基于点荷载的隧道洞渣饱和抗压强度快速评价方法

谢京谕, 李化建, 王 振, 黄法礼, 易忠来

(1. 中国铁道科学研究院集团有限公司, 北京 100081; 2. 重庆大学材料科学与工程学院, 重庆 400044; 3. 高速铁路轨道技术国家重点实验室, 北京 100081)

0 引言

随着我国河砂限采和禁采政策的实施,天然河砂资源面临严重紧缺的局面。山区铁路、公路建设过程中产生的上亿方隧道洞渣存在堆存占地、维护成本高、污染环境等风险[1]。利用隧道洞渣生产机制砂可以有效缓解河砂供不应求的问题,同时对于加快实现建筑领域“双碳”目标具有重要意义[2]。但由于围岩等级和开挖方式的差异,隧道洞渣性能波动大、形状不规则、含水率差距大,导致隧道洞渣制备的机制砂性能不稳定,质量控制难[3-4]。Q/CR 9570—2020《铁路机制砂场建设技术规程》规定,当选择隧道洞渣作为机制砂料源时,应确保料源母岩符合要求、性能稳定,且能够成区段、成规模。GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》规定以饱和抗压强度作为岩石坚硬程度的定量评价标准。因此,饱和抗压强度是隧道洞渣用作建筑材料的重要参考指标。李化建等[5]提出饱和抗压强度≥60 MPa的隧道洞渣可用于制备强度等级为C40及以下的混凝土用机制砂石。

点荷载作为一种快速评价方式,在评价岩石抗压强度方面得到广泛应用。由于不同学者所研究岩石的岩性、块体形状和含水率等不同,且已有研究表明点荷载强度指数与抗压强度之间难以得到统一的关系式,但两者间存在良好的相关性[6],因此,将点荷载用于隧道洞渣强度表征具有可行性。为对机制砂母岩强度进行快速评价,Q/CR 865—2022《铁路混凝土用机制砂》首次规定将点荷载强度指数应用于机制砂生产过程中的母岩力学性能评价。但点荷载强度指数受多种因素影响,不同标准中对于点荷载强度指数与饱和抗压强度的关系模型也存在差异[7-8]。李少乾等[9]对比了径向、轴向2种点荷载加载方式,发现均能与抗压强度建立良好联系。Heidari等[10]提出不规则块体点荷载强度指数与规则试样间的点荷载强度指数存在差异,在抗压强度较高的岩石中差异更为明显。Kaya等[11]、张元胤等[12]的研究表明,岩石种类数量会影响试验结果,若采用少量几种岩石评价抗压强度会导致结果准确性降低。此外,由于岩石强度的吸水软化效应,含水率也对结果有显著影响[13-15]。

通过点荷载强度指数实现岩石饱和抗压强度快速评价是目前工程中的急切需求,但目前针对不规则块体研究较少,且需要对试件进行预饱和处理[16-17],这使得测量时间长,不利于快速评价。本文以20种不同岩性隧道洞渣为研究对象,研究不规则块体与含水状态对点荷载强度指数的影响规律,探讨隧道洞渣点荷载强度指数与饱和抗压强度的相关性,提出基于点荷载的饱和抗压强度预测方法,以期为隧道洞渣机制砂制备过程中的质量控制提供支撑。

1 材料与试验方法

1.1 材料

隧道洞渣试样来自8个省市,包含灰岩、砂岩、白云岩、大理岩、花岗岩等20个种类。试样岩性与主要矿物组成如表1所示。

表1 隧道洞渣试样岩性与主要矿物组成Table 1 Lithology and main mineral composition of tunnel muck

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

试验前,将洞渣加工为2种试样,如图1所示。第1种是参照TB 10115—2014《铁路工程岩石试验规程》制备的φ30 mm×30 mm规则圆柱试样,用于径向、轴向2种点荷载试验,以及φ50 mm×50 mm规则圆柱试样,用于单轴抗压强度试验;第2种是破碎后的不规则块体试样,其加载点间距(D)与通过两加载点的最小截面平均宽度之比为0.3～1.0,加载点至自由端的距离大于0.5D,主要用于不规则块体的点荷载试验。

(a) 钻芯用岩石块

(b) 规则圆柱试样

(c) 不规则块体试样图1 试验所用岩石试样Fig. 1 Rock samples used in test

1.2.2 预处理

参照GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》,将试样制备成烘干状态、自然状态和饱和状态3种。烘干状态试样需在105 ℃下烘干24 h;自然状态试样无需特殊处理,置于常温常压下保存;饱和状态试样采用自由吸水法,在常温常压下吸水48 h。

1.2.3 抗压强度试验

参照《铁路工程岩石试验规程》测试隧道洞渣抗压强度,并依据该标准中附录C.1对测试结果进行修正,如式(1)所示。

(1)

式中:R为直径50.0 mm、高径比2.0的岩石试件单轴抗压强度,MPa;R′为高径比不为2.0时的岩石试件单轴抗压强度,MPa;H为试件高,mm;d为试件直径,mm。

1.2.4 点荷载试验

参照《工程岩体分级标准》,采用STDZ-3数显点荷载试验仪进行加载方式为径向、轴向以及不规则块体的点荷载试验。点荷载强度指数计算采用《工程岩体分级标准》中的计算方法。主要步骤如下:

未经修正的岩石点荷载强度指数计算公式为:

(2)

式中:Is为未经修正的点荷载强度指数,MPa;P为试件破坏荷载,N;De为等效岩芯直径,mm。

径向、轴向加载以及不规则块体加载试验,其等效岩芯直径De分别按式(3)—(5)计算。

径向加载:De=D。

(3)

(4)

(5)

式(3)—(5)中:D为加载点间的距离,mm;A为通过两加载点的最小截面积,mm2;W为通过两加载点的最小截面平均宽度,mm。

为保证试验结果的可比性,将试验结果统一修正为等效岩心直径De=50 mm时的点荷载强度指数Is(50),即标准点荷载强度指数,计算公式为:

(6)

式中m为修正指数,可取0.40～0.45,文中m取值为0.45。

径向和轴向加载均选择12组有效数据,舍去最大值与最小值后取算数平均值;不规则块体加载选择16个有效数据,并舍去2个最大值与2个最小值后取算数平均值。

1.2.5 吸水率试验

参照《工程岩体试验方法标准》,采用自由浸水法进行隧道洞渣吸水率试验。试样选择不规则块体,最长边为60～80 mm,宽度为40～60 mm,厚度为20～40 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 点荷载强度指数与饱和抗压强度相关性

饱和状态下隧道洞渣点荷载强度指数与饱和抗压强度测试结果见表2。由表可知,饱和状态下,不同岩性岩石点荷载强度指数最低为1.77 MPa,最高为18.72 MPa;饱和抗压强度最小为60 MPa,最大为152 MPa。本试验所用试样饱和抗压强度均满足《铁路混凝土用机制砂》母岩饱和强度大于60 MPa的规定,但点荷载强度指数存在小于3.0 MPa的情况。这是因为《铁路混凝土用机制砂》规定测试试样为自然含水状态,点荷载强度指数随着洞渣含水率的增加而降低;另外,隧道开挖易使隧道洞渣内部出现微裂纹,导致点荷载强度指数降低。

表2 隧道洞渣点荷载强度指数(饱和状态)与饱和抗压强度Table 2 Tunnel muck point load strength index (saturated) and saturated compressive strength MPa

饱和状态下沉积岩、岩浆岩、变质岩隧道洞渣点荷载强度指数与饱和抗压强度关系如图2所示。由图可知,饱和状态下3类岩性的隧道洞渣点荷载强度指数与单轴抗压强度均呈线性正相关,岩浆岩、沉积岩、变质岩的相关性系数分别为0.95、0.89、0.81,沉积岩具有更好的线性相关性,拟合关系见式(7)—(9)。

图2 饱和状态下点荷载强度指数与饱和抗压强度关系Fig. 2 Relationship between point load strength index and saturated compressive strength in saturated state

UCS饱和岩浆岩=4.49Is(50)不规则+58.78。

(7)

UCS饱和沉积岩=4.64Is(50)不规则+66.69。

(8)

UCS饱和变质岩=6.55Is(50)不规则+58.19。

(9)

式(7)—(9)中: UCS饱和为饱和抗压强度,MPa;Is(50)不规则为不规则块体点荷载强度指数,MPa。

2.2 点荷载强度指数与抗压强度关系式对比

岩石单轴抗压强度与点荷载强度指数的转换关系式见表3。由表可知,单轴抗压强度与点荷载强度指数的经验公式种类主要包括线性函数-零截距式、线性函数-非零截距式、幂函数、二次函数、指数函数、对数函数。

表3 岩石单轴抗压强度和点荷载强度指数的转换关系式Table 3 Conversion formula of rock uniaxial compressive strength and point load strength index

不同点荷载强度指数与单轴抗压强度转换关系的比较如图3所示。

图3 不同点荷载强度指数与单轴强度转换关系比较Fig. 3 Comparison of transfer relationship between point load strength index and uniaxial compressive strength

由图3可知: 1)对比现有2种标准,国际岩石力学学会提出的15～50转换系数范围变化大,若采用任意系数预测抗压强度,误差高达100%; 2)不同的转换关系式具有各自的适用条件,《铁路混凝土用机制砂》规定饱和抗压强度≥60 MPa的母岩可用于制备机制砂石,拟合关系式(7)—(9)与Fener[19]提出的线性函数-非零截距式近似,且截距均接近于60 MPa。因此,拟合关系式(7)—(9)对于预测机制砂用隧道洞渣母岩饱和抗压强度具有适用性。

2.3 加载方式对点荷载强度指数的影响

2.3.1 点荷载试样破坏形态对比

不同加载方式下点荷载试样破坏面如图4所示。由图可知,径向、轴向以及不规则3种加载方式下,在与加载端接触的部位出现了白色粉化区域,这是因为试样破坏主要由加载点连线轴上的应力所决定。开始加载时,点荷载试样表面加载点附近首先受到压应力[22],岩石表面应力集中出现粉化;当荷载增大时,由于试件内部主要以拉应力为主[23],当加载端附近的应力超过试样承受范围后出现裂纹并不断扩展深入,最终试样在拉应力作用下发生断裂。无论是采用规则圆柱试样还是不规则块体试样,试样表面以及内部的应力分布规律是一致的,因此,隧道洞渣不规则块体适用于点荷载试验。

(a) 径向试验

(b) 轴向试验

(c) 不规则试验图4 不同加载方式下点荷载试样破坏面Fig. 4 Failure surface of point load specimen under different loading modes

2.3.2 点荷载强度指数变化趋势

隧道洞渣在不同含水状态下3种加载方式的点荷载强度指数变化如图5所示。由图可知,在烘干状态、自然状态以及饱水状态下,3种加载方式的点荷载强度指数变化趋势均保持一致,轴向加载与径向加载得到的点荷载强度指数相近,且均大于不规则加载。当轴向点荷载强度指数小于8 MPa时,规则试样与不规则块体的点荷载强度指数相差较小,而当轴向点荷载强度指数大于8 MPa时,规则试样与不规则块体的点荷载强度指数差异变大。

(a) 烘干状态

(b)自然状态

(c) 饱水状态图5 不同加载方式下状态点荷载强度指数变化Fig. 5 Change of point load strength index with different loading modes

2.3.3 点荷载强度指数差异对比

不同加载方式下点荷载强度指数差值的绝对值对比如图6所示。由图可知,同一含水状态下,径向加载与轴向加载的点荷载强度指数差值在3.0 MPa以下,且波动范围小。当轴向点荷载强度指数小于8.0 MPa时,不规则加载与轴向加载的点荷载强度指数差值波动小,为0～2.5 MPa;当轴向点荷载强度指数大于8.0 MPa时,差值波动大,为2.5～12.0 MPa。

(a) 烘干状态

(b) 自然状态

(c) 饱水状态图6 不同加载方式下点荷载强度指数差值的绝对值对比Fig. 6 Comparison of absolute value of point load strength index difference under different loading modes

不同加载方式对隧道洞渣点荷载强度指数具有明显影响。当隧道洞渣强度较低时,径向加载、轴向加载和不规则加载结果相近,因此,现场隧道洞渣开挖过程难以获取芯样时,可采用不规则块体点荷载强度指数替代规则芯样进行点荷载试验。依据《工程岩体分级标准》的预测公式可知,点荷载强度指数为8 MPa时,饱和抗压强度约为110 MPa。因此,当隧道洞渣饱和抗压强度超过110 MPa时,加载方式对点荷载强度指数有显著影响。这是因为相比于规则圆柱芯样,隧道洞渣不规则块体内部存在微裂纹等损伤,损伤程度随母岩强度而变化,母岩强度越高,损伤程度越大,点荷载强度指数下降越明显[17]。

2.4 含水率对点荷载强度指数的影响

2.4.1 点荷载强度损失率与含水率的关系

隧道洞渣不规则块体点荷载强度损失率与含水率的相关性如图7所示。由图可知,隧道洞渣点荷载强度指数与含水率呈负相关,含水率越高,点荷载强度损失率越大。由表1可知,砂岩中含有石英、水云母等矿物,石英的水解作用会降低岩石颗粒间的黏聚力,水云母的黏土性质使其与自由水相互作用,发生软化或溶解,降低胶结力,导致强度下降。因此,含水率对隧道洞渣强度具有重要影响。

图7 隧道洞渣点荷载强度损失率与含水率相关性Fig. 7 Correlation between point load strength loss rate and water content of tunnel muck

点荷载强度指数损失率

(10)

式中:S损失率为隧道洞渣点荷载强度指数损失率,%;IS(50)损失前为隧道洞渣吸水前的点荷载强度指数,MPa;IS(50)损失后为隧道洞渣吸水后的点荷载强度指数,MPa。

点荷载强度指数损失率与含水率的拟合关系见式(11),可知隧道洞渣点荷载强度损失率与含水率高度线性相关,相关性系数R2=0.93。

S损失率=17.40ω+9.45。

(11)

式中ω为隧道洞渣含水率,%。

2.4.2 点荷载强度饱和损失率取值分析

隧道洞渣点荷载强度饱和损失率推荐取值见表4。点荷载强度饱和损失率表示隧道洞渣不规则块体由烘干状态到饱和状态的点荷载强度损失率,点荷载饱和强度损失率与软化系数之和为1。由表可知,不同岩性岩石饱和吸水率具有阶段性特征;大部分岩石饱和吸水率在0.7%以下,点荷载强度损失率不超过25%,软化系数高于0.75;饱和吸水率在0.08%～0.39%时,点荷载强度饱和损失率为5%～15%;饱和吸水率在0.40%～0.70%时,点荷载强度饱和损失率为15%～25%;饱和吸水率在2.0%～2.5%时,点荷载强度饱和损失率为45%～55%。取每一阶段中位数为该阶段隧道洞渣点荷载强度饱和损失率,即10%、20%、50%。参照《铁路混凝土用机制砂》中软化系数≥0.8的规定,软化系数对于隧道洞渣不规则块体点荷载强度饱和损失率应≤0.2,依据表4得隧道洞渣吸水率应≤0.7。

表4 点荷载强度饱和损失率推荐取值Table 4 Recommended values of saturation loss rate of point load strength

2.5 隧道洞渣饱和抗压强度预测公式

获得任意含水状态下的隧道洞渣饱和点荷载强度指数,是实现快速评价隧道洞渣饱和抗压强度的关键。隧道洞渣含水率与点荷载强度指数损失率具有高度线性相关性,因此,烘干状态隧道洞渣点荷载强度指数可由任意含水状态的隧道洞渣点荷载强度指数求得,如式(12)所示。

(12)

式中:Is(50)烘干为烘干状态下隧道洞渣点荷载强度指数,MPa;Is(50)任意为任意含水状态下的隧道洞渣点荷载强度指数,MPa。

依据表4中不同岩性隧道洞渣点荷载强度饱和损失率的推荐取值,可知饱和状态的隧道洞渣点荷载强度指数

Is(50)饱和=Is(50)烘干(1-S饱和损失率)。

(13)

式中:Is(50)饱和为饱和状态下隧道洞渣点荷载强度指数,MPa;S饱和损失率为烘干到饱和状态下的隧道洞渣点荷载强度指数损失率,%。

联立式(7)—(13)分别得到岩浆岩、沉积岩、变质岩的隧道洞渣饱和抗压强度预测公式,如式(14)—(16)所示。

(14)

(15)

(16)

由式(14)—(16)可知,隧道洞渣饱和抗压强度预测公式以不规则块体点荷载强度指数、岩石含水率以及点荷载强度饱和损失率为参数,其优势在于可以采用任意含水率的隧道洞渣预测其饱和抗压强度,且无需对试样进行饱和处理,有利于隧道洞渣制备机制砂石前的快速评价。

3 结论与建议

1)隧道洞渣不规则块体点荷载强度指数与饱和抗压强度线性相关性高,采用点荷载可以快速评价机制砂用隧道洞渣的饱和抗压强度。建议不同岩性洞渣分类拟合点荷载强度指数与饱和抗压强度之间的关系。

2)随着隧道洞渣强度的提高,不规则块体的点荷载强度指数与规则圆柱试样之间的数值差异愈加明显,当轴向点荷载强度指数小于8.0 MPa时,2种试样数值接近;当轴向点荷载强度指数大于8.0 MPa时,应单独试验建立点荷载强度指数与饱和抗压强度的相关性。

3)基于洞渣岩性提出了饱和状态下点荷载强度指数损失率推荐值,建立了隧道洞渣饱和抗压强度与点荷载强度指数、点荷载强度饱和损失率、含水率之间的关系式,对饱和抗压强度≥60 MPa的洞渣母岩强度预测可靠度高,可实现无预饱水的机制砂用隧道洞渣饱和抗压强度预测。

4)隧道洞渣岩性复杂、性能波动大,点荷载强度指数主要对机制骨料用隧道洞渣力学性能进行快速评价,但隧道洞渣有害物质含量、碱活性、坚固性和抗冻性等快速评价技术尚且空白,亟待开展相关研究,以确保洞渣机制骨料的品质。