泥质白云岩抗剪强度试验

陆建港

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 试验目的和适用的范围

岩石直剪试验是对同种类型试验岩样施加不同的法向荷载，用平推法施加水平剪切力，直至试件发生剪切破坏为止，然后在利用莫尔库仑定律来确定相应岩石的抗剪强度的参数：内摩擦角（φ） 和粘聚力（C）[1-2]。

2 仪器设备

1） 钻石机、切石机、磨石机等试验岩样加工的工具。

2） 配制混凝土及砂浆的相关设备以及养护设备。

3） 测量法向和剪切向位移的量表，精度0.01mm。

4） 游标卡尺。

5） 直剪仪：本次试验使用的是由中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制RMT301 岩石与混凝土力学试验机。

3 试样准备

岩石试样取自贵州省贵阳市轨道交通工程，所取岩样很难加工成为边长为200mm×200mm×200mm 的标准立方体。因此采用200mm×200mm×200mm 的混凝土试件模具，将切割的白云岩试件放在模具中心地位，然后在利用高强混凝土严格填充岩石周边的空隙，并在岩石高度一半的位置预留10mm左右的剪切缝，如图1 所示，以确保试验试件符合规范的要求。

图1 拆模后的试件

4 试验步骤

1） 把试验试件安放到直剪仪上，将试件与剪切盒组装成为一个整体。

2） 试件安放完毕，调整位移传感器，观察电脑显示屏上位移数字的变化，使位移传感器的位移范围在0.2mm~0.6mm 之间。

3） 在电脑上输入不同法向应力的大小和预判剪切应力值，以及相应的剪切位移相对值，最后输入试件尺寸大小，开始试验。

5 抗剪切强度（直剪） 试验结果分析

1） 法向应力和剪切应力可按照式（1）、式（2） 进行计算：

式中，σ：法向应力（MPa）；

P：法向荷载（N）；

A：有效剪切面积（mm2）；

τ ：剪应力（MPa）；

Q：剪切荷载（N）。

2） 根据不同试件不同剪切阶段的最大的剪应力和法向应力值，如表1 所示。通过最小二乘法绘制试件剪应力与法向应力的关系图，并以此计算岩石试件的抗剪强度参数。通过库伦表达式（3）、（4） 可以计算岩石的摩擦系数tan 和凝聚力c：

式中，tan ：摩擦系数；

C：凝聚力（MPa）；

n：法向应力为σn 时的岩石极限剪切应力（MPa）；

1：法向应力为σ1 时的岩石极限剪切应力（MPa）；

σn：大于σ1 时的法向应力（MPa）；

σ1：法向应力（MPa）。

将所得试验数据的剪应力与法向应力绘制到σ- 的二维坐标图像上，通过最小二乘法拟合剪应力与法向应力的散点图，然后绘制出关系曲线，泥质白云岩的剪应力与法向应力的关系函数为：τ=2.31σ+2.64（见图2）[3-4]。

表1 抗剪切强度（直剪） 试验结果

图2 剪应力与法向应力关系图

根据σ-τ 的函数关系可知泥质白云岩的内摩擦角为tanφ=2.31（φ=66.59°），粘聚力c=2.64MPa。

6 结语

通过岩石的抗剪切强度（直剪） 试验，在利用莫尔库仑定律计算出岩石的抗剪强度的参数：内摩擦角tan =2.31（=66.59°），粘聚力c=2.64MPa。