王 飛

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海?200434）

巖石單軸抗壓強(qiáng)度是巖石最基本、最重要的力學(xué)指標(biāo)之一，是設(shè)計(jì)允許地基承載力、巖體分類(lèi)的重要參數(shù)，精準(zhǔn)測(cè)試并獲取該指標(biāo)是水電工程中一項(xiàng)重要工作[5]，在水電工程規(guī)劃或預(yù)可研階段，鉆孔取芯獲得的子樣數(shù)一般沒(méi)有或者偏少，特別是取芯為破碎、強(qiáng)度低及易風(fēng)化的巖樣時(shí)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)由于簡(jiǎn)單便捷，可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)操作，可作為巖石強(qiáng)度分類(lèi)的指標(biāo)試驗(yàn)，往往得到廣泛應(yīng)用[1]。

巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)最早出現(xiàn)為國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)在1972年頒布的《測(cè)定點(diǎn)荷載強(qiáng)度的建議方法》（Suggested Method For Determining Point Load Strength），后在1985年進(jìn)行修訂。我國(guó)采用的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T 50266-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50218-2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，前者規(guī)定了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)方法，后者規(guī)定了點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is（50）與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的換算公式。

1 點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)方法和要點(diǎn)

1.1 巖石試件選取 [2]

遵循我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，試件既可采用鉆孔取芯，亦可為從巖石露頭、勘探坑槽、平洞等采取的不規(guī)則巖塊。鉆孔取芯一般進(jìn)行徑向和軸向試驗(yàn)。進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸要求如下。

鉆孔取芯試件進(jìn)行徑向試驗(yàn)時(shí)，長(zhǎng)徑比應(yīng)大于1.0；進(jìn)行軸向試驗(yàn)時(shí)，長(zhǎng)徑比宜為0.3～1.0。方塊或不規(guī)則塊體試件尺寸宜為50±35 mm，兩加載點(diǎn)間距與加載處平均寬度之比宜為 0.3～1.0。

試件含水狀態(tài)可選擇天然含水、烘干或飽和狀態(tài)均可。

1.2 巖石試件加載方向 [3]

加載方向應(yīng)注意與層理、片理、節(jié)理的關(guān)系，在《測(cè)定點(diǎn)荷載強(qiáng)度的建議方法》1985修訂版中對(duì)其各類(lèi)型試驗(yàn)試件尺寸和加載方向進(jìn)行了列圖示意，如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)計(jì)算 [2]

（1）未經(jīng)修正的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)按式（1）計(jì)算：

式（1）中：Is為未經(jīng)修正的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)（MPa）；P為破壞荷載（N）；De為等價(jià)巖芯直徑（mm）。

其中巖芯徑向、軸向試驗(yàn)及方塊、不規(guī)則塊體試驗(yàn)中等價(jià)巖芯直徑De計(jì)算公式如下：

圖1 ??各類(lèi)型試驗(yàn)試件尺寸及加載方向示意圖

式（4）中：D為加載點(diǎn)間距（mm）；D'為上下錐端發(fā)生貫入時(shí)，試件破壞瞬間加載點(diǎn)間距（mm）；W為通過(guò)兩加載點(diǎn)最小截面的寬度或平均寬度（mm）。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式如下：

式（5）中：Is（50）為等價(jià)巖芯直徑為50 mm的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)（MPa）；P50為De2為2500 mm時(shí)的P值（N）。

（2）當(dāng)巖芯無(wú)法通過(guò)合適取樣進(jìn)行室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，可采用實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is（50）的換算值，可按式（6）換算[4]：

式（6）中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；其中，各種含水狀態(tài)的試件均可進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，故借鑒式（6）均可換算巖石的天然單軸、干單軸抗壓強(qiáng)度。

（3）點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，當(dāng)一組有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)小于10個(gè)時(shí)，應(yīng)舍去最高值和最低值，再統(tǒng)計(jì)計(jì)算剩余數(shù)據(jù)平均值；當(dāng)一組有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)大于10個(gè)時(shí)，應(yīng)各舍去2個(gè)最高值和最低值，再計(jì)算剩余數(shù)據(jù)平均值[2]。

2 工程實(shí)例

本文選取巴基斯坦某水電站可研階段壩址區(qū)取樣較為困難的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及部分粉砂巖進(jìn)行了大量點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室對(duì)所取巖芯進(jìn)行的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，研究不同巖性、不同組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)累積，來(lái)確定點(diǎn)荷載試驗(yàn)推算的巖石單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)是否可以保證準(zhǔn)確性。該電站位于巴基斯坦克什米爾地區(qū)，預(yù)計(jì)裝機(jī)640 MW，為碾壓混凝土重力壩，屬Ⅱ等大（2）型工程。所采用的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50266-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2.1 試驗(yàn)范例

由于該工程區(qū)地層巖性中進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖均存在失水干裂、飽水軟化泥化的現(xiàn)象，故為保證點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，均選取現(xiàn)場(chǎng)剛?cè)⌒竞蟮奶烊粻顟B(tài)巖樣進(jìn)行試驗(yàn)。

選取工程區(qū)不同鉆孔，分弱風(fēng)化和微風(fēng)化狀態(tài)的不同巖性巖樣，進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，如表1所示。

表1 ??工程區(qū)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)范例

因工程區(qū)位于喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)主應(yīng)力軸線附近，壩址為受兩側(cè)應(yīng)力擠壓隆起的背斜構(gòu)造，背斜軸部擠壓破碎，且?guī)r質(zhì)偏軟弱，受侵蝕形成河谷，巖層傾角多陡立，近似為50°～70°，故由表1顯示，同種風(fēng)化狀態(tài)、同種巖性的試樣進(jìn)行的軸向點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度一般小于徑向試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

由于工程區(qū)不同巖石的風(fēng)化狀態(tài)、礦物成分、顆粒組成、孔隙性、膠結(jié)物成分及膠結(jié)程度等均存在一定差異，若試驗(yàn)組數(shù)受限，試驗(yàn)結(jié)果必然受其影響，加大了力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，故本次選取同一巖性、同一風(fēng)化狀態(tài)、同一天然狀態(tài)的巖石試樣進(jìn)行大數(shù)量的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，剔除離散性較大數(shù)據(jù)，盡可能保證數(shù)據(jù)比對(duì)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

因軟質(zhì)巖存在的易飽水軟化泥化特性，實(shí)驗(yàn)室取樣僅進(jìn)行了天然狀態(tài)和部分干狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

遵循式（1）、式（5）進(jìn)行本次巖芯點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算，遵循公式（6）進(jìn)行巖石天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)換算，并將巖石強(qiáng)度試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 ??工程區(qū)巖石強(qiáng)度試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

綜合室內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)成果分析，得出結(jié)論：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖以較軟巖為主，少量屬軟巖；泥質(zhì)粉砂巖以較軟巖為主，少量屬中硬巖；粉砂巖以中硬巖為主；中細(xì)粒砂巖屬堅(jiān)硬巖。在現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)較介于軟巖至中硬巖之間的試件，能夠保證上下觸點(diǎn)垂直對(duì)中，試驗(yàn)效果較好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)代表性較好。對(duì)較軟巖會(huì)出現(xiàn)持續(xù)貫入或貫入較深時(shí)才會(huì)出現(xiàn)破壞；對(duì)堅(jiān)硬巖在壓力加大過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏心破壞，易導(dǎo)致試驗(yàn)失效。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

依據(jù)表2工程區(qū)巖石強(qiáng)度試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，由點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)換算的天然狀態(tài)巖石單軸抗壓強(qiáng)度R0'值與取樣室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Rd、R0、Rc值對(duì)比分析見(jiàn)表3：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度換算天然單軸抗壓強(qiáng)度值與室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值相比略偏大，偏差值基本小于5.0 MPa，在微風(fēng)化狀態(tài)下，該組巖性的值與干單軸抗壓強(qiáng)度值基本一致；弱風(fēng)化狀態(tài)下，粉砂巖該值近似于干單軸抗壓強(qiáng)度值；中細(xì)粒砂巖該值與飽和單軸抗壓強(qiáng)度值近似或略偏小，偏差值基本小于4.0 MPa；其他巖性各風(fēng)化狀態(tài)下該值與天然抗壓強(qiáng)度值近似略偏小，偏差值小于2.5 MPa。

總體而言，介于軟巖至偏較軟巖之間的巖性進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)換算單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)略偏大，對(duì)建議的工程地基允許承載力也相對(duì)應(yīng)略偏大，在工程應(yīng)用中應(yīng)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)略折減；其他巖性、各風(fēng)化狀態(tài)下巖石進(jìn)行的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)換算單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)近似略偏小，偏差幅度不大，且對(duì)建議工程地基允許承載力為偏保守安全，在水電工程初期階段，無(wú)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，可以應(yīng)用于工程使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了在水電工程前期規(guī)劃或預(yù)可研階段，能獲取的室內(nèi)巖石試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏，此時(shí)可采用簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)推算獲取巖石抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，進(jìn)而獲取巖體分級(jí)或?yàn)樵O(shè)計(jì)提供建議地基允許承載力等指標(biāo)。能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最大的優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于點(diǎn)荷載試驗(yàn)放寬了對(duì)樣品尺寸、形狀、試驗(yàn)數(shù)量等相關(guān)要求，但缺點(diǎn)是點(diǎn)荷載強(qiáng)度隨巖石含水率變化明顯，所以同一組試件都應(yīng)處于相互接近或最佳含水量的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并減小數(shù)據(jù)差異造成的離散性。

根據(jù)本文試驗(yàn)，在同一狀態(tài)試件條件下，剔除離散性數(shù)據(jù)，大數(shù)量點(diǎn)荷載強(qiáng)度數(shù)據(jù)樣本可以確保推算巖石抗壓強(qiáng)度數(shù)值與試驗(yàn)室得出的抗壓強(qiáng)度值的近似性，可以應(yīng)用于水電工程前期勘察設(shè)計(jì)過(guò)程，點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)是一種有效的巖石試驗(yàn)補(bǔ)充手段。

表3 ??工程區(qū)巖石強(qiáng)度試驗(yàn)成果差值計(jì)算及分析表