風化凝灰熔巖物理和力學特性的試驗研究

章仕靈 鄧 濤

(1.成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000； 2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059； 3.福州大學土木工程學院，福建 福州 350108)

0 引言

在我國長江中下游中生代火山巖盆地和廣東、福建等東南大陸內廣泛分布著凝灰熔巖，同時凝灰熔巖也是我國中生代火山巖的重要構成部分。凝灰熔巖這類巖石的晶屑含量比較高，一般為30%～40%左右，黑云母0.4%～1%，石英為11%～14%，粗晶粒，龜裂紋發育，具強熔蝕現象[1]。凝灰熔巖的產狀一般較為平緩，巖性比較單一常發育有良好的柱狀節理，特別是緩傾斜乃至平臥柱狀節理[2]。總體來說，凝灰熔巖具有細微節理、結構較破碎、裂隙較發育，并易受外地質營力等自然力的侵蝕和溶蝕作用而發生風化。

多年來，國內外學者在對凝灰熔巖等不同巖石的力學特性等方面開展了較深入的研究工作，并取得了諸多研究成果。Richard和Qizhi Li[3]對美國內華達州地區的凝灰巖進行了室內單軸壓縮試驗，得出了其破壞時的峰值強度和割線彈性模量。S.OKUBO等[4]利用自行研制的伺服控制系統剛性試驗機完成了凝灰巖的室內巖石力學試驗，得到了全過程三軸壓縮應力—應變。朱合華、劉學增和路軍富等人[5-7]對凝灰熔巖等不同巖石進行了室內巖石力學試驗，也得出了不少有益的成果。

國內有關風化程度對凝灰熔巖力學特性影響的研究不足，幾乎尚未見正式報道。為了更好的為凝灰熔巖地區的工程設計、穩定性分析和施工等提供數據參考，論文以福建三高速新嶺格隧道為工程依托，嘗試著對風化凝灰熔巖的物理和力學特性進行試驗研究，并獲得了一些有益的認識和結論。

1 試驗研究

1.1 試驗概述

本次試驗所用巖樣試件取自福建泉三高速新嶺格隧道，根據《工程巖體試驗方法標準》[8]的規定，共制得36個50 mm×50 mm×100 mm的長方體標準試件(9件/組，共計4組)。單軸壓縮試驗的加載速度為0.75 MPa/s，試驗機采用YAW-2000型微機控制全自動恒應力壓力試驗機，加載控制方式為荷載控制方式。

1.2 風化程度對巖石吸水率的影響

根據試驗結果加以平均整理而來，得到圖1所示不同風化程度下，凝灰熔巖的飽和吸水率柱狀圖。由圖1可知，風化作用及風化程度對凝灰熔巖的飽和吸水率影響很大，隨著凝灰熔巖風化程度的增強，其飽和吸水率將急速增大，相鄰風化程度間飽和吸水率的增幅在0.1～2.3之間不等，其中強風化凝灰熔巖的飽和吸水率是未風化凝灰熔巖的26.2倍。

1.3 風化程度對抗壓強度的影響

根據《工程巖體分級標準》[9]國家規范的規定，推薦采用巖石飽和單軸抗壓強度標準值來確定巖石堅硬程度、圍巖級別和巖基承載力等。巖石飽和單軸抗壓強度標準值按下式計算：

Rck=φ·Rcm

(1)

(2)

(3)

其中，Rck為巖石飽和單軸抗壓強度標準值,MPa；Rcm為巖石飽和單軸抗壓強度平均值；φ為統計修正系數；δ為變異系數；n為試件個數；Rci為各試件的巖石飽和單軸抗壓強度值,MPa。

根據上述公式處理后，凝灰熔巖的單軸飽和抗壓強度標準值試驗結果見表1。從實驗結果來看，凝灰熔巖的單軸飽和抗壓強度受風化作用及風化程度的影響極為敏感，凝灰熔巖單軸抗壓強度標準值從約110 MPa減小至約30 MPa，減幅達72.7%，其中相鄰風化程度間凝灰熔巖的抗壓強度減幅在31.4%～48.2%，主要原因可能是由于隨著風化作用的加強減弱甚至破壞了凝灰熔巖原有巖石的晶粒本身和粒間連接，從而隨著風化程度的加深，巖石的力學強度會顯著降低。同時由試驗數據統計總結出，福建地區微風化～未風化凝灰熔巖的抗壓強度集中在70 MPa～110 MPa之間，屬于堅硬巖；強風化～中風化凝灰熔巖的抗壓強度集中在30 MPa～50 MPa之間，屬于較堅硬巖。

表1 不同風化程度下的凝灰熔巖力學試驗結果

1.4 風化程度對應力—應變曲線的影響

由于受試驗設備自身的能力制約，在試件達到峰值強度后，試件將發生突發性的破壞，試件被崩裂，只能得到半程應力—應變曲線。圖2為不同風化程度下的應力—應變半程曲線，每條相應的曲線是通過對同組9個試件試驗得到的曲線加以平均處理后繪制所得。由圖2可知，在不同風化程度下，凝灰熔巖的應力—應變曲線性狀大致可分為空隙裂隙壓密階段、彈性變形至微破裂穩定發展階段和塑性變形過渡至破裂這3個階段。加荷初期，該階段的軸向應力對于未風化和微風化凝灰熔巖約為0 MPa～20 MPa，對于中風化凝灰熔巖約為0 MPa～10 MPa，強風化凝灰熔巖約為0 MPa～5 MPa。隨著應力水平繼續增加，應力—應變曲線由直線過渡至向下彎曲，該階段的軸向應力對于強風化凝灰熔巖約為5 MPa～20 MPa，中風化凝灰熔巖約為10 MPa～50 MPa，微風化約為20 MPa～70 MPa，未風化約為20 MPa～100 MPa。隨著軸向應力繼續增加而應力—應變曲線斜率也就越來越小，當超過峰值強度后，試件就開始破裂直至破壞。

1.5 風化程度對峰值強度對應的應變等的影響

峰值強度對應的應變是各類工程設計和施工中需要重點關注的物理量，并要控制在合理的區間內，彈性模量和泊松比也是各類工程設計和施工中理論和數值計算必備的物理參數。由表1和圖2凝灰熔巖在不同風化程度下測得的力學試驗結果和峰值強度對應的應變關系可知，凝灰熔巖的力學效應對風化程度的影響很敏感，凝灰熔巖的彈性模量、泊松比及到達峰值強度所對應的應變與風化程度的強度基本成線性關系。微風化～未風化凝灰熔巖的彈性模量集中在65 GPa～80 GPa，泊松比集中在0.15～0.20；強風化～中風 化凝灰熔巖的彈性模量集中在10 GPa～30 GPa，泊松比集中在0.23～0.31。

1.6 風化程度對巖石破壞形式的影響

不同風化程度下，凝灰熔巖試件的破壞形式可分為X狀雙向剪切破壞(破壞面由兩個與水平面大致成45°+φ/2的對稱面組成)、單向剪切破壞為主的破壞、以軸向劈裂破壞(拉伸破壞)為主的破壞等。凝灰熔巖試件典型的破壞形式如圖3所示。

本次試驗結果顯示，凝灰熔巖試件的破壞形式與風化程度似乎不存在明顯的對應關系，表明凝灰熔巖的破壞形式不僅受風化作用影響，還可能比如受：材料自身的堅硬程度、微節理等初始缺陷、巖樣的尺寸大小、加載速率、巖樣兩端面的平整度以及加載板對巖樣的端部約束條件等影響。

2 風化凝灰熔巖強度變化規律分析

由上述試驗結果表明，風化作用和風化程度對凝灰熔巖的強度有深刻而明顯的影響，根據上述物理和力學試驗得到的數據，筆者嘗試著采用回歸分析方法中的邏輯斯蒂模型和對數方程總結出了飽和吸水率和抗壓強度之間的關系式，擬合出的公式反映出多元線性回歸的R平方值約為0.98，趨近于1，可靠度較高，比較符合文中所研究凝灰熔巖的試驗結果和力學性質，擬合公式如下所示：

Rc=1.028 7e0.822 7wsa-23.92ln(wsa)+42.36

(4)

其中，Rc為凝灰熔巖飽和單軸抗壓強度,MPa；wsa為凝灰熔巖飽和吸水率,%。

3 工程應用實例驗證

根據工程擬合結果公式(4)，未風化～強風化程度下，巖石的抗壓強度隨其飽和吸水率而變化的強度驗證結果見表2，同時也在同類地區的云中山隧道工程實例中得到很好地應用和進一步驗證，為該工程設計的及時變更和安全高效開挖掘進提供了理論支撐。

表2 風化凝灰熔巖在飽水狀態下的強度值

4 結語

1)凝灰熔巖的吸水率受風化作用的影響很大，隨著凝灰熔巖風化程度的增強，其飽和吸水率快速增大，其中強風化凝灰熔巖的吸水率是未風化凝灰熔巖的26.2倍。

2)凝灰熔巖的抗壓強度對風化程度極為敏感。隨著風化程度的增強，單軸抗壓強度相應減小。福建地區微風化～未風 化凝灰熔巖的抗壓強度集中在70 MPa～110 MPa，屬于堅硬巖；強風化～中風化凝灰熔巖的抗壓強度集中在30 MPa～50 MPa，屬于較堅硬巖。

3)單軸壓縮試驗結果表明：不同風化程度凝灰熔巖的應力—應變曲線形狀趨勢大致是相似的。大致可分為空隙裂隙壓密階段、彈性變形至微破裂穩定發展階段和塑性變形過渡至破裂等3個階段。

4)凝灰熔巖的力學效應受風化程度的影響很敏感，凝灰熔巖的彈性模量及到達峰值強度所對應的應變與風化作用的加深基本成線性降低關系。凝灰熔巖試件的破壞形式與風化程度不存在明顯的對應關系。

5)采用擬合出的公式計算出的強度結果可滿足一般工程的精度，且在文中同類工程中得到了初步應用，但需要后續工程的繼續驗證。