本發(fā)明公開巖石強(qiáng)度測(cè)試方法，具體涉及一種基于應(yīng)力約束及崩解損傷的泥質(zhì)軟巖強(qiáng)度測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

評(píng)價(jià)巖石崩解性一般方法是耐崩解性試驗(yàn)。耐崩解性試驗(yàn)由franklinandchandra建立，后由國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(isrm)納入標(biāo)準(zhǔn)巖石試驗(yàn)方法中。耐崩解性試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)為：(1)可對(duì)同一試樣進(jìn)行多次干濕循環(huán)，進(jìn)而提高試驗(yàn)的精確性；(2)耐崩解指數(shù)的干濕循環(huán)代表試驗(yàn)材料在自然界中所經(jīng)歷的干濕循環(huán)；(3)通過多個(gè)試驗(yàn)的耐崩解指數(shù)數(shù)值對(duì)比可去除分析中主觀因素。并且當(dāng)天然濕度下不擾動(dòng)試樣的單向抗壓強(qiáng)度小于1.0mpa的極軟巖也可用土工試驗(yàn)方法測(cè)定泥質(zhì)巖的強(qiáng)度指標(biāo)。

目前的研究成果已經(jīng)確定了當(dāng)前狀態(tài)的巖石耐崩解性指數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)系，但耐崩解性指數(shù)只能表明巖石目前狀態(tài)的強(qiáng)度特征。巖石在進(jìn)行耐崩解性試驗(yàn)過程中，無法測(cè)試巖石干濕循環(huán)影響條件下強(qiáng)度變化規(guī)律。這與巖石耐崩解性指數(shù)是在零應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)過程有關(guān)。同時(shí)在常規(guī)土工試驗(yàn)中，試樣飽和過程中只是體積不變，沒有考慮應(yīng)力條件的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述問題，提供一種基于應(yīng)力約束及崩解損傷的泥質(zhì)軟巖強(qiáng)度測(cè)試方法，可以測(cè)試因長(zhǎng)期環(huán)境水分變化引發(fā)的損傷后泥質(zhì)軟巖的強(qiáng)度穩(wěn)定值。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種基于應(yīng)力約束及崩解損傷的泥質(zhì)軟巖強(qiáng)度測(cè)試方法，包括以下步驟：

(1)環(huán)刀原狀試樣的制備；

(2)烘干-浸水崩解：確定上覆壓力pi，并將環(huán)刀原狀試樣烘干，然后將烘干環(huán)刀試樣置于膨脹儀中；施加設(shè)計(jì)上覆壓力pi試驗(yàn)荷載值后采用浸水崩解法，試樣即產(chǎn)生膨脹崩解，測(cè)讀膨脹變形時(shí)，按一定時(shí)間順序測(cè)記試樣的高度變化；

(3)重復(fù)烘干-浸水崩解步驟，直至干濕循環(huán)次數(shù)為nj；

(4)直剪試驗(yàn)：經(jīng)過重復(fù)烘干-浸水崩解步驟的試樣先采用浸液飽和法進(jìn)行處理，然后進(jìn)行直剪試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)中以小于0.02mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切,試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2～0.4mm測(cè)記測(cè)力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值；當(dāng)剪切過程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無峰值時(shí)，應(yīng)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)；

(5)直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理：剪應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中τ—試樣所受的剪應(yīng)力，kpa；r—測(cè)力計(jì)量表讀數(shù)，0.01mm；c—測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，n/0.01mm；a0—試樣的初始斷面積，cm²；10—單位換算系數(shù)。以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切位移為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線；取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度，無峰值時(shí)，取剪切位移4mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度τi,j,k；i,j,k分別指崩解上覆壓力，干濕循環(huán)次數(shù)和剪切上覆垂直壓力的對(duì)應(yīng)編號(hào)；

以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力ci,j；i,j分別指崩解上覆壓力，干濕循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)編號(hào)；

(6)確定損傷后泥質(zhì)軟巖的強(qiáng)度穩(wěn)定值；鑒于損傷演變曲線近似為雙曲線，故用雙曲線擬合，即式中y為強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，分別取與n對(duì)應(yīng)的粘聚力ci,j,內(nèi)摩擦角n為崩解上覆設(shè)計(jì)壓力下所進(jìn)行的干濕循環(huán)次數(shù)，擬合后，即為強(qiáng)度穩(wěn)定參數(shù)值。a為與干濕循環(huán)次數(shù)變化對(duì)應(yīng)的變量。

步驟(2)中，施加設(shè)計(jì)上覆壓力pi試驗(yàn)荷載值后采用1小時(shí)浸水崩解法，即放置于平底盆內(nèi)，液面環(huán)刀高度的1/4時(shí)維持10min，1/2時(shí)維持10min，3/4時(shí)維持10min，直到保持液面略低于環(huán)刀頂面，維持30min；試樣即產(chǎn)生膨脹崩解，測(cè)讀膨脹變形時(shí)，按下列時(shí)間順序測(cè)記試樣的高度變化，時(shí)間為6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min為止，即一次干濕循環(huán)崩解過程完成。步驟(2)中，置于烘箱以105℃烘8小時(shí)，然后將烘干環(huán)刀原狀樣置于有壓膨脹儀中。

步驟(4)中，經(jīng)過反復(fù)烘干-浸水崩解處理的試樣采用浸液飽和法進(jìn)行處理：放置于平底盆內(nèi)，液面環(huán)刀高度每1/4半時(shí)維持2小時(shí)，直到保持液面略低于環(huán)刀頂面，維持10小時(shí)。采用浸液飽和法進(jìn)行處理后，再進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

步驟(1)中，現(xiàn)場(chǎng)取塊狀巖樣后，通過角磨機(jī)或磨石機(jī)切削成泥質(zhì)軟巖環(huán)刀原狀樣。

一種基于應(yīng)力約束及崩解損傷的泥質(zhì)軟巖強(qiáng)度測(cè)試方法，具體說明如下：

第一步：針對(duì)泥質(zhì)軟巖對(duì)環(huán)境濕度變化敏感，在水分變化時(shí)泥質(zhì)巖易發(fā)生開裂、膨脹崩解等的工程特點(diǎn)，利用隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙發(fā)育加劇，膨脹崩解，泥質(zhì)軟巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在減小的規(guī)律，發(fā)明了本方法，既考慮了干濕循環(huán)效應(yīng)的影響，同時(shí)也考慮了泥質(zhì)巖的裂隙開展引起強(qiáng)度損失的影響。該方法是針對(duì)抗壓強(qiáng)度小于1mpa，具有強(qiáng)崩解性泥質(zhì)巖。為此本發(fā)明的特點(diǎn)為：(1)烘干-浸水的干濕循環(huán)效應(yīng)模擬了巖石所處水環(huán)境的長(zhǎng)期作用；(2)崩解過程中上覆壓力均模擬了泥質(zhì)巖在現(xiàn)場(chǎng)處于圍巖應(yīng)力環(huán)境。

第二步：試驗(yàn)過程中上覆壓力的確定。泥質(zhì)巖的強(qiáng)度與上覆壓力或者深度相關(guān)，即隨著泥質(zhì)巖深度加大，上覆壓力增大，泥質(zhì)巖強(qiáng)度增大且受濕度變化影響減弱。因此泥質(zhì)巖強(qiáng)度也應(yīng)考慮上覆壓力的影響。泥質(zhì)軟巖邊坡破壞一般不深，滑動(dòng)面深均小于10m，為此強(qiáng)度直剪試驗(yàn)及烘干-浸水的干濕循環(huán)崩解時(shí)上覆壓力均不宜過大，壓力等級(jí)宜為25kpa、50kpa、100kpa、200kpa等。

第三步，試驗(yàn)步驟。(1)環(huán)刀原狀樣的制備?，F(xiàn)場(chǎng)取塊狀巖樣后，通過角磨機(jī)、磨石機(jī)等切削成與環(huán)刀直徑相同的圓柱樣，然后用內(nèi)壁涂抹凡士林的環(huán)刀套入圓柱樣，將兩側(cè)多出的巖樣切掉，即可制成泥質(zhì)軟巖環(huán)刀原狀樣。環(huán)刀直徑為61.8mm，高度為20mm。試樣數(shù)量決定于參數(shù)線性回歸點(diǎn)數(shù)，但不少于3個(gè)點(diǎn)。以最少回歸點(diǎn)計(jì)，試樣為9組36個(gè)，見表1，編號(hào)(i,j,k),i＝1-3,j＝1-3,k＝1-4；

表1線性回歸點(diǎn)數(shù)為3時(shí)試樣數(shù)目

(2)烘干-浸水崩解：將環(huán)刀試樣置于烘箱以105℃烘8小時(shí)，然后將烘干環(huán)刀試樣置于有壓膨脹儀中。然后采用1小時(shí)浸水崩解法，即放置于平底盆內(nèi)，液面環(huán)刀高度的1/4時(shí)維持10min，1/2時(shí)維持10min，3/4時(shí)維持10min，直到保持液面略低于環(huán)刀頂面，維持30min。此時(shí)試樣即產(chǎn)生膨脹崩解，測(cè)讀膨脹變形時(shí)，施加崩解上覆壓力pi后宜按下列時(shí)間順序測(cè)記試樣的高度變化。時(shí)間為6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min為止。即一次干濕循環(huán)崩解過程完成；

(3)重復(fù)烘干-浸水崩解。進(jìn)行步驟2，直至干濕循環(huán)次數(shù)為nj。nj取值如表1中干濕循環(huán)次數(shù)；

(4)試樣經(jīng)過反復(fù)烘干-浸水崩解處理后，采用浸液飽和法進(jìn)行處理：放置于平底盆內(nèi)，液面環(huán)刀高度每1/4半時(shí)維持2小時(shí)，直到保持液面略低于環(huán)刀頂面，維持10小時(shí)；

(5)直剪試驗(yàn)的試樣安裝：安裝直剪儀器，并在剪切下盒及試樣上放濾紙和透水板，將試樣小心地推入剪切盒內(nèi)；

(6)直剪試驗(yàn)的上覆壓力安裝。移動(dòng)傳動(dòng)裝置對(duì)剪切盒施加剪切上覆垂直壓力，并調(diào)試，直至試樣固結(jié)變形穩(wěn)定，變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)不大于0.005mm；

(7)直剪試驗(yàn)。以小于0.02mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切,試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2～0.4mm測(cè)記測(cè)力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值；當(dāng)剪切過程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無峰值時(shí)，應(yīng)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)；

(8)直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理。剪應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中—試樣所受的剪應(yīng)力，kpa；r—測(cè)力計(jì)量表讀數(shù)，0.01mm；c—測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，n/0.01mm；a0—試樣的初始斷面積，cm2；10—單位換算系數(shù)；

以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切位移為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度，無峰值時(shí)，取剪切位移4mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度τi,j,k；i,j,k分別指崩解上覆壓力，干濕循環(huán)次數(shù)和剪切上覆垂直壓力的對(duì)應(yīng)編號(hào)；

以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力ci,j；i,j分別指崩解上覆壓力，干濕循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)編號(hào)；

(9)確定損傷后泥質(zhì)軟巖的強(qiáng)度穩(wěn)定值。鑒于損傷演變曲線近似為雙曲線，故可用雙曲線擬合，即式中y為強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，分別取與n對(duì)應(yīng)的粘聚力ci,j,內(nèi)摩擦角nj為崩解上覆設(shè)計(jì)壓力下所進(jìn)行的干濕循環(huán)次數(shù)，擬合后，即為強(qiáng)度穩(wěn)定參數(shù)值的。a為與干濕循環(huán)次數(shù)變化對(duì)應(yīng)的變量；

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：既考慮了干濕循環(huán)效應(yīng)的影響，同時(shí)也考慮了泥質(zhì)巖的裂隙開展引起強(qiáng)度損失的影響。烘干-浸水的干濕循環(huán)效應(yīng)模擬了巖石所處水環(huán)境的長(zhǎng)期作用；崩解過程中上覆壓力均模擬了泥質(zhì)巖在現(xiàn)場(chǎng)處于圍巖應(yīng)力環(huán)境。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法流程圖

圖2本發(fā)明的強(qiáng)度指標(biāo)變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明使用的巖性特點(diǎn)是：

泥質(zhì)軟巖的工程特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境濕度變化敏感，在水分變化時(shí)泥質(zhì)巖易發(fā)生開裂、膨脹崩解等。相應(yīng)地隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，裂隙發(fā)育加劇，膨脹崩解，泥質(zhì)軟巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在減小。因而本試驗(yàn)考慮了干濕循環(huán)效應(yīng)的影響，同時(shí)也考慮了泥質(zhì)巖的裂隙開展引起強(qiáng)度損失的影響。

泥質(zhì)巖的強(qiáng)度與上覆壓力或者深度相關(guān)，即隨著泥質(zhì)巖深度加大，上覆壓力增大，泥質(zhì)巖強(qiáng)度增大且受濕度變化影響減弱。因此泥質(zhì)巖強(qiáng)度也應(yīng)考慮上覆壓力的影響。另外，泥質(zhì)軟巖邊坡破壞一般不深，滑動(dòng)面深均小于10m，因此強(qiáng)度直剪試驗(yàn)及烘干-浸水的干濕循環(huán)崩解時(shí)上覆壓力均不宜過大，壓力等級(jí)宜為25kpa、50kpa、100kpa、200kpa等。

該方法適用于具有強(qiáng)崩解性泥質(zhì)巖，抗壓強(qiáng)度小于1mpa，可用來評(píng)價(jià)泥質(zhì)巖邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性。原因是本發(fā)明的技術(shù)要求：(1)烘干-浸水的干濕循環(huán)效應(yīng)模擬了巖石所處水環(huán)境的長(zhǎng)期作用；(2)本發(fā)明技術(shù)要求：崩解過程中上覆壓力均模擬了泥質(zhì)巖在現(xiàn)場(chǎng)處于圍巖應(yīng)力環(huán)境。

根據(jù)圖1，試驗(yàn)步驟：(1)環(huán)刀原狀樣的制備?，F(xiàn)場(chǎng)取塊狀巖樣后，通過角磨機(jī)、磨石機(jī)等切削成與環(huán)刀直徑相同的圓柱樣，然后用內(nèi)壁涂抹凡士林的環(huán)刀套入圓柱樣，將兩側(cè)多出的巖樣切掉，即可制成泥質(zhì)軟巖環(huán)刀原狀樣。環(huán)刀直徑為61.8mm，高度為20mm。試樣數(shù)量決定于參數(shù)線性回歸點(diǎn)數(shù)，但不少于3個(gè)點(diǎn)。以最少回歸點(diǎn)計(jì)，試樣為9組36個(gè)，見表1，編號(hào)(i,j,k),i＝1-3,j＝1-3,k＝1-4；

表1線性回歸點(diǎn)數(shù)為3時(shí)試樣數(shù)目

(2)烘干-浸水崩解。將環(huán)刀試樣置于烘箱以105℃烘8小時(shí)，然后將烘干環(huán)刀原狀樣置于有壓膨脹儀中。然后施加設(shè)計(jì)上覆壓力pi試驗(yàn)荷載值，采用1小時(shí)浸水崩解法，即放置于平底盆內(nèi)，液面環(huán)刀高度的1/4時(shí)維持10min，1/2時(shí)維持10min，3/4時(shí)維持10min，直到保持液面略低于環(huán)刀頂面，維持30min。此時(shí)試樣即產(chǎn)生膨脹崩解，測(cè)讀膨脹變形時(shí)，宜按下列時(shí)間順序測(cè)記試樣的高度變化。時(shí)間為6s、12s、24s，48s，1min30s，3min、6min、10min、20min、30min為止。即一次干濕循環(huán)崩解過程完成；

(3)重復(fù)烘干-浸水崩解。進(jìn)行步驟2，直至干濕循環(huán)次數(shù)，干濕循環(huán)次數(shù)取值如表1所示；

(4)直剪試驗(yàn)的試樣采用浸液飽和法。放置于平底盆內(nèi)，液面環(huán)刀高度每1/4半時(shí)維持2小時(shí)，直到保持液面略低于環(huán)刀頂面，維持10小時(shí)；

(5)直剪試驗(yàn)的試樣安裝。安裝直剪儀器，并在剪切下盒及試樣上放濾紙和透水板,將試樣小心地推入剪切盒內(nèi)；

(6)直剪試驗(yàn)的上覆壓力安裝。移動(dòng)傳動(dòng)裝置對(duì)剪切盒施加剪切上覆垂直壓力，并調(diào)試，直至試樣固結(jié)變形穩(wěn)定,變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)不大于0.005mm；

(7)直剪試驗(yàn)。以小于0.02mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切,試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2～0.4mm測(cè)記測(cè)力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值；當(dāng)剪切過程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無峰值時(shí)應(yīng)剪切至剪切位移為時(shí)停機(jī)；

(8)直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理。剪應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中τ—試樣所受的剪應(yīng)力，kpa；r—測(cè)力計(jì)量表讀數(shù)，0.01mm；c—測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，n/0.01mm；a0—試樣的初始斷面積，cm²；10—單位換算系數(shù)；

以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，剪切位移為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度，無峰值時(shí)，取剪切位移4mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度τi,j,k；i,j,k分別指崩解上覆壓力，干濕循環(huán)次數(shù)和剪切上覆垂直壓力的對(duì)應(yīng)編號(hào)；

以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角直線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力ci,j；i,j分別指崩解上覆壓力，干濕循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)編號(hào)；

(9)確定損傷后泥質(zhì)軟巖的強(qiáng)度穩(wěn)定值。對(duì)于鑒于損傷演變曲線近似為雙曲線，故可用雙曲線擬合，即式中y為強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，分別取與n對(duì)應(yīng)的粘聚力ci,j,內(nèi)摩擦角nj為崩解上覆設(shè)計(jì)壓力下所進(jìn)行的干濕循環(huán)次數(shù)，擬合后，即為強(qiáng)度穩(wěn)定參數(shù)值。a為與干濕循環(huán)次數(shù)變化對(duì)應(yīng)的變量。

實(shí)例分析

在引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程現(xiàn)場(chǎng)取泥質(zhì)砂巖環(huán)刀原狀樣32個(gè)，分為二組，每組12個(gè)環(huán)刀原狀樣。一組保持天然含水率14.4％不變，一組在100℃溫度下烘干1次。每種含水率的12個(gè)環(huán)刀原狀樣分為4組，每組3個(gè)，分別在0kpa、25kpa、50kpa下浸水至飽和狀態(tài)，然后將試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到相應(yīng)的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

如圖2，基本變化規(guī)律是隨著崩解時(shí)上覆壓力的增大，粘聚力衰減快速減小，而崩解作用對(duì)內(nèi)摩擦角影響不顯著。

上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍。