2024年3月9日发(作者：戊英锐)
２０１７年１０月 第５期 文章编号：１６７２－８２６２（２０ｔ７）０５—１６０—０４ 城市勘测 Ｏｅｔ．２０１７ Ｕｒｂａｎ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｎｏ．５ 中图分类号：ＴＵ４５２ 文献标识码：Ａ 试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系 宗静 ，熊穗，潘海利 （南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏南京摘一２１００１９） 要：岩石单轴抗压强度一方面可为勘测设计阶段的工程地质评价和各类工程地基基础设计提供参数和资料，另 方面可为施工阶段的实体工程选用符合质量要求的石料提供依据，因此研究岩石的单轴抗压强度具有重要的工程 意义。通过平推法岩石直剪试验，获得内聚力ｃ和内摩擦角 ，通过分析内聚力Ｃ和内摩擦角 随单轴抗压强度的变 化特点。得出抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系，为实际工程提供参考和辅助，具有重要指导意义。 关键词：内聚力；内摩擦角；单轴抗压强度；平推法直剪试验 ｌ前言 （３）粉砂质泥岩（取样深度：１７．７ ｍ～５０．０ ｍ） ２．２试样的制备和试验方法 ］ ２．２．１试样的制备 岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力，叫抗剪强度¨ 。 在实际工程中岩石是处在复杂的受力状态中。而工程 岩体的破坏往往不是简单的压碎和拉裂，而是在复杂的 受力作用下的剪切破坏。因此，研究岩石的抗剪强度及 测试方法，比研究岩石抗压、抗拉强度更有意义 。 本次试验的样品为原柱型芯样，直径在７．５ ｏｍ～ ９．０ ｅｍ之间，制成的试样高、径比为ｌ：１左右。 ２．２．２试验方法 岩石的抗剪强度用摩擦角（ ）和内聚力（ｃ）表示。 结合岩石受力、破坏情况可把岩石强度分为抗剪断强度 本试验的试验方法为平推法岩石直剪试验 （１）岩石试件要求 （ｃ、 ）、抗剪强度和抗切强度（ｃ） 。内聚力ｃ和内摩 擦角 ，测定它们的值的方法很多，如现场大型直剪、室 内中型直剪、变角剪等。通过室内直剪应力控制式的平 推法直剪试验，得出内聚力ｃ和内摩擦角 ，通过分析 ①取样应在现场采取试件，在采取、运输和制备过 程中，应防止产生裂缝和扰动。 ②每组试验试件的数量应为５个。 ③岩石直剪试验试件的直径或边长不小于 ５０ ｍｍ，试件高度应与试件的直径或边长相等。 （２）主要仪器和设备：应力控制式平推法直剪试 验仪。 内聚力Ｃ和内摩擦角 的变化特点，可以使岩石试验和 岩体运动成为一个连续过程，探究岩石抗剪强度参数与 单轴抗压强度的关系，使岩石试验获取的数据可用于岩 石工程设计，具有指导意义和参考意义。 （３）试验结束后，应对试件剪切面进行描述： ①准确量测剪切面面积； ②详细描述剪切面的破坏情况，擦痕的分布、方向 ２试验分析 ２．１取样的位置及地理情况 本次试验的样品取自南京地铁五号线Ｄ５一ＸＫ０４ 标沿线的岩石样品。 场地下伏基岩层面埋深变大体由东往西逐渐加深。 和长度； ③测定剪切面的起伏差； ④当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面的 位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。 ⑤应将各剪切阶段特征点的剪应力和法向应力点 场地基岩为白垩系和侏罗系沉积岩，岩性包括：泥岩、泥 绘制在坐标图上，绘制剪应力与法向应力关系曲线，并 应按库伦一奈维表达式确定相应的岩石强度参数（ｃ、 中） 。 质粉砂岩、粉细砂岩以及含砾砂岩，岩体完整性亦有差 异，局部岩体较破碎。场地下伏基岩层面埋深变化较 大，埋深在５．３ ｍ￣６ｏ．０ ｍ。具体岩层的埋深如下： （１）砂砾岩（取样深度８．０ ｍ一６０．０ ｍ） （２）粉砂岩（取样深度：１７．２ ｍ一３３．９ ｍ） 收稿日期：２０１７一ｏ６一ｏ６ ２．３试验数据 根据三次工程岩石直剪试验的强度参数与单轴抗 压强度的成果汇总，得出如下关系图： 作者简介：宗静（１９７９一），女，高级工程师，从事岩土工程检测与岩土测试工作。
第５期 宗静等．试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系 １６１ （１）试验一为泥质粉砂岩： Ｃｒ—Ｃ 单轴抗压强度，ＭＰａ 图１ 泥质粉砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系 ６０｝ｔＹ＇ －‘Ｐ — ： －－． ｙ＝ Ｏ．Ｏ◆２１。ｘ．＋４．４ ２ｏｉ； ． ｏ分………一… ＿ｎ ５… …… ｕⅢ … Ｉ一０… …… ＿Ⅲ…… １ ５ … 一～…２一。 单轴抗压强度／ＭＰａ 图２泥质粉砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系 数据分析： ①由图（１）、图（２）可以看出，此工程中岩石的抗 压强度集中在１ ＭＰａ～１０ ＭＰａ之间，大于１０ ＭＰａ后的 内聚力离散性较大。 ②从图１中，我们可以看出，随着抗压强度 的 增大，内聚力ｃ的值也明显的增大。从图中可以发现， 此岩块的内聚力ｃ主要在０ ＭＰａ～２ ＭＰａ之间。内聚 力ｃ越大，离散性也越大。 ③从图２中可以看出，内摩擦角的变化比较平缓， 一般都大于４０。。 （２）试验二为含砾砂岩： ｒｒ— 单轴抗压强度／ＭＰａ 图３含砾砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系 单轴抗压强度 Ｐａ 图４含砾砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系 数据分析： ①图３可以明显看出，此种岩石的内聚力ｃ主要 集中在０ ＭＰａ一２ ＭＰａ之间，一般内聚力Ｃ都小于 ５ ＭＰａ，而且，随着抗压强度 的增大，内聚力ｃ增大 非常明显。 ②图４可以看出，内摩擦角的变化与图２相似，随 着抗压强度的变化，内摩擦角的变化范围很小。比较 图２和图４，可以看出，内摩擦角增大。 （３）试验三为细砂岩： 乏 －ｇ２ 单轴抗压强７￣ＪＭＰａ ｆ图５细砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系 ０ 赣 戳 单轴抗压强度／ＭＰａ 图６细砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系 数据分析： ①由图５我们可以发现，此工程的岩石的抗剪强 度参数内聚力Ｃ值集中在２ ＭＰａ，随着单轴抗压强度 的增大，内聚力ｃ值明显呈增大的趋势。在单轴抗压 强度大于２０ ＭＰａ之后，内聚力ｃ比较离散。 ②由图６可以发现，抗剪强度 值变化也比较平 缓，角度一般都大于４５。，随着单轴抗压强度的增大呈 缓慢的增大趋势。 本工程的岩石是南京地区代表性的岩石沉积岩， 此岩层在南京地区分布比较广。南京地铁五号线Ｄ５一 ＸＫ０４标的沿线基本为沉积岩，代表性的岩石为泥质粉 砂岩、细砂岩、部分的含砾砂岩，中风化，密度在 ２．３５ ｇ／ｃｍ ～２．４０ ｇ／ｃｍ。之间，平均单轴抗压强度在 ５ ＭＰａ～１５ ＭＰａ之问。由以上数据和图表我们还可以 发现，此种岩石的抗剪强度参数ｃ一般在１ ＭＰａ～ ２ ＭＰａ之间， 在４５。。一般，随着单轴抗压强度的增 大，抗剪强度参数Ｃ的值在一定的范围内，随着单轴抗 压强度的增大而明显的增大；抗剪强度 值随着单轴 抗压强度的增大也是缓缓增大，但是增大的幅度没有 ｃ值明显。
ｌ６２ 城市勘测 女¨果我们把这些数据合在一起统计，如图７所示， 我们【１ｆ以清楚地看出，随着单轴抗压强度的增大，抗剪 强度Ｃ、 值明娃的呈增大趋势。 已知有效 腹力 的佰，Ｈｏｃｋ—Ｂｒｏｗｎ的计算过 程如下： ＾：１＋ ３ｍ。 １［９０＋ａｒｅｔａｎ（志）］ ｌ （Ｄ＝ａｒｃｔａｎ—￣— ／４ｈｃｏｓ ０—１ 丁 （ｃ０ｔ－｛＇ｏｓｑ） ｌ！ 二 ： 二！＝＝丝堡 二 二＝垡 二 Ｉ 图７单轴抗压强度（，＿、内聚力 摩擦角 关系曲线 ｃ＝ｒ一 ｎｔａｎ 求出ｃ和 后，岩体的单轴抗压强度盯¨Ｉ，］ 由下式 求得： 数据分析： Ｈｏｅｋ于１９９０年提出根据Ｈｏｅｋ—Ｂｒｏｗｎ准则定义 ＝ ■—＿ ｌ—Ｓｌｎ（Ｄ （１）ｌ 的包［｝玎心应力圆的包络线的切线来确定Ｍｏｈｌ～Ｃｏｕ— ｈ｝ｍｂ黏聚力和内摩擦角的等效值的方法 ： 崭 编 ｌ～１５９ １６０～２１５ ２ｌ６—２４６ 根据内聚力和内摩擦角，可以求出岩块的单轴抗 压强度值 ，根据试验数据汇总成表１： 表 摩擦角 ／。 范 平均值 ３８．４—５１．５ ４０．５～５２．５ ４０．０～５１．０ 研究区各类岩石物理力学参数统计表 岩 称 天然状念块 体密度ｇ／ｃｎ ２．３８ ２．３９ ２．３８ 单轴抗压强 匪Ⅱ ／ＭＰａ 范围值 平均ｆ『｛ 】．２２～】７．８ １．２５～３８．６ １．２５～３Ｏ．６ 内聚力ｃ／ＭＰａ 范围值 平均ｆｆ｛ ０．４０—３．５５ ０．７０～５．２５ Ｏ．２０～３．８０ ， 【『． ５．００ ｌ０ ９ Ｉ１．３ 泥质粉砂 含砾砂嚣 砂 ｝ ６．Ｏ３ ｌ２．３ １２。０ １．０１ ２．１３ ２．２５ ４４港 ４７．５ ４７．２ ［１Ｉ数据表１我们可矢¨，此工程泥质粉砂岩的平均 单轴抗Ｊ 强度为 ．＝６．０３ ＭＰａ，按经验式（１）计算所 得的 ＝５．００ ＭＰａ，町知平均值 ＞ ；含砾砂岩的 平均单轴抗压强度为 ：ｌ２－３ ＭＰａ，按经验式（１）计 三三三 三ｊ三三三 ０ ５ １０ １Ｓ 算所得的 。＝１０．９５ ＭＰａ，呵知平均值 ．．＞ 砂岩的 平均单轴抗压强度为 ：ｌ２．０ ＭＰａ，按经验式（１）计 算所得的 ．＝１ １．３ ＭＰａ，可知平均值 ＞Ｏｒ 由此统 汁，此Ｊ二程巾，单轴抗压强度的测试值大于我们用抗剪 强度经验公式计算的 轴抗压强度。我们把所有测试 数据统计‘、汇总，如图８、图９所示： Ｏ．７Ｏ ０．６Ｏ 一２０ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ 图９研究区内内摩擦角比单轴抗压强度与单轴抗压强度的关系 图８、图９是分别是单轴抗压强度与内聚力比单 轴抗压强度的坐标图和单轴抗压强度 摩擦ｊＩｊ比单轴 抗压强度的坐标图，图８我们可以看出，随着 轴抗压 强度的增大，内聚力缓慢的增大． ９是一个反函数 Ｏ．§Ｏ ０．４０ ０．３０ Ｏ．２Ｏ Ｏ．１０ 曲线，随着单轴抗压强度的增大，在０ ＭＰａ～ｌ０ ＭＰａ范 围内，摩擦角急剧增大，在１０ ＭＰａ～３０ ＭＰａ范围内，摩 擦角增大的幅度缓慢，大于３０ ＭＰａ以后，摩擦角变化 非常小，几乎是不增加。 １０ ２０ ３０ ４０ ５０ Ｏ．０Ｏ ０ 图８研究区内内聚力比单轴抗压强度与单轴抗压强度的关系
第５期 ４．Ｄ０ 宗静等．试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系 １６３ ①岩石本身的特性，由于岩块材料的复杂性，岩块 本身中含有大量的裂隙、不同的胶结物，是个多项介质 的复合材料，还有地层形成过程中产生的层理、节理、 破碎带等异常的地质结构，此外还有在采样过程中产 生的裂隙以及岩块的破碎等。 ②单轴抗压是在无侧限的条件下，受轴向力作用 ３．ＳＯ ３。ＯＯ ２．ＳＯ ｂ。 ·ｏｏ １．ＳＯ １．ＯＯ Ｏ，ＳＯ Ｏ．００ Ｏ 破坏时单位面积上所承受的荷载，而抗剪强度参数是 在有侧限限制的条件下进行的。 １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ③岩石的尺寸，同为圆柱体，单轴抗压的尺寸要求 高径比为ｉ：２，抗剪强度要求高径比为１：１。 ④岩石抗剪参数具有随机性和离散性的特点，因 此，当实验数据较少时，试样数量的不充分会引起统计 圈１０研究区内单轴抗压强度测试值与计算值的关系 图ｌＯ是单轴抗压强度测试值与单轴抗压强度换 算值得比较，从图中可以看出，ｒＯ 在０ ＭＰａ～１０ ＭＰａ以 内， 与ｏｒ 值很接近，而随着 。的增大，ｒＯ 。的偏离 也越来越大，单轴抗压的测试值明显小于经验公式计 算出的抗压值。 上的不确定性，“真值”很可能在实验数据限定的范围 以外；当实验数据较多时，逼近“真值”的自由度很大， 也很难给出一个确定的值。 参考文献 ３ 结论 ［１］ 罗国煜，李生林．工程地质学基础［Ｍ］．南京：南京大学出 版社．１９９０． （１）由此工程的数据表统计图可以发现，不同的 岩石，其抗剪强度参数Ｃ、 值基本都随着抗压强度的 增大而增大。 ［２］ 赵文强，王国瑞．岩石抗剪强度测试方法的研究［Ｊ］．河 北地质学院学报，１９８８（３）：８２—９５． ［３］ 沈明荣，陈建峰．岩体力学［Ｍ］．上海：同济大学出版社， ｌ９９９． （２）由图４可以发现，抗剪强度Ｃ值一般都集中在 ０ ＭＰａ￣５ ＭＰａ以内， 在４０。～５０。之间，而其随着单轴 抗压啊强度的增大，抗剪强度Ｃ、 的离散陛越来越大。 ［４］ＪＴＧ Ｅ４１—２００５．公路＿Ｔ－程岩石试验规程［ｓ］． ［５］ ＧＢ／Ｔ ５０２６６—２０１３．工程岩体试验方法标准［ｓ］． （３）由图４、图５、图６可以发现，不论是哪种性质 的岩石，试验所得的单轴抗压ｏｒ 的强度都明显大于根 ［６］ 刘佑荣，唐辉明．岩体力学［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００９． 据抗剪强度参数ｃ、 计算而得出的单轴抗压ｏｒ 值。 同种性质的岩块，不同的方法，得出的单轴抗压值不 ［７］ 潘庆英，游桂芝．岩石抗剪强度的参数ｃ和‘ｐ值的测定 ［Ｊ］．西部探矿工程，２０１４，２６（１）：１３—１５． 同，究其原因： Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ Ｕｎｉａｘｉａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ ｒｏｃｋ Ｚｏｎｇ Ｊｉｎｇ，Ｘｉｏｎｇ Ｓｕｉ，Ｐａｎ Ｈａｉｌｉ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｍａｐｐｉｎｇ＆Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ ｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｇｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔ ｃａｎ ｏｆｆｅｒ ｂａｓｉｓ ｆ０ｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｏｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆ０ｒ ｔｈｅｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ— ｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ Ｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆ－ ｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｈｅｓｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ；ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉａｔ ｐｕｓｈ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔ
2024年3月9日发(作者：戊英锐)
２０１７年１０月 第５期 文章编号：１６７２－８２６２（２０ｔ７）０５—１６０—０４ 城市勘测 Ｏｅｔ．２０１７ Ｕｒｂａｎ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｎｏ．５ 中图分类号：ＴＵ４５２ 文献标识码：Ａ 试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系 宗静 ，熊穗，潘海利 （南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏南京摘一２１００１９） 要：岩石单轴抗压强度一方面可为勘测设计阶段的工程地质评价和各类工程地基基础设计提供参数和资料，另 方面可为施工阶段的实体工程选用符合质量要求的石料提供依据，因此研究岩石的单轴抗压强度具有重要的工程 意义。通过平推法岩石直剪试验，获得内聚力ｃ和内摩擦角 ，通过分析内聚力Ｃ和内摩擦角 随单轴抗压强度的变 化特点。得出抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系，为实际工程提供参考和辅助，具有重要指导意义。 关键词：内聚力；内摩擦角；单轴抗压强度；平推法直剪试验 ｌ前言 （３）粉砂质泥岩（取样深度：１７．７ ｍ～５０．０ ｍ） ２．２试样的制备和试验方法 ］ ２．２．１试样的制备 岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力，叫抗剪强度¨ 。 在实际工程中岩石是处在复杂的受力状态中。而工程 岩体的破坏往往不是简单的压碎和拉裂，而是在复杂的 受力作用下的剪切破坏。因此，研究岩石的抗剪强度及 测试方法，比研究岩石抗压、抗拉强度更有意义 。 本次试验的样品为原柱型芯样，直径在７．５ ｏｍ～ ９．０ ｅｍ之间，制成的试样高、径比为ｌ：１左右。 ２．２．２试验方法 岩石的抗剪强度用摩擦角（ ）和内聚力（ｃ）表示。 结合岩石受力、破坏情况可把岩石强度分为抗剪断强度 本试验的试验方法为平推法岩石直剪试验 （１）岩石试件要求 （ｃ、 ）、抗剪强度和抗切强度（ｃ） 。内聚力ｃ和内摩 擦角 ，测定它们的值的方法很多，如现场大型直剪、室 内中型直剪、变角剪等。通过室内直剪应力控制式的平 推法直剪试验，得出内聚力ｃ和内摩擦角 ，通过分析 ①取样应在现场采取试件，在采取、运输和制备过 程中，应防止产生裂缝和扰动。 ②每组试验试件的数量应为５个。 ③岩石直剪试验试件的直径或边长不小于 ５０ ｍｍ，试件高度应与试件的直径或边长相等。 （２）主要仪器和设备：应力控制式平推法直剪试 验仪。 内聚力Ｃ和内摩擦角 的变化特点，可以使岩石试验和 岩体运动成为一个连续过程，探究岩石抗剪强度参数与 单轴抗压强度的关系，使岩石试验获取的数据可用于岩 石工程设计，具有指导意义和参考意义。 （３）试验结束后，应对试件剪切面进行描述： ①准确量测剪切面面积； ②详细描述剪切面的破坏情况，擦痕的分布、方向 ２试验分析 ２．１取样的位置及地理情况 本次试验的样品取自南京地铁五号线Ｄ５一ＸＫ０４ 标沿线的岩石样品。 场地下伏基岩层面埋深变大体由东往西逐渐加深。 和长度； ③测定剪切面的起伏差； ④当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面的 位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。 ⑤应将各剪切阶段特征点的剪应力和法向应力点 场地基岩为白垩系和侏罗系沉积岩，岩性包括：泥岩、泥 绘制在坐标图上，绘制剪应力与法向应力关系曲线，并 应按库伦一奈维表达式确定相应的岩石强度参数（ｃ、 中） 。 质粉砂岩、粉细砂岩以及含砾砂岩，岩体完整性亦有差 异，局部岩体较破碎。场地下伏基岩层面埋深变化较 大，埋深在５．３ ｍ￣６ｏ．０ ｍ。具体岩层的埋深如下： （１）砂砾岩（取样深度８．０ ｍ一６０．０ ｍ） （２）粉砂岩（取样深度：１７．２ ｍ一３３．９ ｍ） 收稿日期：２０１７一ｏ６一ｏ６ ２．３试验数据 根据三次工程岩石直剪试验的强度参数与单轴抗 压强度的成果汇总，得出如下关系图： 作者简介：宗静（１９７９一），女，高级工程师，从事岩土工程检测与岩土测试工作。
第５期 宗静等．试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系 １６１ （１）试验一为泥质粉砂岩： Ｃｒ—Ｃ 单轴抗压强度，ＭＰａ 图１ 泥质粉砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系 ６０｝ｔＹ＇ －‘Ｐ — ： －－． ｙ＝ Ｏ．Ｏ◆２１。ｘ．＋４．４ ２ｏｉ； ． ｏ分………一… ＿ｎ ５… …… ｕⅢ … Ｉ一０… …… ＿Ⅲ…… １ ５ … 一～…２一。 单轴抗压强度／ＭＰａ 图２泥质粉砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系 数据分析： ①由图（１）、图（２）可以看出，此工程中岩石的抗 压强度集中在１ ＭＰａ～１０ ＭＰａ之间，大于１０ ＭＰａ后的 内聚力离散性较大。 ②从图１中，我们可以看出，随着抗压强度 的 增大，内聚力ｃ的值也明显的增大。从图中可以发现， 此岩块的内聚力ｃ主要在０ ＭＰａ～２ ＭＰａ之间。内聚 力ｃ越大，离散性也越大。 ③从图２中可以看出，内摩擦角的变化比较平缓， 一般都大于４０。。 （２）试验二为含砾砂岩： ｒｒ— 单轴抗压强度／ＭＰａ 图３含砾砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系 单轴抗压强度 Ｐａ 图４含砾砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系 数据分析： ①图３可以明显看出，此种岩石的内聚力ｃ主要 集中在０ ＭＰａ一２ ＭＰａ之间，一般内聚力Ｃ都小于 ５ ＭＰａ，而且，随着抗压强度 的增大，内聚力ｃ增大 非常明显。 ②图４可以看出，内摩擦角的变化与图２相似，随 着抗压强度的变化，内摩擦角的变化范围很小。比较 图２和图４，可以看出，内摩擦角增大。 （３）试验三为细砂岩： 乏 －ｇ２ 单轴抗压强７￣ＪＭＰａ ｆ图５细砂岩内聚力与单轴抗压强度的关系 ０ 赣 戳 单轴抗压强度／ＭＰａ 图６细砂岩内摩擦角与单轴抗压强度的关系 数据分析： ①由图５我们可以发现，此工程的岩石的抗剪强 度参数内聚力Ｃ值集中在２ ＭＰａ，随着单轴抗压强度 的增大，内聚力ｃ值明显呈增大的趋势。在单轴抗压 强度大于２０ ＭＰａ之后，内聚力ｃ比较离散。 ②由图６可以发现，抗剪强度 值变化也比较平 缓，角度一般都大于４５。，随着单轴抗压强度的增大呈 缓慢的增大趋势。 本工程的岩石是南京地区代表性的岩石沉积岩， 此岩层在南京地区分布比较广。南京地铁五号线Ｄ５一 ＸＫ０４标的沿线基本为沉积岩，代表性的岩石为泥质粉 砂岩、细砂岩、部分的含砾砂岩，中风化，密度在 ２．３５ ｇ／ｃｍ ～２．４０ ｇ／ｃｍ。之间，平均单轴抗压强度在 ５ ＭＰａ～１５ ＭＰａ之问。由以上数据和图表我们还可以 发现，此种岩石的抗剪强度参数ｃ一般在１ ＭＰａ～ ２ ＭＰａ之间， 在４５。。一般，随着单轴抗压强度的增 大，抗剪强度参数Ｃ的值在一定的范围内，随着单轴抗 压强度的增大而明显的增大；抗剪强度 值随着单轴 抗压强度的增大也是缓缓增大，但是增大的幅度没有 ｃ值明显。
ｌ６２ 城市勘测 女¨果我们把这些数据合在一起统计，如图７所示， 我们【１ｆ以清楚地看出，随着单轴抗压强度的增大，抗剪 强度Ｃ、 值明娃的呈增大趋势。 已知有效 腹力 的佰，Ｈｏｃｋ—Ｂｒｏｗｎ的计算过 程如下： ＾：１＋ ３ｍ。 １［９０＋ａｒｅｔａｎ（志）］ ｌ （Ｄ＝ａｒｃｔａｎ—￣— ／４ｈｃｏｓ ０—１ 丁 （ｃ０ｔ－｛＇ｏｓｑ） ｌ！ 二 ： 二！＝＝丝堡 二 二＝垡 二 Ｉ 图７单轴抗压强度（，＿、内聚力 摩擦角 关系曲线 ｃ＝ｒ一 ｎｔａｎ 求出ｃ和 后，岩体的单轴抗压强度盯¨Ｉ，］ 由下式 求得： 数据分析： Ｈｏｅｋ于１９９０年提出根据Ｈｏｅｋ—Ｂｒｏｗｎ准则定义 ＝ ■—＿ ｌ—Ｓｌｎ（Ｄ （１）ｌ 的包［｝玎心应力圆的包络线的切线来确定Ｍｏｈｌ～Ｃｏｕ— ｈ｝ｍｂ黏聚力和内摩擦角的等效值的方法 ： 崭 编 ｌ～１５９ １６０～２１５ ２ｌ６—２４６ 根据内聚力和内摩擦角，可以求出岩块的单轴抗 压强度值 ，根据试验数据汇总成表１： 表 摩擦角 ／。 范 平均值 ３８．４—５１．５ ４０．５～５２．５ ４０．０～５１．０ 研究区各类岩石物理力学参数统计表 岩 称 天然状念块 体密度ｇ／ｃｎ ２．３８ ２．３９ ２．３８ 单轴抗压强 匪Ⅱ ／ＭＰａ 范围值 平均ｆ『｛ 】．２２～】７．８ １．２５～３８．６ １．２５～３Ｏ．６ 内聚力ｃ／ＭＰａ 范围值 平均ｆｆ｛ ０．４０—３．５５ ０．７０～５．２５ Ｏ．２０～３．８０ ， 【『． ５．００ ｌ０ ９ Ｉ１．３ 泥质粉砂 含砾砂嚣 砂 ｝ ６．Ｏ３ ｌ２．３ １２。０ １．０１ ２．１３ ２．２５ ４４港 ４７．５ ４７．２ ［１Ｉ数据表１我们可矢¨，此工程泥质粉砂岩的平均 单轴抗Ｊ 强度为 ．＝６．０３ ＭＰａ，按经验式（１）计算所 得的 ＝５．００ ＭＰａ，町知平均值 ＞ ；含砾砂岩的 平均单轴抗压强度为 ：ｌ２－３ ＭＰａ，按经验式（１）计 三三三 三ｊ三三三 ０ ５ １０ １Ｓ 算所得的 。＝１０．９５ ＭＰａ，呵知平均值 ．．＞ 砂岩的 平均单轴抗压强度为 ：ｌ２．０ ＭＰａ，按经验式（１）计 算所得的 ．＝１ １．３ ＭＰａ，可知平均值 ＞Ｏｒ 由此统 汁，此Ｊ二程巾，单轴抗压强度的测试值大于我们用抗剪 强度经验公式计算的 轴抗压强度。我们把所有测试 数据统计‘、汇总，如图８、图９所示： Ｏ．７Ｏ ０．６Ｏ 一２０ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ 图９研究区内内摩擦角比单轴抗压强度与单轴抗压强度的关系 图８、图９是分别是单轴抗压强度与内聚力比单 轴抗压强度的坐标图和单轴抗压强度 摩擦ｊＩｊ比单轴 抗压强度的坐标图，图８我们可以看出，随着 轴抗压 强度的增大，内聚力缓慢的增大． ９是一个反函数 Ｏ．§Ｏ ０．４０ ０．３０ Ｏ．２Ｏ Ｏ．１０ 曲线，随着单轴抗压强度的增大，在０ ＭＰａ～ｌ０ ＭＰａ范 围内，摩擦角急剧增大，在１０ ＭＰａ～３０ ＭＰａ范围内，摩 擦角增大的幅度缓慢，大于３０ ＭＰａ以后，摩擦角变化 非常小，几乎是不增加。 １０ ２０ ３０ ４０ ５０ Ｏ．０Ｏ ０ 图８研究区内内聚力比单轴抗压强度与单轴抗压强度的关系
第５期 ４．Ｄ０ 宗静等．试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系 １６３ ①岩石本身的特性，由于岩块材料的复杂性，岩块 本身中含有大量的裂隙、不同的胶结物，是个多项介质 的复合材料，还有地层形成过程中产生的层理、节理、 破碎带等异常的地质结构，此外还有在采样过程中产 生的裂隙以及岩块的破碎等。 ②单轴抗压是在无侧限的条件下，受轴向力作用 ３．ＳＯ ３。ＯＯ ２．ＳＯ ｂ。 ·ｏｏ １．ＳＯ １．ＯＯ Ｏ，ＳＯ Ｏ．００ Ｏ 破坏时单位面积上所承受的荷载，而抗剪强度参数是 在有侧限限制的条件下进行的。 １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ③岩石的尺寸，同为圆柱体，单轴抗压的尺寸要求 高径比为ｉ：２，抗剪强度要求高径比为１：１。 ④岩石抗剪参数具有随机性和离散性的特点，因 此，当实验数据较少时，试样数量的不充分会引起统计 圈１０研究区内单轴抗压强度测试值与计算值的关系 图ｌＯ是单轴抗压强度测试值与单轴抗压强度换 算值得比较，从图中可以看出，ｒＯ 在０ ＭＰａ～１０ ＭＰａ以 内， 与ｏｒ 值很接近，而随着 。的增大，ｒＯ 。的偏离 也越来越大，单轴抗压的测试值明显小于经验公式计 算出的抗压值。 上的不确定性，“真值”很可能在实验数据限定的范围 以外；当实验数据较多时，逼近“真值”的自由度很大， 也很难给出一个确定的值。 参考文献 ３ 结论 ［１］ 罗国煜，李生林．工程地质学基础［Ｍ］．南京：南京大学出 版社．１９９０． （１）由此工程的数据表统计图可以发现，不同的 岩石，其抗剪强度参数Ｃ、 值基本都随着抗压强度的 增大而增大。 ［２］ 赵文强，王国瑞．岩石抗剪强度测试方法的研究［Ｊ］．河 北地质学院学报，１９８８（３）：８２—９５． ［３］ 沈明荣，陈建峰．岩体力学［Ｍ］．上海：同济大学出版社， ｌ９９９． （２）由图４可以发现，抗剪强度Ｃ值一般都集中在 ０ ＭＰａ￣５ ＭＰａ以内， 在４０。～５０。之间，而其随着单轴 抗压啊强度的增大，抗剪强度Ｃ、 的离散陛越来越大。 ［４］ＪＴＧ Ｅ４１—２００５．公路＿Ｔ－程岩石试验规程［ｓ］． ［５］ ＧＢ／Ｔ ５０２６６—２０１３．工程岩体试验方法标准［ｓ］． （３）由图４、图５、图６可以发现，不论是哪种性质 的岩石，试验所得的单轴抗压ｏｒ 的强度都明显大于根 ［６］ 刘佑荣，唐辉明．岩体力学［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００９． 据抗剪强度参数ｃ、 计算而得出的单轴抗压ｏｒ 值。 同种性质的岩块，不同的方法，得出的单轴抗压值不 ［７］ 潘庆英，游桂芝．岩石抗剪强度的参数ｃ和‘ｐ值的测定 ［Ｊ］．西部探矿工程，２０１４，２６（１）：１３—１５． 同，究其原因： Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ Ｕｎｉａｘｉａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ ｒｏｃｋ Ｚｏｎｇ Ｊｉｎｇ，Ｘｉｏｎｇ Ｓｕｉ，Ｐａｎ Ｈａｉｌｉ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｍａｐｐｉｎｇ＆Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ ｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｇｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔ ｃａｎ ｏｆｆｅｒ ｂａｓｉｓ ｆ０ｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｏｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆ０ｒ ｔｈｅｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ— ｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ Ｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆ－ ｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｈｅｓｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ；ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｉａｔ ｐｕｓｈ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔ