巖石剪切儀是一種用于評估巖石抗剪性能的重要儀器，其通過施加一定的剪切力和正應力在巖石試樣上，模擬巖石在實際地質(zhì)環(huán)境中的受力情況。其核心原理是使巖石試樣在特定的應力狀態(tài)下產(chǎn)生剪切破壞，進而分析巖石抵抗剪切破壞的能力。
一、影響巖石剪切性能的因素
1.巖石的礦物成分
不同礦物成分的巖石具有不同的抗剪性能。例如，花崗巖主要由石英、長石和云母等礦物組成，其中石英硬度較高且具有良好的抗風化能力，使得花崗巖在整體上具有較高的抗剪強度；而頁巖主要由黏土礦物組成，其結(jié)構(gòu)相對疏松，抗剪強度較低。
2.巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造
巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造包括顆粒大小、形狀、排列方式以及膠結(jié)物的類型和含量等。顆粒粗大的巖石，其顆粒間的摩擦阻力相對較大，抗剪性能較好；而顆粒細小且膠結(jié)物含量較高的巖石，如泥質(zhì)粉砂巖，由于膠結(jié)物的存在可能會降低顆粒間的摩擦力，從而影響其抗剪性能。此外，巖石中的裂隙、節(jié)理等不連續(xù)面也會顯著降低巖石的抗剪強度，因為這些不連續(xù)面會成為應力集中的部位，在剪切力的作用下容易發(fā)生破壞。
3.試驗條件
溫度、濕度和加載速率等試驗條件對巖石的抗剪性能有重要影響。一般來說，溫度升高會導致巖石的強度降低，因為高溫會使巖石內(nèi)部的礦物顆粒膨脹，產(chǎn)生熱應力，從而削弱顆粒間的連接；濕度的增加也可能會降低巖石的抗剪強度，尤其是對于含有可溶性礦物或易吸水膨脹礦物的巖石，水分的侵入會改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)；加載速率方面，快速加載可能會使巖石表現(xiàn)出較高的強度，因為在短期內(nèi)巖石內(nèi)部的微裂紋來不及擴展和貫通，而緩慢加載則更接近實際地質(zhì)環(huán)境中的長期應力作用，能更準確地反映巖石在自然狀態(tài)下的抗剪性能。
1.抗剪強度
抗剪強度是衡量巖石抗剪性能的最直接指標，通常用符號表示。它是指在特定應力條件下，巖石抵抗剪切破壞的最大剪應力。根據(jù)庫侖定律，巖石的抗剪強度與作用于巖石面上的正應力之間存在線性關(guān)系，即=+c，其中為內(nèi)摩擦角，反映了巖石顆粒間摩擦力的大小；為黏聚力，代表了巖石內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)強度。不同類型的巖石具有不同的和值，這兩個參數(shù)可以通過巖石剪切試驗確定。
2.殘余強度
當巖石在剪切過程中發(fā)生破壞后，其抗剪強度會逐漸降低并趨于一個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定值就是巖石的殘余強度。殘余強度反映了巖石在破壞后的殘余承載能力，對于研究巖石在長期剪切作用下的穩(wěn)定性具有重要意義。例如，在滑坡等地質(zhì)災害中，了解巖石的殘余強度可以幫助評估滑坡體的最終穩(wěn)定性以及可能的滑動距離。
3.彈性模量和泊松比
彈性模量是衡量巖石在彈性階段抵抗變形能力的物理量，它反映了巖石在受到外力作用時抵抗彈性變形的能力。泊松比則是描述巖石在軸向受力時橫向變形與縱向變形之間關(guān)系的參數(shù)。這兩個參數(shù)雖然不直接反映巖石的抗剪強度，但它們可以提供關(guān)于巖石變形特性的重要信息，對于全面評估巖石的抗剪性能以及在數(shù)值模擬等研究中具有重要意義。例如，在有限元分析中，準確的彈性模量和泊松比是建立合理的巖石力學模型的基礎(chǔ)。
