云南遮放地區柳灣組灰巖巖石強度測試方法研究

涂春霖，何茂源 ，鄒石林

(中國人民武裝警察部隊黃金第十支隊，云南 昆明 650100)

在工程地質調查中，巖石強度是重點關注的對象之一，為進行巖體質量等級評價的基礎。針對不同種類、不同風化程度的巖石，可運用各種不同的方法手段，得到巖石的強度特征。但在實際工作中，不同的試驗手段，得到的試驗結果會有一定的差別。柳灣組(J2l)灰巖在芒市遮放-勐戛一帶廣泛分布，其工程性質對當地工程建設、安全保障等有重要意義。本文通過回彈試驗、點荷載試驗和單軸抗壓強度試驗，研究柳灣組灰巖的巖石強度特征，同時總結各試驗方法的異同及其相互間的關系，為進一步工作奠定基礎。

1 工程地質研究背景

研究區中侏羅統柳灣組(J2l)出露于保山-昌寧地層區之保山分區，原建組地點為保山市柳灣[1]，為一套碳酸鹽巖和碎屑巖的混合沉積，在研究區呈北東向展布(圖1)。該組自下而上可分為三段。

中侏羅統柳灣組下段(J2l1)：為灰-青灰色中厚層狀生物碎屑灰巖、泥晶生物碎屑灰巖、生物碎屑泥晶灰巖(圖2a-c)；

中侏羅統柳灣組中段(J2l2)：為黃綠色、淺黃色、紫紅色、灰白色薄層狀泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖及細砂巖；

中侏羅統柳灣組上段(J2l3)：為青灰色中-厚層狀生物碎屑泥晶灰巖、泥晶生物碎屑鮞粒灰巖等(圖2d-f)；

本次試驗主要以中侏羅統柳灣組上、下段灰巖為研究對象，該套灰巖在區內分布較穩定，巖性相近，為微-中等風化，節理、裂隙也不太發育，可降低風化程度和巖石完整程度等因素對試驗結果的影響，增加試驗的可靠性。采樣位置如圖1所示，對同一套樣品進行了多種巖石強度試驗。

2 試驗原理及方法

2.1 回彈試驗

回彈試驗是現場測量回彈值，室內處理得到巖石單軸抗壓強度的一種現場實驗。本次試驗采用設備ZC3～A型混凝土回彈儀，按照規范要求，避開節理裂隙發育區域，現場測得巖石回彈數據(圖3a)，并經處理得到巖石的單軸抗壓強度。其操作方便，無需制備試樣，適用于野外的大部分區域[2]。

圖1 工作區地質簡圖及取樣位置

圖2 柳灣組灰巖巖石學特征

2.2 點荷載試驗

采用STDZ～3型的點荷載儀，在保證樣品新鮮出露且風化較輕的基礎上，每組采集16塊巖樣，用巖石切割機將巖樣切割為方塊體樣，其長(l)、寬(w)、高(h)應盡可能滿足l≥w≥h，試樣高度(h)一般控制50mm±3mm間。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(圖3 b)。當等價巖心直徑不為50mm時，巖石點荷載強度指數按下列公式計算：

式中，m為修正指數，取0.45。巖石單軸抗壓強度由下式進行換算：

Rc=22.82I0.75s(50)

Rc為巖石飽和單軸抗壓強度(MPa)[3-9]。

2.3 單軸抗壓強度試驗

本次選取強度較高、結構較完整且易制成標準圓柱樣(50mm×100 mm)的微風化的灰巖樣品，送國土資源部昆明礦產資源監督檢測中心，分別進行飽和及干燥的標準單軸抗壓強度測試[10-13](圖3c)。

圖3 柳灣組灰巖巖石強度試驗

3 實驗結果及分析

3.1 巖石試驗結果

3.1.1 回彈試驗結果

對研究區柳灣組灰巖進行了8組回彈試驗，其結果如表1所示。據表可知，通過回彈試驗，測得研究區柳灣組灰巖單軸抗壓強度在50～60Mpa之間，平均56Mpa左右，整體顯示為較堅硬巖。

3.1.2 點荷載試驗

在研究區柳灣組采取了7組點荷載試驗樣品，每組16件～20件，試驗結果如表2所示。點荷載試驗測得巖石單軸抗壓強度在43.5～57.2Mpa之間，平均52Mpa左右，顯示為較堅硬巖。在測試過程中，少數樣品可能會受到巖石微裂隙的影響，導致測試值偏低。

3.1.3 單軸抗壓強度試驗

本次在柳灣組采取了4組單軸抗壓強度灰巖樣品，每組10塊，分別進行飽和及干燥的單軸抗壓強度測試，結果如表3所示。巖石單軸抗壓強度集中在33～60Mpa之間，平均47Mpa左右，顯示為較堅硬巖。少數樣品測試值偏低，可能受裂隙或實驗過程中人為因素影響。

表1 柳灣組灰巖回彈試驗結果

表2 柳灣組灰巖點荷載試驗結果

表3 柳灣組灰巖單軸抗壓強度試驗結果

3.2 試驗結果分析

圖4 柳灣組灰巖各試驗強度相關關系圖Fig 4.Correlation of 3 Testing Results of Intensity of Liuwan Formation Limestone

由以上試驗結果可知，巖石回彈試驗、點荷載試驗和單軸抗壓強度試驗都顯示為較堅硬巖，但測得的Rc值有一定的差異。其中，回彈試驗平均值為56Mpa左右，點荷載試驗平均值為52Mpa左右，單軸抗壓強度試驗平均值47Mpa左右。和室內標準的單軸抗壓強度測試相比，回彈試驗和點荷載試驗數據仍有5-10Mpa的差距。為提高試驗精度，得到更準確的巖石強度特征，現分別探討回彈試驗、點荷載試驗和單軸抗壓強度試驗之間的關系。

3.2.1 回彈試驗值與點荷載試驗值之間的關系

在試驗過程中，回彈試驗和點荷載試驗值都是隨機的，選取同一層位巖石回彈試驗和點荷載試驗數據，將其由小到大排序后一一對應，以回彈強度為橫坐標，點荷載強度為縱坐標，投點得到其散點分布圖(圖4 a)。通過回歸分析，兩者表現出多項式的關系，其相關關系為Y=0.1X2-9.5X+250，相關系數為 R2=0.894，擬合程度較高。

3.2.2 回彈試驗值與單軸抗壓強度值之間的關系

將回彈試驗數據和單軸抗壓強度測試結果擬合，得到柳灣組灰巖回彈-單軸抗壓試驗強度關系圖(圖4b)，通過回歸分析，兩者為多項式關系，其相關關系為Y=0.14X2-12X+290，相關系數為 R2=0.934，擬合程度較高。

3.2.3 點荷載試驗值與單軸抗壓強度值之間的關系

將點荷載實驗數據和單軸抗壓強度測試結果擬合，得到柳灣組灰巖點荷載-單軸抗壓試驗強度關系圖(圖4c)，兩者同樣近多項式關系，Y=0.08X2-5.4X+120，相關系數為 R2=0.945，擬合程度較高。

4 討論

從以上分析可知，對于微風化的柳灣組灰巖，三種試驗方法都具有適用性，并且存在一定的線性關系，相關系數基本在0.9以上，擬合程度均較好，可利用該經驗公式對回彈和點荷載試驗數據進行校正，以得到更精確的強度特征。

由于巖石類型、巖石風化程度、節理裂隙發育程度等的不同，可能對三種試驗之間的經驗公式產生一定甚至很大影響，因此，在實際工作中，不應拘泥于單一的經驗公式，應根據實際情況，對不同種類、不同風化程度巖石，采取不同試驗手段以得到其經驗公式，再用該經驗公式進行抗壓強度的換算和校正。

總的來說，室內標準的單軸抗壓試驗最為精確，但取樣困難，成本較高，操作復雜，不利于大面積展開，可適當采取一定樣品，作為標定試驗；回彈試驗方便簡潔，利于操作，雖試驗結果不夠精確，受各種因素影響較大，但可通過地區經驗公式換算得到較為精確的數值，以了解測區巖石的大致特征，可大面積開展；點荷載試驗取樣相對簡單，測試結果較回彈試驗精確，可根據現場情況采取一定數量的樣品，通過三種方法的有機結合，可得到區域內巖石地層的較準確的強度特征。

5 結論

(1)對柳灣組灰巖分別進行回彈試驗、點荷載試驗和單軸抗壓強度試驗，測試結果大致相當，顯示巖石強度在47～56Mpa之間，均為較堅硬巖類，但結果有一定差異。

(2)對三種試驗方法取得的結果進行相關性分析，顯示三者呈多項式的關系，相關系數均在0.9及以上，可利用該經驗公式換算得到較準確的單軸抗壓強度值。

(3)在實際工作中，建議廣泛采取三種方法結合的手段，大范圍開展回彈試驗，進行適當的點荷載試驗，采取少量的單軸抗壓強度試驗，以獲取區域內巖石強度特征。