王 斌，劉志強(qiáng)

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

炭質(zhì)板巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)比分析

王 斌，劉志強(qiáng)

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

點(diǎn)荷載試驗(yàn)是測(cè)試巖石強(qiáng)度值的一種試驗(yàn)，該方法具有簡便、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但對(duì)軟弱圍巖而言，根據(jù)規(guī)范通過點(diǎn)荷載值計(jì)算的巖石單軸抗壓強(qiáng)度值偏大。針對(duì)炭質(zhì)板巖為主的軟巖進(jìn)行點(diǎn)荷載和單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，通過回歸分析得出兩者的修正關(guān)系式，從而更為準(zhǔn)確地表達(dá)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值。

點(diǎn)荷載；單軸抗壓強(qiáng)度；軟巖

在新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道中，遇到以二疊系板巖、炭質(zhì)板巖為主的軟弱圍巖，加上高地應(yīng)力的環(huán)境，在隧道修建過程中經(jīng)常發(fā)生大變形，最大變形值達(dá)到1m多，被鐵道部列為極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，因而對(duì)隧道大變形的預(yù)測(cè)顯得十分重要。由于巖石屬于軟弱圍巖，且節(jié)理發(fā)育，因而要取得巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)樣本比較困難。為此，筆者采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)來代替單軸抗壓試驗(yàn)，通過公式換算間接取得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值。由于目前《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)采用的公式是綜合各種巖性的強(qiáng)度指標(biāo)后擬合而得到的，對(duì)于軟巖其計(jì)算值往往偏大[1]，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖石取樣，同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)荷載和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以此確定兩者之間的關(guān)系[2]，從而為后續(xù)研究提供依據(jù)。

1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

點(diǎn)荷載采用SD-1型數(shù)碼點(diǎn)荷載儀，該點(diǎn)荷載儀可以顯示巖石破壞時(shí)的壓力值，量程為30MPa。在剛開挖的隧道掌子面采集6組試件(同時(shí)另外采集3組制作單軸抗壓試驗(yàn)試驗(yàn)樣品)，木寨嶺隧道以炭質(zhì)板巖和板巖為主，巖體破碎，不利于試件的加工，通常選用不規(guī)則的試樣，盡可能保證采集的巖塊呈近似長方體狀，保證長(L)、寬(W)、高(h)之間滿足L≥W≥h，試件高度(h)一般控制在0.5～10cm，試件加荷點(diǎn)附近的巖面平整。試驗(yàn)加載時(shí)垂直結(jié)構(gòu)面進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，將測(cè)得的6組數(shù)據(jù)中的最高值和最低值去掉，取剩下4組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該組巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

按下式計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)巖石試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度：

(1)

式中，Is為試件點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時(shí)總荷載，kN；De為等效巖芯直徑，即與破壞面面積相等的圓的直徑，mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)定，由Is值得到直徑為50mm 標(biāo)準(zhǔn)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值Is(50)：

(2)

式中，F(xiàn)為尺寸修正系數(shù)；m為由同類巖石的經(jīng)驗(yàn)值確定，一般可取0.45。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]計(jì)算巖石強(qiáng)度RIs：

(3)

2 單軸抗壓試驗(yàn)

在與點(diǎn)荷載試驗(yàn)樣本同一地點(diǎn)采集巖石樣本，加工成50mm×50mm×50mm立方體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)采用SYE-2000壓力試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)記錄巖石破壞時(shí)最大壓力值。

圖1 點(diǎn)荷載強(qiáng)度對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)開挖時(shí)巖石表面均較濕潤，根據(jù)點(diǎn)荷載浸水試驗(yàn)結(jié)果(見圖1)，巖石在飽和含水時(shí)其點(diǎn)荷載強(qiáng)度急劇降低，下降幅度通常在50%左右，最大可達(dá)80%以上，巖石樣本在浸水后也容易出現(xiàn)離析和崩解，因而測(cè)得飽和抗壓強(qiáng)度值比較困難，故試驗(yàn)采用天然含水狀態(tài)下的巖石試件進(jìn)行試驗(yàn)，所取得的強(qiáng)度值也是代表自然含水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度值。

每組試驗(yàn)取3組試件，舍去結(jié)果中偏差較大值后的平均值作為該組巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值。巖石的抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(4)

表1 點(diǎn)荷載強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度值

式中，R為巖石的抗壓強(qiáng)度,MPa；P為試件破壞時(shí)的荷載,N；A為試件的截面積,mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)，得到有效數(shù)據(jù)17組，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，通過點(diǎn)荷載值計(jì)算得到的RIs值均偏大，兩者比值(RIs/R)范圍在1.5～2.5之間，說明規(guī)范通用的計(jì)算公式并不能很好地反映軟巖的真實(shí)抗壓強(qiáng)度，因此必須對(duì)其進(jìn)行修正。進(jìn)一步分析表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，無論單軸抗壓強(qiáng)度R與點(diǎn)荷載值比值R/Is(50)或者比值RIs/R的范圍均比較集中，具有較好的線性相關(guān)性，因而根據(jù)該趨勢(shì)分別作散點(diǎn)圖(見圖2和圖3)。

對(duì)圖2進(jìn)行回歸分析得到如下方程：

RIs=0.6231RIs-2.7327

(5)

對(duì)圖3進(jìn)行回歸分析得到如下方程：

RIs=8.7854Is(50)+3.3033

(6)

圖2 R-RIs散點(diǎn)圖 圖3 R-Is(50)散點(diǎn)圖

對(duì)式(6)和式(7)采用散點(diǎn)數(shù)據(jù)與方程式計(jì)算值之間的相關(guān)系數(shù)來描述其相關(guān)性，計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)分別為0.8913和0.8919。因?yàn)槭?6)和式(7)均是利用點(diǎn)荷載測(cè)試值來計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度，所以上述公式擬合結(jié)果差別不大，且較采用文獻(xiàn)[4]中的公式得到的結(jié)果更接近實(shí)際值。

4 結(jié) 語

通過木寨嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中采用的巖石點(diǎn)荷載與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式對(duì)于炭質(zhì)板巖這一類軟巖并不適用，為此對(duì)巖石取樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)與單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)。研究表明，采用規(guī)范公式通過巖石點(diǎn)荷載值計(jì)算得到的巖石單軸抗壓強(qiáng)度偏大(RIs/R比值范圍在1.5～2.5之間)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到炭質(zhì)板巖的回歸公式，利用該公式能較好地估算其單軸抗壓強(qiáng)度值。

[1]張顯良,黃奇文,陳彥群,等.利用點(diǎn)荷載儀測(cè)試軟巖力學(xué)性質(zhì)的研究[J].露天采礦技術(shù),2005(2):26-28.

[2]胡慶華.巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系[J].水利水電技術(shù),1997,28(10):24-26.

[3]GB50218-94,工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]JTGE41-2005,公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S].

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.11.050

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16731409(2012)11N15302