基于點荷載試驗武當(dāng)群片巖的風(fēng)化分組及強度特性研究

張 宇，干 泉，余 飛，陳善雄

（1. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2. 中機三勘巖土工程有限公司，武漢 430030）

1 引 言

點荷載試驗具有現(xiàn)場操作簡單、取樣要求不高和試驗周期短等特點，在巖土工程中得到越來越多的應(yīng)用[1]，對于在試驗室難以制樣測試強度的全～強風(fēng)化巖石有著重要的意義。巖石強度是反映巖石力學(xué)和材料性質(zhì)的重要指標(biāo)，雖然許多學(xué)者針對不同巖石進行過大量的點荷載試驗研究，但沒有關(guān)于含有大量云母、石英、鈉長石等多種礦物質(zhì)呈片狀構(gòu)造和變晶結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙極度發(fā)育的武當(dāng)群片巖（絹云鈉長石英片巖）的研究，因此，確立劃分該種片巖風(fēng)化程度的標(biāo)準(zhǔn)值以及關(guān)于其強度方面的研究非常有必要。

本次利用點荷載試驗的方法，確定（Pt2wd）片巖風(fēng)化分組Is取值區(qū)間，討論片巖沿不同方向的強度差異特性，結(jié)合現(xiàn)場點荷載試驗和室內(nèi)單軸抗壓強度試驗的測試結(jié)果，給出適合鄂西北地區(qū)武當(dāng)群片巖的點荷載強度與單軸抗壓強度的經(jīng)驗關(guān)系式。

2 試驗原理及方案

2.1 工程背景

湖北省西北部昆侖秦嶺地層區(qū)之武當(dāng)山小區(qū)，構(gòu)造上歸屬南秦嶺印支造山帶東南段，廣泛分布全風(fēng)化、強風(fēng)化、中等風(fēng)化的中元古界地層武當(dāng)（巖）群（Pt2Wd），擬建的十堰至白河高速公路穿過該地區(qū)。本次試驗以絹云鈉長石英片巖為對象，該片巖的片理產(chǎn)狀 310°∠70°，節(jié)理裂隙極度發(fā)育，含有大量云母、石英、鈉長石等多種礦物質(zhì)，呈片狀構(gòu)造和變晶結(jié)構(gòu)。

2.2 點荷載現(xiàn)場試驗

2.2.1 Pt2wd片巖風(fēng)化分組試驗

根據(jù)鄂西北地區(qū)武當(dāng)群地質(zhì)勘查資料，按照片巖的不同風(fēng)化程度特征在該地區(qū)不同的山嶺邊坡大量取樣，由于全風(fēng)化巖石結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，所以精心挑選代表性好的強風(fēng)化80枚和中等風(fēng)化60枚片巖。將試樣表面打磨平整，制成的試件為不規(guī)則形狀，要求試樣長度不超過 100 mm，高度和寬度均不超過50 mm，且保證長≥寬≥高[2]。將試樣置于上下兩個球端圓臺狀加荷器之間，施加垂直荷載使試件破壞，即可求得試件的點荷載強度[3]。依據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》[4]點荷載試驗方法，利用卡尺或儀器立柱上的標(biāo)尺，量得兩壓頭間距離為D和通過壓頭接觸點平面的最小橫截面積 A，求出等價直徑De，破壞荷載為P。點荷載強度指數(shù)為

2.2.2 Pt2wd片巖各向異性試驗

取層理較清晰的中等風(fēng)化片巖各 20枚，沿垂直于層面方向和平行于層面方向進行點荷載試驗，討論Pt2wd片巖的沿不同方向的強度差異性。利用試驗中測得的平行于巖層和垂直于巖層的點荷載強度，計算出（Pt2Wd）片巖的各向異性指數(shù)Ia：

式中：IS(50)為垂直于巖石層面的巖石點荷載強度指數(shù)平均值（MPa）；為平行于巖石層面的巖石點荷載強度指數(shù)平均值（MPa）。

2.3 室內(nèi)單軸抗壓強度試驗

選取強度較高、結(jié)構(gòu)較完整且易制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣（50 mm×100 mm）的中等風(fēng)化的絹云鈉長石英片巖（21組），進行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的單軸抗壓強度測試，并利用點荷載試驗的方法測，試該批巖樣垂直于巖層方向的點荷載強度指數(shù)。

3 點荷載試驗結(jié)果及分析

點荷載測試有眾多的優(yōu)點，不僅能在現(xiàn)場簡易快速測試巖石強度，還能對常規(guī)試驗不易測試的軟巖與嚴(yán)重風(fēng)化巖石的強度進行測定，也是一種確定巖石風(fēng)化分帶的方法。但是，這種方法存在試件狀況，計算公式，數(shù)據(jù)的取舍，數(shù)值的可信度以及操作計算等問題，與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗得的結(jié)果相比，還有待進行研究和探討[5]。下面對 Pt2wd片巖風(fēng)化分組和各向異性的試驗結(jié)果進行分析。

3.1 Pt2wd片巖點荷載強度分布規(guī)律

根據(jù)章節(jié)2.2.1中關(guān)于強風(fēng)化（80枚）和中等風(fēng)化（60枚）Pt2wd片巖沿垂直于巖層方向的點荷載試驗結(jié)果，并結(jié)合式（1），計算出兩種風(fēng)化片巖的 IS值，再將各自得到的大量 IS值做概率分布統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示。圖中，樣本頻率為某一段總荷載強度值范圍內(nèi)該種風(fēng)化巖樣所占個數(shù)。由圖可以發(fā)現(xiàn)，強風(fēng)化（80枚）和中等風(fēng)化（60枚）片巖的點荷載強度值服從正態(tài)分布：強風(fēng)化片巖IS值區(qū)域為[0.015，1.012]，均值為0.20 MPa，方差為0.19，點荷載強度值置信區(qū)間為[0.1，0.39]，置信度為0.85。中等風(fēng)化片巖IS值區(qū)域為[0.097，8.710]，均值為 1.51 MPa，方差為 1.33，置信區(qū)間為[0.18，2.85]，置信度為0.90。兩種風(fēng)化類型的片巖，數(shù)據(jù)的離散性很小，大部分片巖的強度值都集中在均值附近且置信度較高。

圖1 風(fēng)化巖IS值分布規(guī)律圖Fig.1 Weathered rock Is distribution charts

3.2 Pt2wd片巖風(fēng)化分組

針對不同地區(qū)不同的巖石種類，國內(nèi)外也有部分學(xué)者利用過點荷載的方法來確定巖體的風(fēng)化分帶，并且在《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[6]中也有提到可以利用點荷載試驗確定巖體風(fēng)化類型，因此，點荷載強度劃分巖石風(fēng)化程度的方法是值得肯定的。下面列出國內(nèi)外部分學(xué)者利用點荷載強度劃分巖石風(fēng)化類型的IS值作為參考，見表1[7]。

表1 點荷載強度指標(biāo)劃分巖體風(fēng)化帶的界限值表Table1 Point load strength index of rock mass weathering zone of divided threshold table

根據(jù)章節(jié)3.1中關(guān)于強風(fēng)化和中等風(fēng)化（Pt2Wd）片巖點荷載強度分布規(guī)律情況，結(jié)合鄂西北地區(qū)武當(dāng)群地質(zhì)勘察情況，可以準(zhǔn)確地確定出鄂西北地區(qū)武當(dāng)群（Pt2Wd）片巖風(fēng)化分組，見表2。

表2 絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）風(fēng)化分組表Table2 Weathering grouping of sericite(muscovite)-albite-quartz schist (Pt2Wd)

表2中，關(guān)于利用點荷載強度IS值的范圍確定巖石風(fēng)化類型的情況，是基于武當(dāng)山巖群絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）點荷載試驗結(jié)果。由表1可見，國內(nèi)外學(xué)者基本也是采用點荷載強度IS值作為巖體風(fēng)化分帶的方法。對比表1和表2可知，表2中確定的關(guān)于絹云鈉長石英片巖的全風(fēng)化帶的界限值與表1的統(tǒng)計結(jié)果相差不大，強風(fēng)化和中等風(fēng)化帶的IS界限值比表1相同風(fēng)化類型要低，接近閃云斜長花崗巖和結(jié)晶片巖的界限值。表1、2反映出不同地區(qū)不同類型風(fēng)化巖石，根據(jù)點荷載強度進行風(fēng)化分組的差異性比較大。表2中給出的是關(guān)于結(jié)構(gòu)物質(zhì)組成復(fù)雜，節(jié)理裂隙極度發(fā)育，變晶結(jié)構(gòu)的特殊片巖的具體研究結(jié)果。

3.3 片巖的各項異性指數(shù)分析

由表2可見，該地區(qū)片巖風(fēng)化嚴(yán)重，片巖層狀紋理極度發(fā)育，呈片狀構(gòu)造和變晶結(jié)構(gòu)，點荷載強度值較低。為了研究該種片巖沿不同方向點荷載強度的差異性，根據(jù)章節(jié) 2.2.2中的實驗方案進行各向異性的點荷載試驗，結(jié)果見表 3。由表可見，沿兩個方向得到的 IS(50)差異性非常大，通過橫向比較，兩者的數(shù)量級相差102～104。垂直于層面方向加載20組片巖的IS(50)平均值為1.224 MPa，平行于層面方向IS(50)平均值為0.0007。最后，根據(jù)式（2）可以得到武當(dāng)山巖群絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）的各項異性指數(shù)Ia=1.7×103，Ia非常大，說明該片巖沿不同方向的強度差異性非常大。這是由于沿層面方向的風(fēng)化非常嚴(yán)重，裂隙高度發(fā)育，導(dǎo)致弱面強度非常低，而沿層理面方向的強度主要來源于片理層之間的膠結(jié)強度，這并不能反映該種片巖本身力學(xué)特性。綜上說明，武當(dāng)群片巖的強度特征描述應(yīng)該以垂直于層面方向的強度為主，試驗得到的Ia值進一步反映該片巖沿不同方向強度差異性和節(jié)理裂隙極度發(fā)育的特征，也為認識武當(dāng)群片巖的力學(xué)性質(zhì)提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表3 沿片巖層面不同方向加載的點荷載強度值對比Table3 Schist point load strength comparison of different direction loads

4 片巖點荷載強度指數(shù)與單軸抗壓強度的關(guān)系

對于利用點荷載試驗成果預(yù)估單軸抗壓強度的研究，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者做了大量的工作，由于點荷載強度指數(shù)受試驗的環(huán)境、巖石的類型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、含水狀態(tài)、試驗尺寸的影響都很大，許多專家研究的角度不同，得出的結(jié)果也不同。例如，國外的布勞奇和富蘭克林對 15種巖石進行對比試驗的結(jié)果為：單軸抗壓強度為點荷載強度指數(shù)的23.7倍，對不同類型的巖石或各向異性巖石，其比值可變化在巧 15～50之間，顯然不同的巖石其比值變化范圍是很大的[8]。我國《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：Rc=22.82 （IS(50)）0.75。

根據(jù)章節(jié) 2.3中關(guān)于利用容易制樣的中等風(fēng)化的絹（白）云鈉長石英片巖（Pt2Wd）進行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的單軸抗壓強度測試，擬合出21組試驗得到的點荷載強度IS與其單軸抗壓強度Rc的關(guān)系，如圖2所示。將圖2中21組絹云鈉長石英片巖的點荷載強度IS（0.519～1.881 MPa）和單軸抗壓強度Rc（9.96～35.48 MPa）進行統(tǒng)計和計算，得到兩者關(guān)系為Rc=21.56IS，利用回歸分析得到相關(guān)關(guān)系系數(shù)R2= 0.88，得到的該擬合公式與國家規(guī)范中規(guī)定 Rc=22.82（IS(50)）0.75相比，更加簡潔，且更適用于實際的武當(dāng)山區(qū)絹云鈉長石英片巖點荷載與抗壓強度之間的關(guān)系。

圖2 絹（白）云鈉長石英片巖點荷載強度與單軸抗壓強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between point load strength and uniaxial compressive strength of sericite(muscovite)-albite-quartz schist

5 結(jié) 論

（1）鄂西北地區(qū)武當(dāng)群（Pt2Wd）片巖的點荷載強度值（垂直巖層）離散性很小，且服從正態(tài)分布：強風(fēng)化片巖 IS值區(qū)域方差為 0.19，置信度為0.85；中等風(fēng)化片巖IS值區(qū)域方差為1.33，置信度為 0.90。全風(fēng)化片巖的點荷載強度值區(qū)間：小于0.1 MPa；強風(fēng)化的點荷載值區(qū)間為0.1～0.4 MPa，中等風(fēng)化的點荷載值區(qū)間為0.5～3.0 MPa。

（2）武當(dāng)山巖群絹云鈉長石英片巖（Pt2Wd）的強度特征以垂直于層面的強度為主，該種節(jié)理裂隙極度發(fā)育的片巖的各向異性指數(shù)Ia=1.7×103。

（3）通過對點荷載強度值與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的單軸抗壓強度值進行數(shù)據(jù)分析，給出一個更適用于武當(dāng)山區(qū)的絹云鈉長石英片巖點荷載強度與單軸抗壓強度之間的關(guān)系式為Rc= 21.56IS。

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