基于點荷載的山皮石強度研究

馬 成，石云方，劉澤炬，鄧 藤，李慎剛

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司 西安市 710032; 2.東北大學 資源與土木工程學院 沈陽市 110819)

※基金項目：國家自然科學基金項目(51878127)；中央高校基本科研業務費項目(N180104013)

0 引言

山皮石在工程中可以大量地就地取材，在公路工程路基處理中廣泛應用[1]。但山皮石的強度及形狀受風化程度影響較大，在工程實踐中對山皮石強度的測定存在困難，而且風化對強度所帶來的影響也難以判斷，為研究山皮石填筑路基的承載力情況，對山皮石試樣進行試驗。

點荷載試驗具有對試樣的形狀要求不高的優點，在國內外被廣泛應用。對于不同種類巖石，國內外學者進行了大量實驗，證實點荷載強度與單軸抗壓強度在不同情況下均有良好的相關性[2]，因此點荷載試驗對山皮石強度的測定有著重要的幫助。這種試驗方法由于試件狀況、儀器誤差等方面受實際影響較大[3]，其計算結果還需要進一步研究和討論。依據《工程巖體分級標準》[4](GB/T 50218—2014)中給出的公式統一進行換算。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

所使用的山皮石試樣取自吉林地區，如圖1所示。山皮石的性能指標通過泡水飽和、烘干試驗測得如表1所示。

圖1 山皮石試樣

表1 山皮石部分性能指標

1.2 試驗方法

點荷載試驗：試驗試樣由于尺寸限制，沒有取得單軸抗壓強度的條件時，采用點荷載試驗測定點荷載強度指數，并按式(1)、式(2)換算單軸抗壓強度。本次利用《公路工程巖石試驗規程》[5](JTG E41—2005)點荷載試驗的方法，對山皮石強度進行測定，討論山皮石在自然條件下的強度特征及飽和后的強度變化情況。

IS(50)=FIS

(1)

(2)

式中：F為尺寸修正系數；IS為巖石點荷載強度；IS(50)為經尺寸修正后的巖石點荷載強度指標，由試樣被兩加荷錐頭壓裂時的極限荷載與破壞面等效圓直徑的平方之比表示。

2 點荷載試驗

2.1 試驗方案

對試樣分別進行天然條件和飽和條件下的點荷載試驗。直接取天然條件的山皮石試樣，共進行5組點荷載試驗，每組15塊試樣，共75塊試樣。其中在第4組、第5組中隨機取破壞后的部分試樣為對照組泡水飽和，再進行飽和條件下的點荷載試驗，對比飽和前后山皮石的強度變化。飽和條件根據規范要求先注水至試樣的1/4高度，以后每隔2h分別注水至1/2、3/4處，6h后加水至頂面超出2cm左右，再自由保水48h達到飽和狀態。

飽和條件下的點荷載試驗除上述對照組外，再進行6組試驗，每組3塊試樣，共18塊試樣，分析飽和條件對山皮石強度的影響。

2.2 天然條件下的點荷載試驗

2.2.1試驗結果

天然條件下的點荷載試驗每組平均斷面面積及強度如表2所示。

表2 天然條件點荷載試驗結果

從表2中可知，在試驗結果中，山皮石的平均強度在40MPa以上，斷面面積在1300mm2時平均強度可以達到70MPa左右。同時可以看出山皮石的尺寸較大時，強度相對較低，符合巖石強度尺寸效應。實驗數據的強度分布如圖2所示。

圖2 天然條件強度分布直方圖

2.2.2結果分析

為研究山皮石強度的離散情況，引入箱型圖對數據進行探索性分析。箱型圖用作顯示一組數據分散情況，便于識別數據的分布并可以檢測出異常數據。其主要由5個點繪制而成，包括上邊緣值Tmax，上四分位數Q3，中位數，下四分位數Q1，下邊緣值Tmin。當數據出現在上下邊緣值以外時，可以認為是異常值。

如圖3所示：下四分位值約為38.9MPa，即有25%的數據小于38.9MPa；中位數約為61.9MPa；上四分位值約為86.0MPa，即有75%的數據小于86.0MPa。箱型圖中存在一個離群點，即數據中存在一個極端異常值。數據整體不滿足正態分布，呈現左偏態，即強度相對較小的數據占多數，高強度的數據離散性更大。不考慮異常值后，數據的最小值為13.9MPa，最大值為131.6MPa。

圖3 強度箱型圖

山皮石試樣在相近斷面面積下強度有較大的差異，表明風化程度對強度的影響較大。為降低數據離散程度的影響，對數據結果進行分組，以分組后數據的方差和達到最小值的強度為界限，對數據進行分組。

經計算，以63MPa為界限時，分組數據擬合效果較好，擬合情況如圖4所示。

圖4 分組強度變化規律

兩組數據變化規律相近，試樣強度首先有一個上升段，并在1500mm2左右達到峰值，隨后強度隨斷面面積的增大而減小。兩組數據平均強度相差約50MPa，表現出風化對巖石抗壓強度有較大影響。

2.3 飽和條件下的點荷載試驗

飽和條件下的點荷載試驗每組平均強度如表3所示。

表3 飽和條件點荷載試驗結果

18個巖石試樣的平均強度為41.66MPa，其中有10個試樣的飽和強度在40MPa以上。山皮石風化程度不高時，其在飽和狀態下仍能保持較高強度。

飽和條件下的強度與含水率及斷面面積的關系如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，山皮石試樣的強度隨著含水率的增大明顯減小，但同樣呈現較大的離散性，當山皮石試樣風化程度較高時，飽和強度會明顯降低。同時強度依然會隨著斷面面積的增大而減小。

圖5 含水率—強度圖

圖6 面積—強度圖

2.4 對照組數據及分析

共取8個試樣，對其天然強度、飽和強度進行對照分析，數據如表4所示。

表4 對照組點荷載試驗結果

除編號5-12試樣以外，各試樣飽和強度均有所減小，平均減小值為30.58MPa。各試樣的飽和含水率一般在2%以下，但強度減小幅度與飽和含水率的變化沒有明顯的線性關系。大部分試樣的軟化系數小于0.75，屬于易軟化的巖石，水的作用對山皮石的強度有較大影響。上述試驗說明，在飽和條件下，飽和含水率并不一定是影響山皮石強度的決定因素，強度主要由巖石本身性質決定，但飽和會大幅降低山皮石的強度。

3 總結

(1)山皮石的點荷載強度離散度較大，且分布呈現左偏態。其受風化程度影響較大，但整體強度較高，有75%的點荷載強度在38.9MPa以上，屬于中硬～硬質巖石；有50%的點荷載強度在61.9MPa以上，屬于硬質巖石。

(2)為減小離散度的影響，以分組后數據方差和達到最小進行分組。分組后的數據表現出相近的變化規律，均在斷面面積1500mm2處達到強度峰值；兩組數據的平均差值在60MPa左右。

(3)飽和狀態下的山皮石仍能保持較高的抗壓強度，超過50%的試樣強度在40MPa以上。山皮石強度與飽和含水率沒有嚴格的線性關系，但大部分試樣的軟化系數小于0.75，屬于易軟化的巖石。