基于點荷載的隧道洞渣飽和抗壓強度快速評價方法

謝京諭, 李化建, 王 振, 黃法禮, 易忠來

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司, 北京 100081; 2. 重慶大學材料科學與工程學院, 重慶 400044; 3. 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室, 北京 100081)

0 引言

隨著我國河砂限采和禁采政策的實施,天然河砂資源面臨嚴重緊缺的局面。山區鐵路、公路建設過程中產生的上億方隧道洞渣存在堆存占地、維護成本高、污染環境等風險[1]。利用隧道洞渣生產機制砂可以有效緩解河砂供不應求的問題,同時對于加快實現建筑領域“雙碳”目標具有重要意義[2]。但由于圍巖等級和開挖方式的差異,隧道洞渣性能波動大、形狀不規則、含水率差距大,導致隧道洞渣制備的機制砂性能不穩定,質量控制難[3-4]。Q/CR 9570—2020《鐵路機制砂場建設技術規程》規定,當選擇隧道洞渣作為機制砂料源時,應確保料源母巖符合要求、性能穩定,且能夠成區段、成規模。GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》規定以飽和抗壓強度作為巖石堅硬程度的定量評價標準。因此,飽和抗壓強度是隧道洞渣用作建筑材料的重要參考指標。李化建等[5]提出飽和抗壓強度≥60 MPa的隧道洞渣可用于制備強度等級為C40及以下的混凝土用機制砂石。

點荷載作為一種快速評價方式,在評價巖石抗壓強度方面得到廣泛應用。由于不同學者所研究巖石的巖性、塊體形狀和含水率等不同,且已有研究表明點荷載強度指數與抗壓強度之間難以得到統一的關系式,但兩者間存在良好的相關性[6],因此,將點荷載用于隧道洞渣強度表征具有可行性。為對機制砂母巖強度進行快速評價,Q/CR 865—2022《鐵路混凝土用機制砂》首次規定將點荷載強度指數應用于機制砂生產過程中的母巖力學性能評價。但點荷載強度指數受多種因素影響,不同標準中對于點荷載強度指數與飽和抗壓強度的關系模型也存在差異[7-8]。李少乾等[9]對比了徑向、軸向2種點荷載加載方式,發現均能與抗壓強度建立良好聯系。Heidari等[10]提出不規則塊體點荷載強度指數與規則試樣間的點荷載強度指數存在差異,在抗壓強度較高的巖石中差異更為明顯。Kaya等[11]、張元胤等[12]的研究表明,巖石種類數量會影響試驗結果,若采用少量幾種巖石評價抗壓強度會導致結果準確性降低。此外,由于巖石強度的吸水軟化效應,含水率也對結果有顯著影響[13-15]。

通過點荷載強度指數實現巖石飽和抗壓強度快速評價是目前工程中的急切需求,但目前針對不規則塊體研究較少,且需要對試件進行預飽和處理[16-17],這使得測量時間長,不利于快速評價。本文以20種不同巖性隧道洞渣為研究對象,研究不規則塊體與含水狀態對點荷載強度指數的影響規律,探討隧道洞渣點荷載強度指數與飽和抗壓強度的相關性,提出基于點荷載的飽和抗壓強度預測方法,以期為隧道洞渣機制砂制備過程中的質量控制提供支撐。

1 材料與試驗方法

1.1 材料

隧道洞渣試樣來自8個省市,包含灰巖、砂巖、白云巖、大理巖、花崗巖等20個種類。試樣巖性與主要礦物組成如表1所示。

表1 隧道洞渣試樣巖性與主要礦物組成Table 1 Lithology and main mineral composition of tunnel muck

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

試驗前,將洞渣加工為2種試樣,如圖1所示。第1種是參照TB 10115—2014《鐵路工程巖石試驗規程》制備的φ30 mm×30 mm規則圓柱試樣,用于徑向、軸向2種點荷載試驗,以及φ50 mm×50 mm規則圓柱試樣,用于單軸抗壓強度試驗;第2種是破碎后的不規則塊體試樣,其加載點間距(D)與通過兩加載點的最小截面平均寬度之比為0.3～1.0,加載點至自由端的距離大于0.5D,主要用于不規則塊體的點荷載試驗。

(a) 鉆芯用巖石塊

(b) 規則圓柱試樣

(c) 不規則塊體試樣圖1 試驗所用巖石試樣Fig. 1 Rock samples used in test

1.2.2 預處理

參照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》,將試樣制備成烘干狀態、自然狀態和飽和狀態3種。烘干狀態試樣需在105 ℃下烘干24 h;自然狀態試樣無需特殊處理,置于常溫常壓下保存;飽和狀態試樣采用自由吸水法,在常溫常壓下吸水48 h。

1.2.3 抗壓強度試驗

參照《鐵路工程巖石試驗規程》測試隧道洞渣抗壓強度,并依據該標準中附錄C.1對測試結果進行修正,如式(1)所示。

(1)

式中:R為直徑50.0 mm、高徑比2.0的巖石試件單軸抗壓強度,MPa;R′為高徑比不為2.0時的巖石試件單軸抗壓強度,MPa;H為試件高,mm;d為試件直徑,mm。

1.2.4 點荷載試驗

參照《工程巖體分級標準》,采用STDZ-3數顯點荷載試驗儀進行加載方式為徑向、軸向以及不規則塊體的點荷載試驗。點荷載強度指數計算采用《工程巖體分級標準》中的計算方法。主要步驟如下:

未經修正的巖石點荷載強度指數計算公式為:

(2)

式中:Is為未經修正的點荷載強度指數,MPa;P為試件破壞荷載,N;De為等效巖芯直徑,mm。

徑向、軸向加載以及不規則塊體加載試驗,其等效巖芯直徑De分別按式(3)—(5)計算。

徑向加載:De=D。

(3)

(4)

(5)

式(3)—(5)中:D為加載點間的距離,mm;A為通過兩加載點的最小截面積,mm2;W為通過兩加載點的最小截面平均寬度,mm。

為保證試驗結果的可比性,將試驗結果統一修正為等效巖心直徑De=50 mm時的點荷載強度指數Is(50),即標準點荷載強度指數,計算公式為:

(6)

式中m為修正指數,可取0.40～0.45,文中m取值為0.45。

徑向和軸向加載均選擇12組有效數據,舍去最大值與最小值后取算數平均值;不規則塊體加載選擇16個有效數據,并舍去2個最大值與2個最小值后取算數平均值。

1.2.5 吸水率試驗

參照《工程巖體試驗方法標準》,采用自由浸水法進行隧道洞渣吸水率試驗。試樣選擇不規則塊體,最長邊為60～80 mm,寬度為40～60 mm,厚度為20～40 mm。

2 試驗結果與討論

2.1 點荷載強度指數與飽和抗壓強度相關性

飽和狀態下隧道洞渣點荷載強度指數與飽和抗壓強度測試結果見表2。由表可知,飽和狀態下,不同巖性巖石點荷載強度指數最低為1.77 MPa,最高為18.72 MPa;飽和抗壓強度最小為60 MPa,最大為152 MPa。本試驗所用試樣飽和抗壓強度均滿足《鐵路混凝土用機制砂》母巖飽和強度大于60 MPa的規定,但點荷載強度指數存在小于3.0 MPa的情況。這是因為《鐵路混凝土用機制砂》規定測試試樣為自然含水狀態,點荷載強度指數隨著洞渣含水率的增加而降低;另外,隧道開挖易使隧道洞渣內部出現微裂紋,導致點荷載強度指數降低。

表2 隧道洞渣點荷載強度指數(飽和狀態)與飽和抗壓強度Table 2 Tunnel muck point load strength index (saturated) and saturated compressive strength MPa

飽和狀態下沉積巖、巖漿巖、變質巖隧道洞渣點荷載強度指數與飽和抗壓強度關系如圖2所示。由圖可知,飽和狀態下3類巖性的隧道洞渣點荷載強度指數與單軸抗壓強度均呈線性正相關,巖漿巖、沉積巖、變質巖的相關性系數分別為0.95、0.89、0.81,沉積巖具有更好的線性相關性,擬合關系見式(7)—(9)。

圖2 飽和狀態下點荷載強度指數與飽和抗壓強度關系Fig. 2 Relationship between point load strength index and saturated compressive strength in saturated state

UCS飽和巖漿巖=4.49Is(50)不規則+58.78。

(7)

UCS飽和沉積巖=4.64Is(50)不規則+66.69。

(8)

UCS飽和變質巖=6.55Is(50)不規則+58.19。

(9)

式(7)—(9)中: UCS飽和為飽和抗壓強度,MPa;Is(50)不規則為不規則塊體點荷載強度指數,MPa。

2.2 點荷載強度指數與抗壓強度關系式對比

巖石單軸抗壓強度與點荷載強度指數的轉換關系式見表3。由表可知,單軸抗壓強度與點荷載強度指數的經驗公式種類主要包括線性函數-零截距式、線性函數-非零截距式、冪函數、二次函數、指數函數、對數函數。

表3 巖石單軸抗壓強度和點荷載強度指數的轉換關系式Table 3 Conversion formula of rock uniaxial compressive strength and point load strength index

不同點荷載強度指數與單軸抗壓強度轉換關系的比較如圖3所示。

圖3 不同點荷載強度指數與單軸強度轉換關系比較Fig. 3 Comparison of transfer relationship between point load strength index and uniaxial compressive strength

由圖3可知: 1)對比現有2種標準,國際巖石力學學會提出的15～50轉換系數范圍變化大,若采用任意系數預測抗壓強度,誤差高達100%; 2)不同的轉換關系式具有各自的適用條件,《鐵路混凝土用機制砂》規定飽和抗壓強度≥60 MPa的母巖可用于制備機制砂石,擬合關系式(7)—(9)與Fener[19]提出的線性函數-非零截距式近似,且截距均接近于60 MPa。因此,擬合關系式(7)—(9)對于預測機制砂用隧道洞渣母巖飽和抗壓強度具有適用性。

2.3 加載方式對點荷載強度指數的影響

2.3.1 點荷載試樣破壞形態對比

不同加載方式下點荷載試樣破壞面如圖4所示。由圖可知,徑向、軸向以及不規則3種加載方式下,在與加載端接觸的部位出現了白色粉化區域,這是因為試樣破壞主要由加載點連線軸上的應力所決定。開始加載時,點荷載試樣表面加載點附近首先受到壓應力[22],巖石表面應力集中出現粉化;當荷載增大時,由于試件內部主要以拉應力為主[23],當加載端附近的應力超過試樣承受范圍后出現裂紋并不斷擴展深入,最終試樣在拉應力作用下發生斷裂。無論是采用規則圓柱試樣還是不規則塊體試樣,試樣表面以及內部的應力分布規律是一致的,因此,隧道洞渣不規則塊體適用于點荷載試驗。

(a) 徑向試驗

(b) 軸向試驗

(c) 不規則試驗圖4 不同加載方式下點荷載試樣破壞面Fig. 4 Failure surface of point load specimen under different loading modes

2.3.2 點荷載強度指數變化趨勢

隧道洞渣在不同含水狀態下3種加載方式的點荷載強度指數變化如圖5所示。由圖可知,在烘干狀態、自然狀態以及飽水狀態下,3種加載方式的點荷載強度指數變化趨勢均保持一致,軸向加載與徑向加載得到的點荷載強度指數相近,且均大于不規則加載。當軸向點荷載強度指數小于8 MPa時,規則試樣與不規則塊體的點荷載強度指數相差較小,而當軸向點荷載強度指數大于8 MPa時,規則試樣與不規則塊體的點荷載強度指數差異變大。

(a) 烘干狀態

(b)自然狀態

(c) 飽水狀態圖5 不同加載方式下狀態點荷載強度指數變化Fig. 5 Change of point load strength index with different loading modes

2.3.3 點荷載強度指數差異對比

不同加載方式下點荷載強度指數差值的絕對值對比如圖6所示。由圖可知,同一含水狀態下,徑向加載與軸向加載的點荷載強度指數差值在3.0 MPa以下,且波動范圍小。當軸向點荷載強度指數小于8.0 MPa時,不規則加載與軸向加載的點荷載強度指數差值波動小,為0～2.5 MPa;當軸向點荷載強度指數大于8.0 MPa時,差值波動大,為2.5～12.0 MPa。

(a) 烘干狀態

(b) 自然狀態

(c) 飽水狀態圖6 不同加載方式下點荷載強度指數差值的絕對值對比Fig. 6 Comparison of absolute value of point load strength index difference under different loading modes

不同加載方式對隧道洞渣點荷載強度指數具有明顯影響。當隧道洞渣強度較低時,徑向加載、軸向加載和不規則加載結果相近,因此,現場隧道洞渣開挖過程難以獲取芯樣時,可采用不規則塊體點荷載強度指數替代規則芯樣進行點荷載試驗。依據《工程巖體分級標準》的預測公式可知,點荷載強度指數為8 MPa時,飽和抗壓強度約為110 MPa。因此,當隧道洞渣飽和抗壓強度超過110 MPa時,加載方式對點荷載強度指數有顯著影響。這是因為相比于規則圓柱芯樣,隧道洞渣不規則塊體內部存在微裂紋等損傷,損傷程度隨母巖強度而變化,母巖強度越高,損傷程度越大,點荷載強度指數下降越明顯[17]。

2.4 含水率對點荷載強度指數的影響

2.4.1 點荷載強度損失率與含水率的關系

隧道洞渣不規則塊體點荷載強度損失率與含水率的相關性如圖7所示。由圖可知,隧道洞渣點荷載強度指數與含水率呈負相關,含水率越高,點荷載強度損失率越大。由表1可知,砂巖中含有石英、水云母等礦物,石英的水解作用會降低巖石顆粒間的黏聚力,水云母的黏土性質使其與自由水相互作用,發生軟化或溶解,降低膠結力,導致強度下降。因此,含水率對隧道洞渣強度具有重要影響。

圖7 隧道洞渣點荷載強度損失率與含水率相關性Fig. 7 Correlation between point load strength loss rate and water content of tunnel muck

點荷載強度指數損失率

(10)

式中:S損失率為隧道洞渣點荷載強度指數損失率,%;IS(50)損失前為隧道洞渣吸水前的點荷載強度指數,MPa;IS(50)損失后為隧道洞渣吸水后的點荷載強度指數,MPa。

點荷載強度指數損失率與含水率的擬合關系見式(11),可知隧道洞渣點荷載強度損失率與含水率高度線性相關,相關性系數R2=0.93。

S損失率=17.40ω+9.45。

(11)

式中ω為隧道洞渣含水率,%。

2.4.2 點荷載強度飽和損失率取值分析

隧道洞渣點荷載強度飽和損失率推薦取值見表4。點荷載強度飽和損失率表示隧道洞渣不規則塊體由烘干狀態到飽和狀態的點荷載強度損失率,點荷載飽和強度損失率與軟化系數之和為1。由表可知,不同巖性巖石飽和吸水率具有階段性特征;大部分巖石飽和吸水率在0.7%以下,點荷載強度損失率不超過25%,軟化系數高于0.75;飽和吸水率在0.08%～0.39%時,點荷載強度飽和損失率為5%～15%;飽和吸水率在0.40%～0.70%時,點荷載強度飽和損失率為15%～25%;飽和吸水率在2.0%～2.5%時,點荷載強度飽和損失率為45%～55%。取每一階段中位數為該階段隧道洞渣點荷載強度飽和損失率,即10%、20%、50%。參照《鐵路混凝土用機制砂》中軟化系數≥0.8的規定,軟化系數對于隧道洞渣不規則塊體點荷載強度飽和損失率應≤0.2,依據表4得隧道洞渣吸水率應≤0.7。

表4 點荷載強度飽和損失率推薦取值Table 4 Recommended values of saturation loss rate of point load strength

2.5 隧道洞渣飽和抗壓強度預測公式

獲得任意含水狀態下的隧道洞渣飽和點荷載強度指數,是實現快速評價隧道洞渣飽和抗壓強度的關鍵。隧道洞渣含水率與點荷載強度指數損失率具有高度線性相關性,因此,烘干狀態隧道洞渣點荷載強度指數可由任意含水狀態的隧道洞渣點荷載強度指數求得,如式(12)所示。

(12)

式中:Is(50)烘干為烘干狀態下隧道洞渣點荷載強度指數,MPa;Is(50)任意為任意含水狀態下的隧道洞渣點荷載強度指數,MPa。

依據表4中不同巖性隧道洞渣點荷載強度飽和損失率的推薦取值,可知飽和狀態的隧道洞渣點荷載強度指數

Is(50)飽和=Is(50)烘干(1-S飽和損失率)。

(13)

式中:Is(50)飽和為飽和狀態下隧道洞渣點荷載強度指數,MPa;S飽和損失率為烘干到飽和狀態下的隧道洞渣點荷載強度指數損失率,%。

聯立式(7)—(13)分別得到巖漿巖、沉積巖、變質巖的隧道洞渣飽和抗壓強度預測公式,如式(14)—(16)所示。

(14)

(15)

(16)

由式(14)—(16)可知,隧道洞渣飽和抗壓強度預測公式以不規則塊體點荷載強度指數、巖石含水率以及點荷載強度飽和損失率為參數,其優勢在于可以采用任意含水率的隧道洞渣預測其飽和抗壓強度,且無需對試樣進行飽和處理,有利于隧道洞渣制備機制砂石前的快速評價。

3 結論與建議

1)隧道洞渣不規則塊體點荷載強度指數與飽和抗壓強度線性相關性高,采用點荷載可以快速評價機制砂用隧道洞渣的飽和抗壓強度。建議不同巖性洞渣分類擬合點荷載強度指數與飽和抗壓強度之間的關系。

2)隨著隧道洞渣強度的提高,不規則塊體的點荷載強度指數與規則圓柱試樣之間的數值差異愈加明顯,當軸向點荷載強度指數小于8.0 MPa時,2種試樣數值接近;當軸向點荷載強度指數大于8.0 MPa時,應單獨試驗建立點荷載強度指數與飽和抗壓強度的相關性。

3)基于洞渣巖性提出了飽和狀態下點荷載強度指數損失率推薦值,建立了隧道洞渣飽和抗壓強度與點荷載強度指數、點荷載強度飽和損失率、含水率之間的關系式,對飽和抗壓強度≥60 MPa的洞渣母巖強度預測可靠度高,可實現無預飽水的機制砂用隧道洞渣飽和抗壓強度預測。

4)隧道洞渣巖性復雜、性能波動大,點荷載強度指數主要對機制骨料用隧道洞渣力學性能進行快速評價,但隧道洞渣有害物質含量、堿活性、堅固性和抗凍性等快速評價技術尚且空白,亟待開展相關研究,以確保洞渣機制骨料的品質。