炭质板岩点荷载强度与单轴抗压强度的对比分析

王 斌，刘志强

(中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

炭质板岩点荷载强度与单轴抗压强度的对比分析

王 斌，刘志强

(中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

点荷载试验是测试岩石强度值的一种试验，该方法具有简便、经济的特点，但对软弱围岩而言，根据规范通过点荷载值计算的岩石单轴抗压强度值偏大。针对炭质板岩为主的软岩进行点荷载和单轴抗压强度对比试验，通过回归分析得出两者的修正关系式，从而更为准确地表达岩石的单轴抗压强度值。

点荷载；单轴抗压强度；软岩

在新建兰渝铁路木寨岭隧道中，遇到以二叠系板岩、炭质板岩为主的软弱围岩，加上高地应力的环境，在隧道修建过程中经常发生大变形，最大变形值达到1m多，被铁道部列为极高风险隧道，因而对隧道大变形的预测显得十分重要。由于岩石属于软弱围岩，且节理发育，因而要取得岩石单轴抗压强度试验样本比较困难。为此，笔者采用点荷载试验来代替单轴抗压试验，通过公式换算间接取得岩石的单轴抗压强度值。由于目前《工程岩体分级标准》(GB50218-94)采用的公式是综合各种岩性的强度指标后拟合而得到的，对于软岩其计算值往往偏大[1]，因此对现场岩石取样，同时进行点荷载和单轴抗压强度试验，以此确定两者之间的关系[2]，从而为后续研究提供依据。

1 点荷载试验

点荷载采用SD-1型数码点荷载仪，该点荷载仪可以显示岩石破坏时的压力值，量程为30MPa。在刚开挖的隧道掌子面采集6组试件(同时另外采集3组制作单轴抗压试验试验样品)，木寨岭隧道以炭质板岩和板岩为主，岩体破碎，不利于试件的加工，通常选用不规则的试样，尽可能保证采集的岩块呈近似长方体状，保证长(L)、宽(W)、高(h)之间满足L≥W≥h，试件高度(h)一般控制在0.5～10cm，试件加荷点附近的岩面平整。试验加载时垂直结构面进行点荷载强度试验，将测得的6组数据中的最高值和最低值去掉，取剩下4组数据的算术平均值作为该组岩石的点荷载强度。

按下式计算非标准岩石试件的点荷载强度：

(1)

式中，Is为试件点荷载强度，MPa；P为试件破坏时总荷载，kN；De为等效岩芯直径，即与破坏面面积相等的圆的直径，mm。

根据文献[3]中点荷载强度试验的规定，由Is值得到直径为50mm 标准试件的点荷载强度值Is(50)：

(2)

式中，F为尺寸修正系数；m为由同类岩石的经验值确定，一般可取0.45。

根据文献[3]计算岩石强度RIs：

(3)

2 单轴抗压试验

在与点荷载试验样本同一地点采集岩石样本，加工成50mm×50mm×50mm立方体进行单轴抗压强度试验，试验采用SYE-2000压力试验机，该试验机能自动记录岩石破坏时最大压力值。

图1 点荷载强度对比

现场开挖时岩石表面均较湿润，根据点荷载浸水试验结果(见图1)，岩石在饱和含水时其点荷载强度急剧降低，下降幅度通常在50%左右，最大可达80%以上，岩石样本在浸水后也容易出现离析和崩解，因而测得饱和抗压强度值比较困难，故试验采用天然含水状态下的岩石试件进行试验，所取得的强度值也是代表自然含水状态下单轴抗压强度值。

每组试验取3组试件，舍去结果中偏差较大值后的平均值作为该组岩石的单轴抗压强度值。岩石的抗压强度按下式计算：

(4)

表1 点荷载强度及抗压强度值

式中，R为岩石的抗压强度,MPa；P为试件破坏时的荷载,N；A为试件的截面积,mm2。

3 试验结果

通过试验，得到有效数据17组，结果如表1所示。

从表1可以看出，通过点荷载值计算得到的RIs值均偏大，两者比值(RIs/R)范围在1.5～2.5之间，说明规范通用的计算公式并不能很好地反映软岩的真实抗压强度，因此必须对其进行修正。进一步分析表中数据发现，无论单轴抗压强度R与点荷载值比值R/Is(50)或者比值RIs/R的范围均比较集中，具有较好的线性相关性，因而根据该趋势分别作散点图(见图2和图3)。

对图2进行回归分析得到如下方程：

RIs=0.6231RIs-2.7327

(5)

对图3进行回归分析得到如下方程：

RIs=8.7854Is(50)+3.3033

(6)

图2 R-RIs散点图 图3 R-Is(50)散点图

对式(6)和式(7)采用散点数据与方程式计算值之间的相关系数来描述其相关性，计算得到相关系数分别为0.8913和0.8919。因为式(6)和式(7)均是利用点荷载测试值来计算岩石单轴抗压强度，所以上述公式拟合结果差别不大，且较采用文献[4]中的公式得到的结果更接近实际值。

4 结 语

通过木寨岭隧道现场测试发现，规范中采用的岩石点荷载与单轴抗压强度之间的关系式对于炭质板岩这一类软岩并不适用，为此对岩石取样进行点荷载试验与单轴抗压强度的对比试验。研究表明，采用规范公式通过岩石点荷载值计算得到的岩石单轴抗压强度偏大(RIs/R比值范围在1.5～2.5之间)，通过试验数据分析得到炭质板岩的回归公式，利用该公式能较好地估算其单轴抗压强度值。

[1]张显良,黄奇文,陈彦群,等.利用点荷载仪测试软岩力学性质的研究[J].露天采矿技术,2005(2):26-28.

[2]胡庆华.岩石点荷载试验与标准抗压强度的相关关系[J].水利水电技术,1997,28(10):24-26.

[3]GB50218-94,工程岩体分级标准[S].

[4]JTGE41-2005,公路工程岩石试验规程[S].

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.11.050

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16731409(2012)11N15302