點荷載試驗在防波堤護面石質量控制中的應用

魯 舟， 王明軍

(1.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230)

1 研究現狀

防波堤是港口工程的重要組成部分，在防御波浪侵襲、保持水面平穩及阻擋沿岸泥沙侵入港池等方面具有重要作用，而防波堤所用護面規格石的質量對保證防波堤在設計期內使用功能的完整性具有重要影響。單軸抗壓強度是護面規格石最重要的力學參數之一，但該試驗對試件的尺寸精度要求高，且試件制備時間長、檢測成本高；而點荷載強度試驗具有簡單快捷、耗時少、費用低，且試件加工容易等優點，因此該方法在國內外得到越來越廣泛的應用。根據點荷載強度估算單軸抗壓強度的關鍵是確定兩種強度的換算方程，為此國內外學者針對不同類型的巖石進行了深入的研究：國際巖石力學協會ISRM在1985年提出巖石單軸抗壓強度與點荷載強度的關系式為Rc=(20～25)Is(50)[1]；Vallejo在對砂巖進行了大量試驗研究后，于1989年提出了單軸抗壓強度與點荷載強度的回歸方程為Rc=17.4Is(50)[2]；成都地質學院(向桂馥)于1986年提出了針對沉積巖的單軸抗壓強度與點荷載強度的公式為Rc=18.9Is(50)[3]；長江科學院針對灰巖、砂巖、大理巖等巖石進行了大量了對比試驗研究后，于2011年提出單軸抗壓強度與點荷載強度的公式為Rc=21.86Is(50)[3]。由此可見，巖石的點荷載強度與單軸抗壓強度存在較好的相關性，但兩強度的回歸方程系數受巖石結構類型影響較大。盡管國內外學者對砂巖、板巖、大理巖等多種巖石的點荷載強度與單軸抗壓強度的換算系數進行了研究分析，但對片麻巖的這兩者強度的換算系數研究較少，若使用經驗公式對片麻巖的單軸抗壓強度進行換算，則強度數值可能會存在較大誤差。因此，為準確地估算片麻巖的單軸抗壓強度、快速評定防波堤用護面石的質量，需通過強度對比試驗建立片麻巖的點荷載強度與其單軸抗壓強度的相關回歸方程。

2 試驗方法及試件制備

2.1 點荷載強度試驗

根據《Suggested Method for Determining Point Load Strength》(ISRM RTH 325-89)[1]，點荷載強度試驗是將巖石試樣置于兩個球狀加荷錐頭之間，施以荷載直至試樣破碎，記錄破壞時的最大荷載和兩錐頭端點間距，即可計算出巖石的點荷載強度，并依據經驗公式估算巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度。點荷載強度試驗可測量巖樣的點荷載強度指數Is(50)與強度各向異性指數Ia(50)，Ia(50)為點荷載強度在垂直于巖石紋理與平行于紋理的數值之比。用于點荷載試驗的試件可以為圓柱形芯樣、方塊體及不規則塊體，試樣的外形尺寸及加荷點位置應符合規范要求。點荷載強度的計算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

Is(50)=F×Is

(4)

式中：De為等效巖芯直徑(mm)；W為加載荷點間距(mm)；D為試樣破壞面平均直徑(mm)；P為試樣破壞時最大載荷(kN)；n為試樣尺寸修正系數指數，當等效巖芯直徑約為50 mm取值0.5，否則取值0.45；F為試樣尺寸修正系數；Is(50)為巖樣點荷載強度(MPa)。

點荷載試驗儀型號為DHY-2型，最大載荷為50 kN，由加荷系統、載荷測量系統及測量破壞載荷間距系統組成(如圖1所示)，其中加荷系統包括加載框架、千斤頂及上下壓板，壓板間距可在10～100 mm范圍之間可調節。球端圓錐形壓板的標準幾何形狀如圖2所示，圓錐角度為60°，球狀板尖端半徑為5 mm，且與其上部相切，壓板為硬質合金材料，如碳化鎢或合金鋼。

圖1 點荷載試驗儀 圖2 球端圓錐壓板示意圖

2.2 單軸抗壓強度試驗

單軸抗壓強度是指巖石試件在無側限條件下受軸向載荷作用出現壓縮破壞時，單位面積上所承受的軸向作用力。本試驗使用微機控制電液伺服萬能試驗機(型號為SHT4605),最大量程為600 kN,準確度等級為I級，在加載過程中控制應力速率為0.6 MPa/s，單軸抗壓強度按式(5)進行計算：

(5)

式中：Rc為單軸抗壓強度(MPa)；F為試驗破壞載荷(N)；A為試件橫截面面積(mm2)。

2.3 巖石超聲波縱波試驗

超聲波在巖石中的傳播速度，可表征該類巖石的應力應變狀態，也可反映固體材料彈性模量與密度特性。超聲波波速的大小可間接反映巖石強度的高低，也可檢測材料內部結構的均勻性。本試驗所用超聲波儀器生產廠家為瑞士Proceq，型號為PUNDIT PL-200,儀器分辨率為0.1 μs，超聲波探頭為54 kHz。

2.4 試件準備

從加納特碼CHEC石場取30塊母巖，每塊母巖石分別切割出1個方塊體及鉆取1個芯樣。方塊體用于超聲波試驗和點荷載試驗，其尺寸約為70 mm×70 mm×70 mm；而芯樣則用于單軸抗壓強度試驗，其直徑為50 mm，高徑比為2∶1，并對其兩端進行打磨平整。在巖石取芯的過程中，應使取芯方向與巖石紋理面的夾角為0°或90°，即15根芯樣的軸線方向平行于巖石的紋理方向，另外15根芯樣軸向則垂直于巖石的紋理方向。

3 室內試驗及結果分析

3.1 片麻巖巖相試驗

片麻巖屬于變質巖的一種，外觀具有片麻狀構造及條帶狀構造(見圖3)。巖相試驗所用代表性巖樣取自加納特碼CHEC采石場，送至加納大學進行巖相檢測。根據巖相試驗結果(見圖4)，該采石場片麻巖主要由斜長石、石英及云母、角閃石等組成，并含少量鐵鋁榴石等礦物。

圖3 片麻巖外觀紋理 圖4 片麻巖巖相

3.2 巖石縱波波速試驗結果與分析

選取15塊尺寸為70 mm×70 mm×70 mm的方塊體，分別對每塊試件在平行于紋理和垂直于紋理的兩個方向進行縱波波速試驗，典型縱波波形見圖5所示，波速試驗結果如表1所示。

表1 片麻巖縱波波速統計表

圖5 巖石試樣典型縱波波形圖

從表1可以看出，CHEC石場片麻巖的縱波波速在4 300～6 300 m/s之間，平行于紋理的縱波速v1平均值為5 648 m/s，而垂直于紋理的縱波速v2平均值為5 220 m/s，v1與v2的比值為1.08。不同的巖石試件其縱波波速差異較大，且對同一巖石試件，其平行紋理波速v1一般大于垂直紋理波速v2。

縱波波速是材料的固有屬性，可間接反映材料的密度、彈性模量、均勻性等內部結構特征。根據縱波在片麻巖各方向的波速差異，可知片麻巖結構各向異性，即材料為不均勻體。材料的強度與波速直接相關，即材料強度越高，波在其中的傳播速度就越大。片麻巖一般為片麻狀構造及條帶狀構造，由巖相試驗可知白色條帶狀礦物主要為石英，片麻狀及黑色帶狀礦物成分主要為斜長石、鐵鋁榴石及黑云母，而石英的強度比其他礦物都高，故縱波在石英中的傳播速度較高；另一方面不同礦物成分之間粘結強度比同種礦物粘結強度低，即片麻巖中層狀結構間的粘結強度比同層強度要低。因此，縱波在平行于紋理的速度一般大于其垂直于紋理的速度，即片麻巖特殊的片麻狀及層狀結構造成了其巖石聲學及力學性能的各向異性。

3.3 單軸抗壓強度與點荷載強度試驗結果及分析

對30塊巖石芯樣泡水48 h后，在恒應力(0.6 MPa/s)下進行單軸抗壓強度試驗；而對點荷載強度的方塊體則不進行飽水處理，即在室溫下直接進行加載試驗。為減小巖石紋理方向對抗壓強度結果的影響，進行單軸抗壓試驗的力加載方向與進行點荷載試驗的力加載方向保持一致，即同時平行或同時垂直于巖石的紋理方向，試驗結果如表2所示。

由表2可以看出，該石場片麻巖的單軸抗壓強度在85～165 MPa之間，平均抗壓強度約為122 MPa。根據國際巖石分類標準，該類巖石分級為R4～R5，屬于堅硬巖[4]。由點荷載試驗結果可知，平行于紋理面的強度平均值為4.48 MPa，而垂直于紋理面的強度平均值為6.10 MPa，巖石的各向異性指數Ia(50)為1.36，即說明片麻巖在不同方向上力學性能差異較大。根據最小二乘法原理，用制圖軟件OriginPro8對表2的檢測數據進行擬合(如圖6所示)，得到該巖石的單軸抗壓強度與點荷載強度的擬合線性方程為Rc=55.981+12.683Is(50)，R2=0.589。經查相關系數檢驗表，表明該線性關系顯著，可用于指導工程實際。

表2 單軸抗壓強度與點荷載強度統計表

注：“⊥”表示力加載方向與巖石的紋理方向垂直；“//”表示力加載方向與巖石的紋理方向平行。

4 點荷載強度試驗現場應用

加納特碼新集裝箱碼頭項目位于非洲西部、幾內亞灣北岸，集裝箱碼頭的岸線總長1 400 m，寬33.98 m，防波堤總長3 558 m，堤頂寬度為10.04 m到6.586 m不等，肩臺-7.60 m以下部分采用2～ 5 t護面塊石護面；內側肩臺-4.0 m以上部分由4～6 t大塊石護面，護岸塊石共計27.3萬m3。

圖6 點荷載強度與單軸抗壓強度線性關系圖

根據項目技術規格書要求，防波堤用護面石的母巖抗壓強度不小于60 MPa，且母巖應為微風化巖或未風化巖[5]。加納特碼項目防波堤所需的護面石由CHEC石場供應，該石場的覆蓋層為粘性土以及砂質粉土，厚度1～4 m，覆蓋層下依次為全風化巖、中風化巖、微風化巖及未風化巖。為開采質量合格的規格石，需去除石場覆蓋層、全風化巖及中風化巖，但不同風化程度的巖體界面不是很清晰，尤其是中風化巖與微風化巖之間的巖體界面，這就為選取微風化巖和未風化巖帶來難度，若僅憑巖石的外觀顏色判斷其風化程度，易引起較大偏差。母巖抗壓強度偏低的規格石，在鋪砌過程中崩裂甚至在裝卸運輸過程中易破碎(崩裂的4～6 t護面石見圖7、圖8所示)。

圖7 護面石崩裂圖一 圖8 護面石崩裂圖二

點荷載強度試驗相對簡單快捷，且巖樣稍加工即可進行測試，故可利用點荷載強度試驗對巖石質量進行實時監控，及時剔除強度不合格的護面石。根據石場的石料供應情況，定期從石場隨機取樣進行點荷載強度試驗。假設片麻巖的點荷載強度指數符合正態分布，2019年從CHEC石場共取樣9次，累計檢測86塊不規則巖石塊體(巖樣典型破壞形式如圖9所示)，用制圖軟件Origin Pro8對試驗結果進行分析，如圖10所示。

(6)

圖9 點荷載試樣典型破壞圖 圖10 點荷載試驗結果統計圖

式中：f(x)為點荷載強度概率密度函數；x為巖石點荷載強度(MPa)。

由式(6)可知，點荷載強度的平均值為5.25 MPa，強度標準差為1.43 MPa，點荷載強度落在區間[3.82, 6.28]的概率為68%,點荷載強度≥3.82 MPa的概率為84%，經假設檢驗，點荷載強度指數符合正態分布。根據單軸抗壓強度與點荷載強度的線性回歸方程及片麻巖各向異性指數，通過計算可知當點荷載強度≥3.6 MPa時，可估算出其母巖抗壓強度≮60 MPa，即滿足項目技術規格書要求。采用線性回歸分析，可由點荷載強度預測巖石的單軸抗壓強度，故工程施工中可通過檢測點載荷強度來控制巖石的質量。

5 結論

(1)片麻巖的縱波波速在4 300～6 300 m/s之間，其在平行及垂直于紋理的不同方向上，顯示出不同的縱波波速，波速比值為1.08，由此可知具有片麻狀紋理的片麻巖屬于結構不均勻體巖石，具有明顯的各向異性。

(2)片麻巖巖石的單軸抗壓強度與點荷載強度存在較好的相關性，線性回歸方程為Rc=55.981+12.683Is(50)，R2=0.589，該線性關系顯著，可依據巖石點荷載抗壓強度值較準確地估算其單軸抗壓強度。

(3) CHEC石場片麻巖的點荷載強度符合正態分布規律，其點荷載強度≥3.82 MPa的概率為84%，由此表明該石場生產的護面規格石多為較堅硬及堅硬巖石，但也存在部分強度不符合要求的巖石。用點荷載強度試驗可及時、高效地篩選出強度合格的規格石，保證防波堤用規格石的質量。