与设计计算数据，结合变形监测数据，使用工程反演的方法综合性论证设计参数，结合实际工程数据进行工程反演所得到的岩体参数涉及了有着较大尺度的地质信息，可以将实际应力路径下岩体的力学状态清楚的体现出来，确保岩体力学参数的稳定性和完善性。抗剪强度指标主要是采用了莫尔—库仑理想弹塑性模型。

5、结语

从以上论述来看，科学合理且准确的地基岩土设计参数是清楚体现地基条件、地基安全评价、结构设计计算的重要输入和基本依据，获取复杂层状地基的岩石抗剪强度指标需要考虑岩体结构、尺度效应及各向异性等诸多因素。在本文中，专门分析和研究了某核电项目岩石剪切试验结果，重点阐述了岩石抗剪强度指标的获取方法和基本理念，岩石抗剪强度是岩块和结构面作用的综合强度，普遍受到了试验条件、样品的代表性等多方面因素影响，各种方法获得的结果存在一定的不同之处。经过工程实践证明，复杂岩体的现场剪切试验数据十分准确，与工程实际要求相一致，对此，需要合理的开展现场剪切试验，加强各类复杂岩体抗剪强度指标的积累，并密切结合工程实施阶段的各类监测资料，为进一步分析复杂地基特性奠定基础。

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