張 宇，干 泉，余 飛，陳善雄

（1. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2. 中機三勘巖土工程有限公司，武漢 430030）

1 引 言

點荷載試驗具有現(xiàn)場操作簡單、取樣要求不高和試驗周期短等特點，在巖土工程中得到越來越多的應用[1]，對于在試驗室難以制樣測試強度的全～強風化巖石有著重要的意義。巖石強度是反映巖石力學和材料性質(zhì)的重要指標，雖然許多學者針對不同巖石進行過大量的點荷載試驗研究，但沒有關于含有大量云母、石英、鈉長石等多種礦物質(zhì)呈片狀構(gòu)造和變晶結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙極度發(fā)育的武當群片巖（絹云鈉長石英片巖）的研究，因此，確立劃分該種片巖風化程度的標準值以及關于其強度方面的研究非常有必要。

本次利用點荷載試驗的方法，確定（Pt2wd）片巖風化分組Is取值區(qū)間，討論片巖沿不同方向的強度差異特性，結(jié)合現(xiàn)場點荷載試驗和室內(nèi)單軸抗壓強度試驗的測試結(jié)果，給出適合鄂西北地區(qū)武當群片巖的點荷載強度與單軸抗壓強度的經(jīng)驗關系式。

2 試驗原理及方案

2.1 工程背景

湖北省西北部昆侖秦嶺地層區(qū)之武當山小區(qū)，構(gòu)造上歸屬南秦嶺印支造山帶東南段，廣泛分布全風化、強風化、中等風化的中元古界地層武當（巖）群（Pt2Wd），擬建的十堰至白河高速公路穿過該地區(qū)。本次試驗以絹云鈉長石英片巖為對象，該片巖的片理產(chǎn)狀 310°∠70°，節(jié)理裂隙極度發(fā)育，含有大量云母、石英、鈉長石等多種礦物質(zhì)，呈片狀構(gòu)造和變晶結(jié)構(gòu)。

2.2 點荷載現(xiàn)場試驗

2.2.1 Pt2wd片巖風化分組試驗

根據(jù)鄂西北地區(qū)武當群地質(zhì)勘查資料，按照片巖的不同風化程度特征在該地區(qū)不同的山嶺邊坡大量取樣，由于全風化巖石結(jié)構(gòu)嚴重破壞，所以精心挑選代表性好的強風化80枚和中等風化60枚片巖。將試樣表面打磨平整，制成的試件為不規(guī)則形狀，要求試樣長度不超過 100 mm，高度和寬度均不超過50 mm，且保證長≥寬≥高[2]。將試樣置于上下兩個球端圓臺狀加荷器之間，施加垂直荷載使試件破壞，即可求得試件的點荷載強度[3]。依據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》[4]點荷載試驗方法，利用卡尺或儀器立柱上的標尺，量得兩壓頭間距離為D和通過壓頭接觸點平面的最小橫截面積 A，求出等價直徑De，破壞荷載為P。點荷載強度指數(shù)為

2.2.2 Pt2wd片巖各向異性試驗

取層理較清晰的中等風化片巖各 20枚，沿垂直于層面方向和平行于層面方向進行點荷載試驗，討論Pt2wd片巖的沿不同方向的強度差異性。利用試驗中測得的平行于巖層和垂直于巖層的點荷載強度，計算出（Pt2Wd）片巖的各向異性指數(shù)Ia：

式中：IS(50)為垂直于巖石層面的巖石點荷載強度指數(shù)平均值（MPa）；為平行于巖石層面的巖石點荷載強度指數(shù)平均值（MPa）。

2.3 室內(nèi)單軸抗壓強度試驗

選取強度較高、結(jié)構(gòu)較完整且易制成標準圓柱樣（50 mm×100 mm）的中等風化的絹云鈉長石英片巖（21組），進行室內(nèi)標準的單軸抗壓強度測試，并利用點荷載試驗的方法測，試該批巖樣垂直于巖層方向的點荷載強度指數(shù)。

3 點荷載試驗結(jié)果及分析

點荷載測試有眾多的優(yōu)點，不僅能在現(xiàn)場簡易快速測試巖石強度，還能對常規(guī)試驗不易測試的軟巖與嚴重風化巖石的強度進行測定，也是一種確定巖石風化分帶的方法。但是，這種方法存在試件狀況，計算公式，數(shù)據(jù)的取舍，數(shù)值的可信度以及操作計算等問題，與室內(nèi)標準試驗得的結(jié)果相比，還有待進行研究和探討[5]。下面對 Pt2wd片巖風化分組和各向異性的試驗結(jié)果進行分析。

3.1 Pt2wd片巖點荷載強度分布規(guī)律

根據(jù)章節(jié)2.2.1中關于強風化（80枚）和中等風化（60枚）Pt2wd片巖沿垂直于巖層方向的點荷載試驗結(jié)果，并結(jié)合式（1），計算出兩種風化片巖的 IS值，再將各自得到的大量 IS值做概率分布統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示。圖中，樣本頻率為某一段總荷載強度值范圍內(nèi)該種風化巖樣所占個數(shù)。由圖可以發(fā)現(xiàn)，強風化（80枚）和中等風化（60枚）片巖的點荷載強度值服從正態(tài)分布：強風化片巖IS值區(qū)域為[0.015，1.012]，均值為0.20 MPa，方差為0.19，點荷載強度值置信區(qū)間為[0.1，0.39]，置信度為0.85。中等風化片巖IS值區(qū)域為[0.097，8.710]，均值為 1.51 MPa，方差為 1.33，置信區(qū)間為[0.18，2.85]，置信度為0.90。兩種風化類型的片巖，數(shù)據(jù)的離散性很小，大部分片巖的強度值都集中在均值附近且置信度較高。

圖1 風化巖IS值分布規(guī)律圖Fig.1 Weathered rock Is distribution charts

3.2 Pt2wd片巖風化分組

針對不同地區(qū)不同的巖石種類，國內(nèi)外也有部分學者利用過點荷載的方法來確定巖體的風化分帶，并且在《工程巖體分級標準》[6]中也有提到可以利用點荷載試驗確定巖體風化類型，因此，點荷載強度劃分巖石風化程度的方法是值得肯定的。下面列出國內(nèi)外部分學者利用點荷載強度劃分巖石風化類型的IS值作為參考，見表1[7]。

表1 點荷載強度指標劃分巖體風化帶的界限值表Table1 Point load strength index of rock mass weathering zone of divided threshold table

根據(jù)章節(jié)3.1中關于強風化和中等風化（Pt2Wd）片巖點荷載強度分布規(guī)律情況，結(jié)合鄂西北地區(qū)武當群地質(zhì)勘察情況，可以準確地確定出鄂西北地區(qū)武當群（Pt2Wd）片巖風化分組，見表2。

表2 絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）風化分組表Table2 Weathering grouping of sericite(muscovite)-albite-quartz schist (Pt2Wd)

表2中，關于利用點荷載強度IS值的范圍確定巖石風化類型的情況，是基于武當山巖群絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）點荷載試驗結(jié)果。由表1可見，國內(nèi)外學者基本也是采用點荷載強度IS值作為巖體風化分帶的方法。對比表1和表2可知，表2中確定的關于絹云鈉長石英片巖的全風化帶的界限值與表1的統(tǒng)計結(jié)果相差不大，強風化和中等風化帶的IS界限值比表1相同風化類型要低，接近閃云斜長花崗巖和結(jié)晶片巖的界限值。表1、2反映出不同地區(qū)不同類型風化巖石，根據(jù)點荷載強度進行風化分組的差異性比較大。表2中給出的是關于結(jié)構(gòu)物質(zhì)組成復雜，節(jié)理裂隙極度發(fā)育，變晶結(jié)構(gòu)的特殊片巖的具體研究結(jié)果。

3.3 片巖的各項異性指數(shù)分析

由表2可見，該地區(qū)片巖風化嚴重，片巖層狀紋理極度發(fā)育，呈片狀構(gòu)造和變晶結(jié)構(gòu)，點荷載強度值較低。為了研究該種片巖沿不同方向點荷載強度的差異性，根據(jù)章節(jié) 2.2.2中的實驗方案進行各向異性的點荷載試驗，結(jié)果見表 3。由表可見，沿兩個方向得到的 IS(50)差異性非常大，通過橫向比較，兩者的數(shù)量級相差102～104。垂直于層面方向加載20組片巖的IS(50)平均值為1.224 MPa，平行于層面方向IS(50)平均值為0.0007。最后，根據(jù)式（2）可以得到武當山巖群絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）的各項異性指數(shù)Ia=1.7×103，Ia非常大，說明該片巖沿不同方向的強度差異性非常大。這是由于沿層面方向的風化非常嚴重，裂隙高度發(fā)育，導致弱面強度非常低，而沿層理面方向的強度主要來源于片理層之間的膠結(jié)強度，這并不能反映該種片巖本身力學特性。綜上說明，武當群片巖的強度特征描述應該以垂直于層面方向的強度為主，試驗得到的Ia值進一步反映該片巖沿不同方向強度差異性和節(jié)理裂隙極度發(fā)育的特征，也為認識武當群片巖的力學性質(zhì)提供一定的數(shù)據(jù)基礎。

表3 沿片巖層面不同方向加載的點荷載強度值對比Table3 Schist point load strength comparison of different direction loads

4 片巖點荷載強度指數(shù)與單軸抗壓強度的關系

對于利用點荷載試驗成果預估單軸抗壓強度的研究，國內(nèi)外許多專家和學者做了大量的工作，由于點荷載強度指數(shù)受試驗的環(huán)境、巖石的類型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、含水狀態(tài)、試驗尺寸的影響都很大，許多專家研究的角度不同，得出的結(jié)果也不同。例如，國外的布勞奇和富蘭克林對 15種巖石進行對比試驗的結(jié)果為：單軸抗壓強度為點荷載強度指數(shù)的23.7倍，對不同類型的巖石或各向異性巖石，其比值可變化在巧 15～50之間，顯然不同的巖石其比值變化范圍是很大的[8]。我國《工程巖體分級標準》中規(guī)定：Rc=22.82 （IS(50)）0.75。

根據(jù)章節(jié) 2.3中關于利用容易制樣的中等風化的絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）進行室內(nèi)標準的單軸抗壓強度測試，擬合出21組試驗得到的點荷載強度IS與其單軸抗壓強度Rc的關系，如圖2所示。將圖2中21組絹云鈉長石英片巖的點荷載強度IS（0.519～1.881 MPa）和單軸抗壓強度Rc（9.96～35.48 MPa）進行統(tǒng)計和計算，得到兩者關系為Rc=21.56IS，利用回歸分析得到相關關系系數(shù)R2= 0.88，得到的該擬合公式與國家規(guī)范中規(guī)定 Rc=22.82（IS(50)）0.75相比，更加簡潔，且更適用于實際的武當山區(qū)絹云鈉長石英片巖點荷載與抗壓強度之間的關系。

圖2 絹（白）云鈉長石英片巖點荷載強度與單軸抗壓強度的關系Fig.2 Relationship between point load strength and uniaxial compressive strength of sericite(muscovite)-albite-quartz schist

5 結(jié) 論

（1）鄂西北地區(qū)武當群（Pt2Wd）片巖的點荷載強度值（垂直巖層）離散性很小，且服從正態(tài)分布：強風化片巖 IS值區(qū)域方差為 0.19，置信度為0.85；中等風化片巖IS值區(qū)域方差為1.33，置信度為 0.90。全風化片巖的點荷載強度值區(qū)間：小于0.1 MPa；強風化的點荷載值區(qū)間為0.1～0.4 MPa，中等風化的點荷載值區(qū)間為0.5～3.0 MPa。

（2）武當山巖群絹云鈉長石英片巖（Pt2Wd）的強度特征以垂直于層面的強度為主，該種節(jié)理裂隙極度發(fā)育的片巖的各向異性指數(shù)Ia=1.7×103。

（3）通過對點荷載強度值與室內(nèi)標準的單軸抗壓強度值進行數(shù)據(jù)分析，給出一個更適用于武當山區(qū)的絹云鈉長石英片巖點荷載強度與單軸抗壓強度之間的關系式為Rc= 21.56IS。

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