炭質板巖點荷載強度與單軸抗壓強度的對比分析

王 斌，劉志強

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

炭質板巖點荷載強度與單軸抗壓強度的對比分析

王 斌，劉志強

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

點荷載試驗是測試巖石強度值的一種試驗，該方法具有簡便、經濟的特點，但對軟弱圍巖而言，根據規范通過點荷載值計算的巖石單軸抗壓強度值偏大。針對炭質板巖為主的軟巖進行點荷載和單軸抗壓強度對比試驗，通過回歸分析得出兩者的修正關系式，從而更為準確地表達巖石的單軸抗壓強度值。

點荷載；單軸抗壓強度；軟巖

在新建蘭渝鐵路木寨嶺隧道中，遇到以二疊系板巖、炭質板巖為主的軟弱圍巖，加上高地應力的環境，在隧道修建過程中經常發生大變形，最大變形值達到1m多，被鐵道部列為極高風險隧道，因而對隧道大變形的預測顯得十分重要。由于巖石屬于軟弱圍巖，且節理發育，因而要取得巖石單軸抗壓強度試驗樣本比較困難。為此，筆者采用點荷載試驗來代替單軸抗壓試驗，通過公式換算間接取得巖石的單軸抗壓強度值。由于目前《工程巖體分級標準》(GB50218-94)采用的公式是綜合各種巖性的強度指標后擬合而得到的，對于軟巖其計算值往往偏大[1]，因此對現場巖石取樣，同時進行點荷載和單軸抗壓強度試驗，以此確定兩者之間的關系[2]，從而為后續研究提供依據。

1 點荷載試驗

點荷載采用SD-1型數碼點荷載儀，該點荷載儀可以顯示巖石破壞時的壓力值，量程為30MPa。在剛開挖的隧道掌子面采集6組試件(同時另外采集3組制作單軸抗壓試驗試驗樣品)，木寨嶺隧道以炭質板巖和板巖為主，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，試件加荷點附近的巖面平整。試驗加載時垂直結構面進行點荷載強度試驗，將測得的6組數據中的最高值和最低值去掉，取剩下4組數據的算術平均值作為該組巖石的點荷載強度。

按下式計算非標準巖石試件的點荷載強度：

(1)

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

根據文獻[3]中點荷載強度試驗的規定，由Is值得到直徑為50mm 標準試件的點荷載強度值Is(50)：

(2)

式中，F為尺寸修正系數；m為由同類巖石的經驗值確定，一般可取0.45。

根據文獻[3]計算巖石強度RIs：

(3)

2 單軸抗壓試驗

在與點荷載試驗樣本同一地點采集巖石樣本，加工成50mm×50mm×50mm立方體進行單軸抗壓強度試驗，試驗采用SYE-2000壓力試驗機，該試驗機能自動記錄巖石破壞時最大壓力值。

圖1 點荷載強度對比

現場開挖時巖石表面均較濕潤，根據點荷載浸水試驗結果(見圖1)，巖石在飽和含水時其點荷載強度急劇降低，下降幅度通常在50%左右，最大可達80%以上，巖石樣本在浸水后也容易出現離析和崩解，因而測得飽和抗壓強度值比較困難，故試驗采用天然含水狀態下的巖石試件進行試驗，所取得的強度值也是代表自然含水狀態下單軸抗壓強度值。

每組試驗取3組試件，舍去結果中偏差較大值后的平均值作為該組巖石的單軸抗壓強度值。巖石的抗壓強度按下式計算：

(4)

表1 點荷載強度及抗壓強度值

式中，R為巖石的抗壓強度,MPa；P為試件破壞時的荷載,N；A為試件的截面積,mm2。

3 試驗結果

通過試驗，得到有效數據17組，結果如表1所示。

從表1可以看出，通過點荷載值計算得到的RIs值均偏大，兩者比值(RIs/R)范圍在1.5～2.5之間，說明規范通用的計算公式并不能很好地反映軟巖的真實抗壓強度，因此必須對其進行修正。進一步分析表中數據發現，無論單軸抗壓強度R與點荷載值比值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性，因而根據該趨勢分別作散點圖(見圖2和圖3)。

對圖2進行回歸分析得到如下方程：

RIs=0.6231RIs-2.7327

(5)

對圖3進行回歸分析得到如下方程：

RIs=8.7854Is(50)+3.3033

(6)

圖2 R-RIs散點圖 圖3 R-Is(50)散點圖

對式(6)和式(7)采用散點數據與方程式計算值之間的相關系數來描述其相關性，計算得到相關系數分別為0.8913和0.8919。因為式(6)和式(7)均是利用點荷載測試值來計算巖石單軸抗壓強度，所以上述公式擬合結果差別不大，且較采用文獻[4]中的公式得到的結果更接近實際值。

4 結 語

通過木寨嶺隧道現場測試發現，規范中采用的巖石點荷載與單軸抗壓強度之間的關系式對于炭質板巖這一類軟巖并不適用，為此對巖石取樣進行點荷載試驗與單軸抗壓強度的對比試驗。研究表明，采用規范公式通過巖石點荷載值計算得到的巖石單軸抗壓強度偏大(RIs/R比值范圍在1.5～2.5之間)，通過試驗數據分析得到炭質板巖的回歸公式，利用該公式能較好地估算其單軸抗壓強度值。

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

[2]胡慶華.巖石點荷載試驗與標準抗壓強度的相關關系[J].水利水電技術,1997,28(10):24-26.

[3]GB50218-94,工程巖體分級標準[S].

[4]JTGE41-2005,公路工程巖石試驗規程[S].

[編輯] 李啟棟

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

TU458 3

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16731409(2012)11N15302