邵 勇，閻長虹，馬慶華

(1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇連云港 222006;2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210093)

1 研究進展

在評價巖體穩(wěn)定性時，通常需要以力學(xué)試驗為基礎(chǔ)，目前巖石現(xiàn)場試驗中大型剪切試驗、點荷載試驗、回彈試驗，加上室內(nèi)的單軸抗壓強度試驗都比較常用［1－4］，而現(xiàn)場大型剪切試驗比較難操作，在一般的巖體工程中應(yīng)用較少，點荷載試驗、回彈試驗、單軸抗壓試驗比較常見。

張宇等［5］對武當(dāng)山群片巖進行了點荷載試驗，對不同風(fēng)化程度的巖石點荷載強度值進行了分類統(tǒng)計，以及建立了點荷載強度值與單軸抗壓強度值的相關(guān)關(guān)系。王浩等［6］采用概率分析法對巖石抗壓強度試驗進行了分析，有效地避免了試樣尺寸、含水率、試驗儀器造成的測試誤差。曾傳雄等［7］設(shè)計了2種點荷載試驗方法，并與室內(nèi)單軸抗壓試驗進行了對比研究，評價了2種方法的優(yōu)劣。劉云思等［8］對不同節(jié)理角度的巖石進行了單軸抗壓試驗，得出了節(jié)理角度與抗壓強度的關(guān)系。袁秋霜等［9］研究了超聲－回彈綜合法測試巖石強度，并用回歸分析法等對巖石強度進行了預(yù)測，證明超聲－回彈綜合法能夠準(zhǔn)確地反映巖石的強度特征。

上述研究為巖石強度的測試提供了重要的參考，本文的研究重點為巖石點荷載強度(PLS)、單軸抗壓強度(UCS)及回彈強度(RS)的相關(guān)關(guān)系，并以蘇州大陽山隧道工程為例，選取現(xiàn)場不同性質(zhì)的巖石進行了3種強度的測試，分析這3種強度的相關(guān)關(guān)系，為巖石強度的測試提供方法借鑒。

2 試驗基礎(chǔ)

本文分析3種強度的相關(guān)關(guān)系主要是為了得到巖石的單軸抗壓強度，因為在巖體質(zhì)量評價中，巖石的單軸抗壓強度是一個非常重要的數(shù)據(jù)，如利用Hoek-Brown法計算巖體力學(xué)參數(shù)時巖石單軸抗壓強度是必不可少的數(shù)據(jù)［10－11］。通過建立點荷載強度、回彈強度與單軸抗壓強度的關(guān)系，可以減少巖石單軸抗壓強度的試驗數(shù)量，通過點荷載強度或者回彈強度來預(yù)測單軸抗壓強度。對于點荷載強度，一般通過規(guī)范公式轉(zhuǎn)化為巖石單軸抗壓強度，目前規(guī)范［12］中推薦的單軸抗壓強度與點荷載強度的關(guān)系公式為

式中:σic為巖塊單軸飽和抗壓強度(MPa);IS(50)為直徑50 mm標(biāo)準(zhǔn)試件的點荷載強度指標(biāo)(MPa)。

另外根據(jù)戴洪軍等［13］的研究，單軸抗壓強度與點荷載強度存在一定的線性關(guān)系，可表示為

式中K為強度轉(zhuǎn)化系數(shù)。

但是對不同的巖性這一公式不一定適用，因此針對不同巖性要分別進行試驗，然后對這一公式進行修正。本文還使用回彈測試儀測試巖塊的強度，并建立了與點荷載強度、單軸抗壓強度的關(guān)系，為巖塊強度的測試提供一種方便快捷的途徑。

擬建的蘇州大陽山隧道工程場區(qū)主要分布有凝灰?guī)r、石英砂巖、次英安斑巖、石英閃長玢巖。為此從擬建隧道場地的中風(fēng)化巖層中取得具有代表性的試驗樣品，對這4種巖性的巖塊進行室內(nèi)巖塊單軸抗壓強度試驗、點荷載強度試驗、回彈強度試驗，給出巖塊的強度值，通過統(tǒng)計分析給出不同試驗方法所得的巖石強度之間的關(guān)系。同時運用式(1)、式(2)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果顯示，不同巖性的單軸抗壓強度、點荷載強度之間關(guān)系有所區(qū)別，有必要對這些關(guān)系公式進行修正，以便適應(yīng)于不同的工程地質(zhì)條件。

3 測試結(jié)果分析

為了作圖的簡捷性，將圖中出現(xiàn)的幾種強度名稱采用簡稱，UCS為單軸抗壓強度，PLS點荷載抗壓強度，RS為回彈強度。

3.1 點荷載強度與單軸抗壓強度的關(guān)系

圖1(a)為凝灰?guī)r試驗結(jié)果，用冪函數(shù)擬合點荷載強度與單軸抗壓強度的關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.902 2，用線性擬合兩者的關(guān)系，R2為0.857 7，其中強度轉(zhuǎn)化系數(shù)K為17.268，可以看出，用冪函數(shù)擬合時精度更高。

圖1(b)為石英砂巖的試驗結(jié)果，分別為冪函數(shù)和線性擬合結(jié)果，冪函數(shù)擬合R2為0.850 6，線性擬合R2為0.838 9，線性擬合精度略高，其中強度轉(zhuǎn)化系數(shù) K為20.092。

圖1(c)為次英安斑巖的試驗及擬合結(jié)果，冪函數(shù)擬合 R2為0.858 3，線性擬合 R2為0.793 8，擬合精度較低，其中強度轉(zhuǎn)化系數(shù)K為22.911。

圖1(d)為石英閃長玢巖的試驗及擬合結(jié)果，冪函數(shù)擬合 R2為0.829 3，線性擬合 R2為0.791 8，擬合精度較低，其中強度轉(zhuǎn)化系數(shù)K為23.638。

從這4種巖性的試驗及擬合結(jié)果來看，用冪函數(shù)擬合試驗數(shù)據(jù)要比線性擬合精度高，說明用冪函數(shù)形式來描述點荷載強度與單軸抗壓強度的關(guān)系更為合適。

3.2 單軸抗壓強度與回彈強度的關(guān)系

在分析巖塊單軸抗壓強度與回彈強度之間的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)用指數(shù)函數(shù)來擬合兩者關(guān)系較佳，如圖7所示，對凝灰?guī)r試驗結(jié)果進行擬合，相關(guān)性系數(shù)為0.909 9，用線性關(guān)系擬合時得到的相關(guān)性系數(shù)為0.716 2。根據(jù)式(2)建立單軸抗壓強度與回彈強度的關(guān)系式為:σic=KRe。式中Re為巖塊回彈強度，通過圖2(a)中的關(guān)系可以得到強度轉(zhuǎn)化系數(shù)K為2.314 4。

圖2(b)為石英砂巖的擬合結(jié)果，指數(shù)函數(shù)擬合R2為0.858 5，線性擬合 R2為0.799 9，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)為2.305 6。

圖2(c)為次英安斑巖的擬合結(jié)果，指數(shù)函數(shù)擬合 R2為0.884 7，線性擬合 R2為0.847 4，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)為2.368 1。

圖2(d)為石英閃長玢巖的擬合結(jié)果，指數(shù)函數(shù)擬合 R2為0.829 3，線性擬合 R2為0.833 4，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)為2.177 3，較之前的巖性，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)略有降低。

從單軸抗壓強度與回彈強度的試驗結(jié)果來看，用指數(shù)函數(shù)擬合凝灰?guī)r、石英砂巖及次英安斑巖精度較高，用線性函數(shù)擬合石英閃長玢巖精度較高。其中4種巖性的強度轉(zhuǎn)化系數(shù)相當(dāng)均位于2.3附近。

圖1 點荷載強度與單軸抗壓強度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between point load strength and uniaxial compressive strength

3.3 點荷載強度與回彈強度的關(guān)系

圖3(a)為凝灰?guī)r的擬合結(jié)果，其中指數(shù)函數(shù)擬合R2為0.916 2，相關(guān)性較高，線性擬合 R2為0.637 8，相關(guān)性較低。同樣根據(jù)式(2)建立點荷載強度與回彈強度的關(guān)系式為:IS(50)=KRe，Re為巖塊回彈強度。通過圖3(a)中的關(guān)系可以得到強度轉(zhuǎn)化系數(shù)K為0.131。

圖3(b)為石英砂巖的擬合結(jié)果，其中指數(shù)函數(shù)擬合 R2為0.864 9，線性擬合 R2為0.827 9，相關(guān)性均較好，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.114 3。

圖3(c)為次英安斑巖的擬合結(jié)果，其中指數(shù)函數(shù)擬合 R2為0.860 3，線性擬合 R2為0.783 2，相關(guān)性均較好，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.100 8。

圖3(d)為石英閃長玢巖的擬合結(jié)果，其中指數(shù)函數(shù)擬合 R2為0.810 2，線性擬合 R2為0.840 3，相關(guān)性均較好，強度轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.090 7。

以上分析均是分為4種巖性來討論，在工程應(yīng)用中可以根據(jù)不同巖性的擬合公式來計算選取相應(yīng)的巖塊強度。這樣就得到了大陽山地區(qū)的巖塊3種強度之間的關(guān)系式，其中冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關(guān)系式可用作要求精度高的換算，線性關(guān)系可用作要求精度略低的換算，也可作為巖塊強度的初步估計。在進行大陽山巖塊單軸抗壓強度的測試時，可以用點荷載儀或者回彈儀來代替。若在其他工程中進行應(yīng)用，可以只進行少量的單軸抗壓強度試驗，對本文中提出的關(guān)系公式進行調(diào)整即可，這樣就節(jié)省了大量的工作量。

圖2 單軸抗壓強度與回彈強度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between uniaxial compressive strength and rebound strength

圖3 點荷載強度與回彈強度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between rebound strength and point load strength

4 結(jié)論

通過對大陽山4種巖性3種強度的測試，分析了3種強度的相關(guān)關(guān)系，本文可以得到如下幾點認識:

(1)在描述點荷載強度與單軸抗壓強度的關(guān)系用冪函數(shù)來擬合更為準(zhǔn)確。而且隨著巖石單軸抗壓強度的提高，擬合精度越高。

(2)在分析回彈強度與單軸抗壓強度時發(fā)現(xiàn)隨著巖石強度的提高，擬合相關(guān)性越高，而且用指數(shù)函數(shù)來描述兩者的關(guān)系更為合適。

(3)巖石回彈強度與點荷載強度的關(guān)系同樣用指數(shù)函數(shù)來擬合精度更高。當(dāng)用線性擬合兩者關(guān)系時發(fā)現(xiàn)巖石回彈強度約為點荷載強度的10倍。

(4)在分析3種強度相關(guān)關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，由于點荷載強度、回彈強度受到巖石風(fēng)化程度等因素的影響，測試結(jié)果離散性較大，從而影響了擬合精度，因此在現(xiàn)場試驗時應(yīng)注意試驗的數(shù)量，確保數(shù)據(jù)的精確性。另外，由于巖塊強度較低時所測數(shù)據(jù)離散性大，統(tǒng)計結(jié)果準(zhǔn)確性低，因此文中擬合所得的公式不適用于軟巖及極軟巖。

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