岩石抗剪断强度测定

发布时间：2026-05-12 07:14:02 • 阅读量： • 来源：中析研究所

技术概述

岩石抗剪断强度测定是岩土工程领域中一项极为重要的力学性能测试项目，主要用于评估岩石材料在剪切载荷作用下的承载能力和变形特性。岩石作为天然地质材料，其内部存在着各种节理、裂隙和层理等结构面，这些结构面对岩石的力学性质产生显著影响。抗剪断强度是指岩石在法向应力和剪应力共同作用下，沿预定剪切面发生断裂时的极限应力状态，是表征岩石抵抗剪切破坏能力的关键力学指标。

岩石抗剪断强度的测定结果直接关系到边坡稳定性分析、隧道围岩支护设计、地基承载力计算、大坝基础稳定性评估等重大工程的安全性和经济性。在实际工程中，如果对岩石抗剪断强度参数估计不准确，可能导致工程设计过于保守而造成资源浪费，或者设计偏于不安全而引发工程事故。因此，开展科学、规范的岩石抗剪断强度测定工作具有重要的理论意义和实用价值。

岩石抗剪断强度的测定原理基于莫尔-库仑强度理论，该理论认为岩石的剪切破坏主要受法向应力和材料固有抗剪强度参数的控制。通过在不同法向应力水平下进行剪切试验，可以获得岩石的内聚力和内摩擦角两个核心参数。内聚力反映岩石颗粒之间的胶结强度，内摩擦角则反映岩石内部颗粒之间的摩擦特性，这两个参数共同决定了岩石的抗剪断强度特性。

从岩石力学特性角度分析，岩石的抗剪断强度受多种因素影响，包括岩石的矿物组成、颗粒结构、孔隙率、含水状态、风化程度以及试样尺寸等。不同类型的岩石表现出差异显著的抗剪断强度特性：坚硬岩石如花岗岩、玄武岩通常具有较高的抗剪断强度，而软质岩石如页岩、泥岩的抗剪断强度相对较低。此外，岩石的各向异性特征也会对测试结果产生重要影响，层状岩石沿层理方向和垂直层理方向的抗剪断强度往往存在明显差异。

随着岩土工程技术的不断发展，岩石抗剪断强度测定方法日趋成熟和规范化。目前，国内外已建立了较为完善的标准体系，对试样制备、试验设备、加载程序、数据处理等各个环节都作出了明确规定，确保测定结果的可靠性、可比性和重复性。标准的统一为工程设计提供了可靠的参数依据，也为科研院所和检测机构的试验工作提供了技术支撑。

检测样品

岩石抗剪断强度测定对样品的质量和规格有严格要求，样品的代表性和规范性直接影响测试结果的准确性和可靠性。检测样品的采集、运输、保存和制备过程需要严格遵循相关标准规范，确保样品的原始状态得到最大程度的保持。

在现场采样阶段，应根据工程地质勘察要求和测试目的，选取具有代表性的岩石露头或钻孔岩芯作为样品来源。采样位置应避开明显的构造破碎带、风化严重区域以及人为扰动区域，确保样品能够真实反映岩体的力学性质。对于大型工程，应按照勘察阶段和工程分区，系统采集不同层位、不同岩性的样品，建立完整的岩石力学参数数据库。

样品制备是岩石抗剪断强度测定的重要环节，试样的几何形状和尺寸精度直接影响应力分布和测试结果。按照标准要求，抗剪断强度测定通常采用立方体或圆柱体试样：

立方体试样：边长一般为50mm或70mm，六个面均需加工平整，相对面平行度误差不大于0.05mm
圆柱体试样：直径一般为50mm，高度与直径比为1:1至2:1，端面平整度和平行度需满足标准要求
试样数量：每组试验通常需要4-6个试样，分别在不同法向应力水平下进行剪切试验
试样状态：可分为天然状态、烘干状态和饱和状态，根据工程实际条件选择相应的试验状态

样品制备完成后，应对试样进行详细描述和编号，记录岩石名称、颜色、矿物成分、结构构造、节理裂隙发育程度等信息。同时，应对试样进行外观检查，剔除存在明显裂纹、缺角或加工缺陷的不合格试样。试样的含水状态控制也十分重要，需根据试验要求进行烘干处理或饱和处理，确保试样状态的一致性。

对于特殊类型的岩石样品，如软弱岩石、膨胀性岩石、易风化岩石等，需要采取特殊的保护措施。软弱岩石在制样过程中容易产生扰动和破坏，应采用低转速、小进给量的加工工艺；膨胀性岩石应控制制样过程中的水分变化；易风化岩石样品采集后应及时密封保存，避免暴露在大气环境中发生风化变质。

检测项目

岩石抗剪断强度测定涉及多项力学参数的测定和分析，通过系统的测试可以获得反映岩石抗剪性能的完整参数体系。这些参数是岩体稳定性分析和工程设计的基础数据，其准确测定对于工程安全具有重要意义。

核心检测项目包括以下几个方面：

抗剪断强度：岩石在法向应力作用下沿预定剪切面发生断裂时的极限剪应力，是表征岩石抵抗剪切破坏能力的基本参数
内聚力：岩石内部颗粒之间相互胶结的强度，反映岩石在没有法向应力作用时抵抗剪切的能力，单位为MPa
内摩擦角：反映岩石内部颗粒之间摩擦特性的角度参数，与法向应力共同决定岩石的抗剪强度，单位为度
法向应力：施加在剪切面上的垂直应力，通过改变法向应力水平可以获得不同应力条件下的抗剪断强度
剪应力：施加在剪切面上的切向应力，在试验过程中逐级加载直至试样发生剪切破坏

除了上述核心参数外，岩石抗剪断强度测定还可以获得一些辅助性参数：

剪胀角：反映岩石在剪切过程中体积膨胀特性的参数，与岩石的剪胀效应密切相关
峰值强度：岩石剪切破坏前能够承受的最大剪应力，是抗剪断强度测定的主要指标之一
残余强度：岩石剪切破坏后继续剪切所能维持的稳定剪应力，反映岩石破碎后的摩擦特性
剪切刚度：剪应力-剪切位移曲线的斜率，反映岩石抵抗剪切变形的能力
法向刚度：法向应力-法向位移曲线的斜率，反映岩石抵抗法向压缩变形的能力

数据分析和参数计算是检测项目的重要组成部分。根据不同法向应力水平下测得的抗剪断强度值，采用最小二乘法或图解法绘制抗剪强度曲线，曲线在纵轴上的截距为内聚力，曲线与横轴的夹角为内摩擦角。同时，应对测试数据进行统计分析，计算参数的平均值、标准差和变异系数，评估数据的离散程度和可靠性。

对于工程应用而言，还需要根据测试结果提供参数的建议值。建议值的确定应综合考虑试验数据的统计分析结果、岩体结构特征、工程类比经验等因素，必要时可采用折减系数法或可靠度分析方法对室内试验参数进行修正，以获得更符合工程实际的抗剪断强度参数。

检测方法

岩石抗剪断强度测定的方法体系经过长期发展已日趋完善，主要包括直剪试验、三轴压缩试验和倾斜试验等多种方法。不同试验方法的原理、适用条件和操作程序各有特点，应根据岩石类型、工程要求和设备条件选择合适的测试方法。

直剪试验法是最常用的岩石抗剪断强度测定方法，其原理是将岩石试样放置在剪切盒中，施加恒定的法向应力，然后逐步施加剪切载荷直至试样沿预定剪切面发生破坏。直剪试验具有操作简便、原理清晰、结果直观等优点，广泛应用于各类岩石的抗剪断强度测定。试验过程中记录法向位移、剪切位移和剪应力的变化，绘制剪应力-剪切位移曲线和剪应力-法向应力关系曲线，进而确定抗剪断强度参数。

直剪试验按照剪切盒的形状可分为方形剪切盒试验和圆形剪切盒试验。方形剪切盒试验适用于立方体试样，圆形剪切盒试验适用于圆柱体试样。按照加载方式的不同，直剪试验又可分为常规直剪试验和伺服控制直剪试验。常规直剪试验采用应力控制或位移控制的加载方式，伺服控制直剪试验则可实现更精确的加载控制和数据采集。

三轴压缩试验法是另一种常用的抗剪断强度测定方法，其原理是通过施加轴向应力和围压，使岩石试样在三维应力状态下发生剪切破坏。通过改变围压水平，可以获得不同应力条件下的莫尔圆，进而绘制莫尔强度包络线，确定内聚力和内摩擦角。三轴压缩试验能够更好地模拟岩体的实际受力状态，适用于各类完整岩石的抗剪断强度测定。

三轴压缩试验根据试验条件可分为不固结不排水试验、固结不排水试验和固结排水试验三种类型。对于岩石材料，通常采用干燥状态下的常规三轴压缩试验。三轴压缩试验的主要优点是可以获得岩石在不同围压条件下的强度和变形特性，试验结果更具代表性。缺点是试验设备复杂、操作要求高、试验周期长。

倾斜试验法是一种简便的岩石抗剪断强度测定方法，适用于测定岩石的不连续面抗剪强度。试验时将岩石试样放置在可调节角度的倾斜台上，逐步增大倾斜角度，当试样沿不连续面发生滑动时记录倾斜角度，根据力学平衡原理计算抗剪强度参数。该方法操作简便，特别适用于测定岩石层面、节理面等不连续面的抗剪强度。

点荷载试验法是一种间接测定岩石抗剪断强度的方法，通过点荷载强度指数推算岩石的单轴抗压强度和抗剪强度参数。该方法设备轻便、操作简单，适用于现场快速测定和岩芯大量测试。但点荷载试验的精度相对较低，一般作为常规试验方法的补充。

试验方法的选择应综合考虑以下因素：

岩石类型和完整程度：完整岩石宜采用三轴压缩试验或直剪试验，含明显不连续面的岩石宜采用倾斜试验或结构面直剪试验
工程要求：重要工程应采用精度高的试验方法，一般工程可采用简便的试验方法
样品条件：试样数量充足时宜采用多种方法对比验证，样品有限时应选择代表性好的试验方法
设备条件：应优先采用经过计量认证的标准设备，确保测试结果的准确性和可追溯性

试验过程中应严格控制试验条件，包括加载速率、温度、湿度等环境因素。按照标准要求，剪切加载速率应根据岩石的变形特性合理选择，避免因加载速率过快或过慢而影响测试结果。试验前应对设备进行校准和调试，确保力传感器、位移传感器的测量精度满足要求。试验过程中应及时记录各项数据，观察试样的变形破坏特征，为后续分析提供依据。

检测仪器

岩石抗剪断强度测定需要使用专业的试验仪器设备，仪器的精度、稳定性和可靠性直接影响测试结果的准确性。随着技术进步，岩石力学试验仪器已从传统的机械式设备发展为集机械、电子、计算机于一体的高精度测试系统。

直剪试验系统是岩石抗剪断强度测定的主要设备，由剪切盒、法向加载系统、剪切加载系统、数据采集系统等部分组成：

剪切盒：用于固定岩石试样，分为上剪切盒和下剪切盒两部分，试样放置在两个剪切盒之间的剪切面上
法向加载系统：用于施加垂直于剪切面的法向应力，通常采用液压加载或机械加载方式，加载能力应满足试验要求
剪切加载系统：用于施加平行于剪切面的剪切载荷，可采用应力控制或位移控制模式，位移控制模式更为常用
数据采集系统：用于实时采集法向力、剪切力、法向位移、剪切位移等数据，通常配备高精度传感器和计算机控制软件

现代直剪试验系统具有以下特点：

伺服控制技术：采用闭环伺服控制系统，可实现精确的位移控制和应力控制，提高试验精度
自动化程度高：试验过程可实现全自动控制，减少人为因素干扰，提高试验效率
数据实时显示：试验过程中可实时显示载荷-位移曲线，便于观察试验进展和判断破坏状态
数据处理功能：配备专业数据处理软件，可自动计算抗剪断强度参数，生成试验报告

三轴压缩试验系统是进行岩石三轴压缩试验的专用设备，由压力室、轴向加载系统、围压控制系统、孔隙水压力测量系统等部分组成：

压力室：用于放置岩石试样，可承受高围压的密封容器，通常采用高强度不锈钢制造
轴向加载系统：用于施加轴向载荷，通常采用刚性加载框架和伺服液压系统
围压控制系统：用于施加和维持围压，通常采用液压或气压系统
孔隙水压力测量系统：用于测量试样内部的孔隙水压力变化

辅助设备也是岩石抗剪断强度测定不可缺少的组成部分：

试样制备设备：包括岩芯钻取机、切割机、磨平机等，用于加工标准试样
测量工具：游标卡尺、电子天平等，用于测量试样尺寸和质量
烘干设备：电热鼓风干燥箱，用于试样烘干处理
饱和设备：真空饱和装置，用于试样饱和处理
恒温恒湿设备：用于控制试验环境条件

仪器的校准和维护是保证测试质量的重要环节。所有试验仪器应定期进行计量校准，建立设备档案，记录校准周期、校准结果和维护情况。校准应委托具有资质的计量机构进行，校准证书应在有效期内使用。日常使用中应注意仪器的清洁、润滑和防锈，发现异常应及时检修或更换部件。

对于新建或改造的试验室，应根据试验工作量和试验类型合理配置仪器设备，确保设备能力覆盖所有测试项目。同时，应建立完善的仪器管理制度，明确操作规程、维护保养要求和故障处理程序，确保仪器设备处于良好的工作状态。

应用领域

岩石抗剪断强度测定成果在岩土工程的众多领域得到广泛应用，为工程设计、施工和安全评估提供关键参数支撑。了解抗剪断强度参数的应用领域，有助于更好地认识测试工作的重要性和必要性。

边坡工程是岩石抗剪断强度参数应用最为广泛的领域之一。无论是天然边坡还是人工边坡，其稳定性主要受边坡岩体的抗剪强度控制。在边坡稳定性分析中，需要根据岩石的抗剪断强度参数计算边坡的安全系数，评估边坡的稳定性状态。对于潜在不稳定边坡，还需要根据抗剪断强度参数设计加固方案，如锚固、挡墙、抗滑桩等。岩石抗剪断强度参数的准确性直接影响边坡稳定性评价的可靠性和加固设计的合理性。

地下工程是另一个重要的应用领域。隧道、地下洞室、矿山巷道等地下工程的围岩稳定性与岩石的抗剪断强度密切相关。在进行地下工程设计时，需要根据岩石的抗剪断强度参数评估围岩的承载能力，确定支护结构的类型和参数。在施工过程中，围岩应力重分布可能导致剪切破坏，抗剪断强度参数是预测和防控围岩失稳的重要依据。此外，岩石抗剪断强度参数还用于地下工程开挖方法选择、爆破参数优化、围岩分类评价等方面。

地基基础工程中，岩石抗剪断强度参数的应用主要包括以下几个方面：

地基承载力计算：岩石地基的承载力与岩石的抗剪强度直接相关，需要根据抗剪断强度参数确定地基的容许承载力
基础稳定性分析：对于高耸结构、大跨度桥梁等工程，基础可能承受较大的水平荷载，需要进行抗滑稳定性分析
桩基设计：嵌岩桩的承载力计算需要岩石的抗剪断强度参数，特别是在桩侧阻力和桩端阻力的确定中
地基处理设计：对于需要加固处理的岩石地基，抗剪断强度参数是设计加固方案的基础数据

水利水电工程中，岩石抗剪断强度参数的应用尤为突出。大坝基础的抗滑稳定性、溢洪道边坡的稳定性、地下厂房围岩的稳定性、隧洞围岩的稳定性等，都需要岩石的抗剪断强度参数作为计算依据。特别是混凝土重力坝沿建基面的抗滑稳定性分析，岩石的抗剪断强度参数是最重要的计算参数之一。水利水电工程的安全等级高，对抗剪断强度参数的准确性要求严格，通常需要进行大量的现场和室内试验。

矿山工程中，岩石抗剪断强度参数应用于露天矿边坡设计、井下巷道支护设计、采场稳定性分析、矿柱尺寸设计等方面。矿山开采过程中，岩体应力的变化可能导致剪切破坏，抗剪断强度参数是预测和控制岩体稳定性的关键参数。此外，岩石抗剪断强度参数还用于矿山开采方法选择、开采顺序优化、采空区处理等方面。

交通工程领域，包括公路、铁路、机场等基础设施建设，岩石抗剪断强度参数的应用主要包括路堑边坡稳定性分析、隧道围岩稳定性评价、桥梁地基承载力计算、路基边坡防护设计等。随着交通建设的快速发展，穿越山岭的隧道工程和高填深挖路基工程越来越多，岩石抗剪断强度参数的需求越来越大。

地质灾害防治领域，岩石抗剪断强度参数是滑坡、崩塌等地质灾害评价和防治的重要依据。在滑坡稳定性分析和治理设计中，滑带土的抗剪强度参数是关键参数。对于危岩体稳定性评价，岩体的抗剪断强度参数是判断危岩体稳定状态的重要依据。