某公路隧道围岩抗压强度试验研究

赵小光

（山西省公路局 晋中分局，山西 晋中 030600）

0 引言

近年来，我国不断推进交通强国建设，公路迎来新一轮建设。我国公路隧道在规模、数量及复杂程度等方面都不断进步。隧道穿越断层破碎带，由于隧址处地质情况不明且围岩强度较低，施工时围岩受到扰动可能会发生事故。预知区域地质状况及围岩力学性质，能在隧道设计施工时提供参考，同时也能对可能灾害做预案，减少施工事故，降低建设成本。

点荷载试验最早可追溯到20世纪90年代国际上的《测定点荷载强度的建议方法》[1]。近几十年来，岩石点荷载试验得到了越来越多专家学者的认可和关注[2]。但还有一些方面各方学者没有达成共识，针对这些方面去作进一步研究，对点荷载试验的发展与应用有着重要作用。学者对不同种类岩石的点荷载强度与抗压强度的关系做了较多试验，王祥厚[3]通过对不同岩石试件做大量点荷载试验，总结规律认为点荷载试验测得数据是可靠的，并提出了点荷载强度公式。张建明[4]对岩浆岩的点荷载试验结果进行分析，针对现存转换公式，提出了更加精确的换算公式。付志亮[5]对煤层岩石进行对比试验，得出对于强度较低的岩石点荷载试验易受影响，而对于强度较高的岩石试验值较为可靠的结论。苏承东等[6]通过对煤样进行试验，得出规则试样的试验结果更有效，同时点荷载强度与抗压强度可以以某种参数换算。姚家李[7]通过大量试验，得出岩石的各向异性会对力学特性有较大影响，并提出了点荷载强度与抗压强度在不同层理下的换算修正系数。周哲[8]对红砂岩进行试验，得出岩石的含水状态与点荷载强度成反比的结论。

本文以现场收集的不规则岩块试样及钻探岩芯试样为研究对象，进行大量点荷载试验及单轴抗压强度试验，并对试验结果进行分析，总结规律得到隧道围岩的物理力学性质。

1 工程概况

依托工程是207国道左权至黎城界及南沁线左权桐峪至河北涉县界公路新建工程的一座长隧道，位于山西省左权县桥上村，隧道轴线走向约200°。洞体左线全长2 340 m，进口段里程桩号为ALK33+705，进口底板设计高程为1 035.48 m，出口段里程桩号为ALK36+045，出口底板设计高程为978.14 m，洞体最大埋深125.53 m，位于ALK34+800；洞体右线全长2 225 m，进口段里程桩号为ARK33+725，进口底板设计高程为1 035.00 m，出口段里程桩号为ARK35+950，出口底板设计高程为980.45 m，洞体最大埋深121.14 m，位于ARK34+800。

隧址区地质活动较强烈，断裂情况在该区较为普遍，地质构造多样化。影响隧道安全建设的断裂带总共有6条，水文条件呈现出复杂化的特点，隧道施工至断裂构造带或有地表水流的地段可能会发生涌水或坍塌等事故。

断层破碎带围岩强度较低，稳定性差，同时常伴随有富水带，提前对其进行地质分析，了解其地质情况是非常重要的。隧址区为山地地区，坡度较大，植被覆盖率高。区内主要山脉为东西走向，山脉海拔较高，沟谷深且狭窄，地势起伏不平。隧道高程位于1.4 km到2 km之间，最高处与最低处高差近600 m。隧道进出口地势较陡，坡角大于45°。

隧道围岩类型以片麻岩为主夹杂少量变粒岩，风化程度为中风化。

2 地质勘探

隧道施工地段实地勘探结果揭示地层主要为：

a）第四系上更新统Q4dl+el灰黄色，精密-中密状，粒度直径范围广泛，次棱角状，充填物为黏性土，含量约占到20%，勘察表明碎石粒径处于2～6 cm范围，最大粒径为10 cm[9]。

b）中元古代郭庄组（Pt2g） 岩性主要为片麻岩，颜色主要呈现灰黄色或灰褐色，中粗粒、片麻状构造，节理裂隙较发育，此地层矿物成分主要为黑云母、斜长石等，岩层产状为230°∠80°[10]。

从现场获得的断层破碎带岩块样本，较破碎，颜色为灰褐色，裂隙发育，岩块样品如图1所示。

图1 破碎带岩样

隧道通过地区全段节理类型有两种，风化与构造。其中有4组构造节理影响较大，构造节理密度为5～7条/m。风化节理主要分布在地表浅层，呈无序状态分布，规模不大，风化节理的密度由上至下逐渐降低。节理的种类、分布状况及张开程度与隧道围岩的强度及承载能力有着很大的关系。节理增多会导致围岩的完整性破坏，地下水也会通过节理裂隙渗透导致围岩力学性能下降[10]。

选取2×6 m2的典型断面对其中的节理数量进行统计，金属类杂质及硅类不计入，根据统计结果得岩体体积节理数为13条/m3。依据《公路工程地质勘察规范》[11]，确定岩体的完整程度为较破碎。

节理产状有三要素，走向、倾向和倾角。在隧址区使用地质罗盘对节理的产状进行多次测量，根据测量结果绘制节理走向玫瑰花图，如图2所示。

图2 节理走向玫瑰花图

由图2可知，节理产状在10°到30°内的组数最多，各节理组数由2～12组不等。

3 试验方案

3.1 点荷载试验方案

点荷载试验优点是可以对不规则试件进行加载，且试验仪器便于携带，操作简单，可现场测量。试件加载方式如图3所示。

图3 不规则试件加载图

方案分为以下5步：

a）从隧址处选取不规则岩块作为试验所需岩石试件，将15个分为一组。

b）试验开始前，测量试件的尺寸，并描述试件的状态及构造，选择岩石较薄处作为加载位置。

c）将岩石试件放在点荷载仪中，并使加荷锥上下中心点对齐，保持加荷点位于试件中心位置。

d）给试件匀速施加荷载，直至试件破坏达到最大破坏荷载，测量断面宽度并记录。

e）试件破坏后，观测试件形态，断面两侧需连接到两加荷点，且整个试件被破坏即为有效。图4为点荷载试验试件加载图。

图4 点荷载试验加载图

3.2 单轴抗压强度试验方案

单轴抗压强度试验是由试验结果得到单位最大压应力R，由R计算出试件单轴抗压强度。

方案分为以下5步：

在含水率相同的条件下，每3块试件分为一组。岩芯直径约为7 cm，高径比控制在2～2.5范围内。试件做泡水或烘干处理，处理方式如图5所示，处理目的是进行试验结果比对。

图5 试件浸水及烘干

a）准备试验试件，每3块试件分为一组。尽量控制试件的质量接近以减小误差。

b）在试验之前，对试件的外观、构造及状态进行记录。

c）测量试件的高度及半径，计算试件横截面面积。

d）将岩石试件置于加荷台，以0.9 MPa/s匀速加压，当试件开裂破坏时记录此时的最大荷载。

e）对典型的破坏形式予以拍照记录至试件全部破坏。

4 试验结果分析

4.1 点荷载试验结果分析

点荷载试验试件破坏情况如图6所示。

图6 岩石试件破坏断面图

未修正点荷载强度指标[12]：

式中：Is为未修正点荷载强度指标，MPa；P为破坏荷载，N；Dc为等效岩芯直径，mm。

不规则试件试验结果修正：

式中：m为修正指标，一般取0.45。

借助式（4）换算得岩石单轴抗压强度

所有试验试件取自隧道相同位置，力学性质影响因素大致相同，同时在取得试件和试验准备阶段尽量避免人为干扰。点荷载试件尺寸如表1所示。

表1 试件尺寸表

等效岩芯直径与破坏荷载的拟合曲线如图7所示，由图7可知，等效岩芯直径与破坏荷载呈正相关，相关系数为0.93。

图7 等效岩芯直径与试件破坏荷载关系

不同含水状态下试件点荷载试验结果如图8所示，对修正点荷载求平均值，得3.08 MPa（干燥状态）与1.73 MPa（浸水状态）。将修正点荷载平均值换算为单轴抗压强度，得52.84 MPa（干燥状态）与34.34 MPa（浸水状态）。由34.34/52.84=65%，得出吸水后岩石试件单轴抗压强度衰减至干燥状态下的65%。有部分浸水试件抗压强度仍较高，说明节理裂隙大小及数量、加荷间距等也会影响试验结果。

图8 修正后点荷载试验结果

4.2 单轴抗压强度试验结果分析

把钻探获得的岩芯置于压力机上，匀速加荷至最大承载能力而破坏。试验前，量取试件的直径和高度如下：

干燥试件：d（cm）×h（cm），6.8×17.7，7.2×15.1，7.0×15.1，7.1×15.4。

湿润试件：d（cm）×h（cm），7.2×15.8，7.1×16.0，7.1×15.9，7.1×15.5。

试验后圆柱试件破坏情况如图9所示。

图9 圆柱试件破坏图

单轴抗压强度试验结果如图10所示。

据图10结果，干燥试件中，1号试件的单轴抗压强度最小为69.9 MPa，4号试件的单轴抗压强度最大为174.7 MPa；1号和4号试件相比，1号试件高度较高而半径略小，导致两者单轴抗压强度有差异。浸水圆柱试件与干燥圆柱试件相比强度普遍下降，但幅度不大。

图10 单轴抗压强度试验结果

5 结语

通过对隧址区的地质勘探及现场取样进行点荷载试验及单轴抗压强度试验得出以下结论：

a）围岩以片麻岩为主，节理裂隙发育，稳定性差。区域节理较多，岩体较破碎。受断层影响，隧址区地下水较为丰富，局部地区有涌水的可能。

b）点荷载试件表面积更大，吸水性更强，湿润状态下试件平均单轴抗压强度只有干燥状态下的65%。节理数量及间距、试件厚度及加载间距会对点荷载强度造成影响。

c）圆柱试件表面积更小且表面光滑，吸水较少，故干燥和浸水状态下单轴抗压强度差异不大。圆柱试件单轴抗压强度与湿润程度、高度和直径有重要关系。