风化凝灰熔岩物理和力学特性的试验研究

章仕灵 邓 涛

(1.成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000； 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 3.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

在我国长江中下游中生代火山岩盆地和广东、福建等东南大陆内广泛分布着凝灰熔岩，同时凝灰熔岩也是我国中生代火山岩的重要构成部分。凝灰熔岩这类岩石的晶屑含量比较高，一般为30%～40%左右，黑云母0.4%～1%，石英为11%～14%，粗晶粒，龟裂纹发育，具强熔蚀现象[1]。凝灰熔岩的产状一般较为平缓，岩性比较单一常发育有良好的柱状节理，特别是缓倾斜乃至平卧柱状节理[2]。总体来说，凝灰熔岩具有细微节理、结构较破碎、裂隙较发育，并易受外地质营力等自然力的侵蚀和溶蚀作用而发生风化。

多年来，国内外学者在对凝灰熔岩等不同岩石的力学特性等方面开展了较深入的研究工作，并取得了诸多研究成果。Richard和Qizhi Li[3]对美国内华达州地区的凝灰岩进行了室内单轴压缩试验，得出了其破坏时的峰值强度和割线弹性模量。S.OKUBO等[4]利用自行研制的伺服控制系统刚性试验机完成了凝灰岩的室内岩石力学试验，得到了全过程三轴压缩应力—应变。朱合华、刘学增和路军富等人[5-7]对凝灰熔岩等不同岩石进行了室内岩石力学试验，也得出了不少有益的成果。

国内有关风化程度对凝灰熔岩力学特性影响的研究不足，几乎尚未见正式报道。为了更好的为凝灰熔岩地区的工程设计、稳定性分析和施工等提供数据参考，论文以福建三高速新岭格隧道为工程依托，尝试着对风化凝灰熔岩的物理和力学特性进行试验研究，并获得了一些有益的认识和结论。

1 试验研究

1.1 试验概述

本次试验所用岩样试件取自福建泉三高速新岭格隧道，根据《工程岩体试验方法标准》[8]的规定，共制得36个50 mm×50 mm×100 mm的长方体标准试件(9件/组，共计4组)。单轴压缩试验的加载速度为0.75 MPa/s，试验机采用YAW-2000型微机控制全自动恒应力压力试验机，加载控制方式为荷载控制方式。

1.2 风化程度对岩石吸水率的影响

根据试验结果加以平均整理而来，得到图1所示不同风化程度下，凝灰熔岩的饱和吸水率柱状图。由图1可知，风化作用及风化程度对凝灰熔岩的饱和吸水率影响很大，随着凝灰熔岩风化程度的增强，其饱和吸水率将急速增大，相邻风化程度间饱和吸水率的增幅在0.1～2.3之间不等，其中强风化凝灰熔岩的饱和吸水率是未风化凝灰熔岩的26.2倍。

1.3 风化程度对抗压强度的影响

根据《工程岩体分级标准》[9]国家规范的规定，推荐采用岩石饱和单轴抗压强度标准值来确定岩石坚硬程度、围岩级别和岩基承载力等。岩石饱和单轴抗压强度标准值按下式计算：

Rck=φ·Rcm

(1)

(2)

(3)

其中，Rck为岩石饱和单轴抗压强度标准值,MPa；Rcm为岩石饱和单轴抗压强度平均值；φ为统计修正系数；δ为变异系数；n为试件个数；Rci为各试件的岩石饱和单轴抗压强度值,MPa。

根据上述公式处理后，凝灰熔岩的单轴饱和抗压强度标准值试验结果见表1。从实验结果来看，凝灰熔岩的单轴饱和抗压强度受风化作用及风化程度的影响极为敏感，凝灰熔岩单轴抗压强度标准值从约110 MPa减小至约30 MPa，减幅达72.7%，其中相邻风化程度间凝灰熔岩的抗压强度减幅在31.4%～48.2%，主要原因可能是由于随着风化作用的加强减弱甚至破坏了凝灰熔岩原有岩石的晶粒本身和粒间连接，从而随着风化程度的加深，岩石的力学强度会显著降低。同时由试验数据统计总结出，福建地区微风化～未风化凝灰熔岩的抗压强度集中在70 MPa～110 MPa之间，属于坚硬岩；强风化～中风化凝灰熔岩的抗压强度集中在30 MPa～50 MPa之间，属于较坚硬岩。

表1 不同风化程度下的凝灰熔岩力学试验结果

1.4 风化程度对应力—应变曲线的影响

由于受试验设备自身的能力制约，在试件达到峰值强度后，试件将发生突发性的破坏，试件被崩裂，只能得到半程应力—应变曲线。图2为不同风化程度下的应力—应变半程曲线，每条相应的曲线是通过对同组9个试件试验得到的曲线加以平均处理后绘制所得。由图2可知，在不同风化程度下，凝灰熔岩的应力—应变曲线性状大致可分为空隙裂隙压密阶段、弹性变形至微破裂稳定发展阶段和塑性变形过渡至破裂这3个阶段。加荷初期，该阶段的轴向应力对于未风化和微风化凝灰熔岩约为0 MPa～20 MPa，对于中风化凝灰熔岩约为0 MPa～10 MPa，强风化凝灰熔岩约为0 MPa～5 MPa。随着应力水平继续增加，应力—应变曲线由直线过渡至向下弯曲，该阶段的轴向应力对于强风化凝灰熔岩约为5 MPa～20 MPa，中风化凝灰熔岩约为10 MPa～50 MPa，微风化约为20 MPa～70 MPa，未风化约为20 MPa～100 MPa。随着轴向应力继续增加而应力—应变曲线斜率也就越来越小，当超过峰值强度后，试件就开始破裂直至破坏。

1.5 风化程度对峰值强度对应的应变等的影响

峰值强度对应的应变是各类工程设计和施工中需要重点关注的物理量，并要控制在合理的区间内，弹性模量和泊松比也是各类工程设计和施工中理论和数值计算必备的物理参数。由表1和图2凝灰熔岩在不同风化程度下测得的力学试验结果和峰值强度对应的应变关系可知，凝灰熔岩的力学效应对风化程度的影响很敏感，凝灰熔岩的弹性模量、泊松比及到达峰值强度所对应的应变与风化程度的强度基本成线性关系。微风化～未风化凝灰熔岩的弹性模量集中在65 GPa～80 GPa，泊松比集中在0.15～0.20；强风化～中风 化凝灰熔岩的弹性模量集中在10 GPa～30 GPa，泊松比集中在0.23～0.31。

1.6 风化程度对岩石破坏形式的影响

不同风化程度下，凝灰熔岩试件的破坏形式可分为X状双向剪切破坏(破坏面由两个与水平面大致成45°+φ/2的对称面组成)、单向剪切破坏为主的破坏、以轴向劈裂破坏(拉伸破坏)为主的破坏等。凝灰熔岩试件典型的破坏形式如图3所示。

本次试验结果显示，凝灰熔岩试件的破坏形式与风化程度似乎不存在明显的对应关系，表明凝灰熔岩的破坏形式不仅受风化作用影响，还可能比如受：材料自身的坚硬程度、微节理等初始缺陷、岩样的尺寸大小、加载速率、岩样两端面的平整度以及加载板对岩样的端部约束条件等影响。

2 风化凝灰熔岩强度变化规律分析

由上述试验结果表明，风化作用和风化程度对凝灰熔岩的强度有深刻而明显的影响，根据上述物理和力学试验得到的数据，笔者尝试着采用回归分析方法中的逻辑斯蒂模型和对数方程总结出了饱和吸水率和抗压强度之间的关系式，拟合出的公式反映出多元线性回归的R平方值约为0.98，趋近于1，可靠度较高，比较符合文中所研究凝灰熔岩的试验结果和力学性质，拟合公式如下所示：

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

(4)

其中，Rc为凝灰熔岩饱和单轴抗压强度,MPa；wsa为凝灰熔岩饱和吸水率,%。

3 工程应用实例验证

根据工程拟合结果公式(4)，未风化～强风化程度下，岩石的抗压强度随其饱和吸水率而变化的强度验证结果见表2，同时也在同类地区的云中山隧道工程实例中得到很好地应用和进一步验证，为该工程设计的及时变更和安全高效开挖掘进提供了理论支撑。

表2 风化凝灰熔岩在饱水状态下的强度值

4 结语

1)凝灰熔岩的吸水率受风化作用的影响很大，随着凝灰熔岩风化程度的增强，其饱和吸水率快速增大，其中强风化凝灰熔岩的吸水率是未风化凝灰熔岩的26.2倍。

2)凝灰熔岩的抗压强度对风化程度极为敏感。随着风化程度的增强，单轴抗压强度相应减小。福建地区微风化～未风 化凝灰熔岩的抗压强度集中在70 MPa～110 MPa，属于坚硬岩；强风化～中风化凝灰熔岩的抗压强度集中在30 MPa～50 MPa，属于较坚硬岩。

3)单轴压缩试验结果表明：不同风化程度凝灰熔岩的应力—应变曲线形状趋势大致是相似的。大致可分为空隙裂隙压密阶段、弹性变形至微破裂稳定发展阶段和塑性变形过渡至破裂等3个阶段。

4)凝灰熔岩的力学效应受风化程度的影响很敏感，凝灰熔岩的弹性模量及到达峰值强度所对应的应变与风化作用的加深基本成线性降低关系。凝灰熔岩试件的破坏形式与风化程度不存在明显的对应关系。

5)采用拟合出的公式计算出的强度结果可满足一般工程的精度，且在文中同类工程中得到了初步应用，但需要后续工程的继续验证。