云南遮放地区柳湾组灰岩岩石强度测试方法研究

涂春霖，何茂源 ，邹石林

(中国人民武装警察部队黄金第十支队，云南 昆明 650100)

在工程地质调查中，岩石强度是重点关注的对象之一，为进行岩体质量等级评价的基础。针对不同种类、不同风化程度的岩石，可运用各种不同的方法手段，得到岩石的强度特征。但在实际工作中，不同的试验手段，得到的试验结果会有一定的差别。柳湾组(J2l)灰岩在芒市遮放-勐戛一带广泛分布，其工程性质对当地工程建设、安全保障等有重要意义。本文通过回弹试验、点荷载试验和单轴抗压强度试验，研究柳湾组灰岩的岩石强度特征，同时总结各试验方法的异同及其相互间的关系，为进一步工作奠定基础。

1 工程地质研究背景

研究区中侏罗统柳湾组(J2l)出露于保山-昌宁地层区之保山分区，原建组地点为保山市柳湾[1]，为一套碳酸盐岩和碎屑岩的混合沉积，在研究区呈北东向展布(图1)。该组自下而上可分为三段。

中侏罗统柳湾组下段(J2l1)：为灰-青灰色中厚层状生物碎屑灰岩、泥晶生物碎屑灰岩、生物碎屑泥晶灰岩(图2a-c)；

中侏罗统柳湾组中段(J2l2)：为黄绿色、浅黄色、紫红色、灰白色薄层状泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩及细砂岩；

中侏罗统柳湾组上段(J2l3)：为青灰色中-厚层状生物碎屑泥晶灰岩、泥晶生物碎屑鲕粒灰岩等(图2d-f)；

本次试验主要以中侏罗统柳湾组上、下段灰岩为研究对象，该套灰岩在区内分布较稳定，岩性相近，为微-中等风化，节理、裂隙也不太发育，可降低风化程度和岩石完整程度等因素对试验结果的影响，增加试验的可靠性。采样位置如图1所示，对同一套样品进行了多种岩石强度试验。

2 试验原理及方法

2.1 回弹试验

回弹试验是现场测量回弹值，室内处理得到岩石单轴抗压强度的一种现场实验。本次试验采用设备ZC3～A型混凝土回弹仪，按照规范要求，避开节理裂隙发育区域，现场测得岩石回弹数据(图3a)，并经处理得到岩石的单轴抗压强度。其操作方便，无需制备试样，适用于野外的大部分区域[2]。

图1 工作区地质简图及取样位置

图2 柳湾组灰岩岩石学特征

2.2 点荷载试验

采用STDZ～3型的点荷载仪，在保证样品新鲜出露且风化较轻的基础上，每组采集16块岩样，用岩石切割机将岩样切割为方块体样，其长(l)、宽(w)、高(h)应尽可能满足l≥w≥h，试样高度(h)一般控制50mm±3mm间。将试样置于上下两个球端圆台状加荷器之间，施加垂直荷载使试件破坏，即可求得试件的点荷载强度(图3 b)。当等价岩心直径不为50mm时，岩石点荷载强度指数按下列公式计算：

式中，m为修正指数，取0.45。岩石单轴抗压强度由下式进行换算：

Rc=22.82I0.75s(50)

Rc为岩石饱和单轴抗压强度(MPa)[3-9]。

2.3 单轴抗压强度试验

本次选取强度较高、结构较完整且易制成标准圆柱样(50mm×100 mm)的微风化的灰岩样品，送国土资源部昆明矿产资源监督检测中心，分别进行饱和及干燥的标准单轴抗压强度测试[10-13](图3c)。

图3 柳湾组灰岩岩石强度试验

3 实验结果及分析

3.1 岩石试验结果

3.1.1 回弹试验结果

对研究区柳湾组灰岩进行了8组回弹试验，其结果如表1所示。据表可知，通过回弹试验，测得研究区柳湾组灰岩单轴抗压强度在50～60Mpa之间，平均56Mpa左右，整体显示为较坚硬岩。

3.1.2 点荷载试验

在研究区柳湾组采取了7组点荷载试验样品，每组16件～20件，试验结果如表2所示。点荷载试验测得岩石单轴抗压强度在43.5～57.2Mpa之间，平均52Mpa左右，显示为较坚硬岩。在测试过程中，少数样品可能会受到岩石微裂隙的影响，导致测试值偏低。

3.1.3 单轴抗压强度试验

本次在柳湾组采取了4组单轴抗压强度灰岩样品，每组10块，分别进行饱和及干燥的单轴抗压强度测试，结果如表3所示。岩石单轴抗压强度集中在33～60Mpa之间，平均47Mpa左右，显示为较坚硬岩。少数样品测试值偏低，可能受裂隙或实验过程中人为因素影响。

表1 柳湾组灰岩回弹试验结果

表2 柳湾组灰岩点荷载试验结果

表3 柳湾组灰岩单轴抗压强度试验结果

3.2 试验结果分析

图4 柳湾组灰岩各试验强度相关关系图Fig 4.Correlation of 3 Testing Results of Intensity of Liuwan Formation Limestone

由以上试验结果可知，岩石回弹试验、点荷载试验和单轴抗压强度试验都显示为较坚硬岩，但测得的Rc值有一定的差异。其中，回弹试验平均值为56Mpa左右，点荷载试验平均值为52Mpa左右，单轴抗压强度试验平均值47Mpa左右。和室内标准的单轴抗压强度测试相比，回弹试验和点荷载试验数据仍有5-10Mpa的差距。为提高试验精度，得到更准确的岩石强度特征，现分别探讨回弹试验、点荷载试验和单轴抗压强度试验之间的关系。

3.2.1 回弹试验值与点荷载试验值之间的关系

在试验过程中，回弹试验和点荷载试验值都是随机的，选取同一层位岩石回弹试验和点荷载试验数据，将其由小到大排序后一一对应，以回弹强度为横坐标，点荷载强度为纵坐标，投点得到其散点分布图(图4 a)。通过回归分析，两者表现出多项式的关系，其相关关系为Y=0.1X2-9.5X+250，相关系数为 R2=0.894，拟合程度较高。

3.2.2 回弹试验值与单轴抗压强度值之间的关系

将回弹试验数据和单轴抗压强度测试结果拟合，得到柳湾组灰岩回弹-单轴抗压试验强度关系图(图4b)，通过回归分析，两者为多项式关系，其相关关系为Y=0.14X2-12X+290，相关系数为 R2=0.934，拟合程度较高。

3.2.3 点荷载试验值与单轴抗压强度值之间的关系

将点荷载实验数据和单轴抗压强度测试结果拟合，得到柳湾组灰岩点荷载-单轴抗压试验强度关系图(图4c)，两者同样近多项式关系，Y=0.08X2-5.4X+120，相关系数为 R2=0.945，拟合程度较高。

4 讨论

从以上分析可知，对于微风化的柳湾组灰岩，三种试验方法都具有适用性，并且存在一定的线性关系，相关系数基本在0.9以上，拟合程度均较好，可利用该经验公式对回弹和点荷载试验数据进行校正，以得到更精确的强度特征。

由于岩石类型、岩石风化程度、节理裂隙发育程度等的不同，可能对三种试验之间的经验公式产生一定甚至很大影响，因此，在实际工作中，不应拘泥于单一的经验公式，应根据实际情况，对不同种类、不同风化程度岩石，采取不同试验手段以得到其经验公式，再用该经验公式进行抗压强度的换算和校正。

总的来说，室内标准的单轴抗压试验最为精确，但取样困难，成本较高，操作复杂，不利于大面积展开，可适当采取一定样品，作为标定试验；回弹试验方便简洁，利于操作，虽试验结果不够精确，受各种因素影响较大，但可通过地区经验公式换算得到较为精确的数值，以了解测区岩石的大致特征，可大面积开展；点荷载试验取样相对简单，测试结果较回弹试验精确，可根据现场情况采取一定数量的样品，通过三种方法的有机结合，可得到区域内岩石地层的较准确的强度特征。

5 结论

(1)对柳湾组灰岩分别进行回弹试验、点荷载试验和单轴抗压强度试验，测试结果大致相当，显示岩石强度在47～56Mpa之间，均为较坚硬岩类，但结果有一定差异。

(2)对三种试验方法取得的结果进行相关性分析，显示三者呈多项式的关系，相关系数均在0.9及以上，可利用该经验公式换算得到较准确的单轴抗压强度值。

(3)在实际工作中，建议广泛采取三种方法结合的手段，大范围开展回弹试验，进行适当的点荷载试验，采取少量的单轴抗压强度试验，以获取区域内岩石强度特征。