涂春霖，何茂源 ，鄒石林

(中國人民武裝警察部隊(duì)黃金第十支隊(duì)，云南 昆明 650100)

在工程地質(zhì)調(diào)查中，巖石強(qiáng)度是重點(diǎn)關(guān)注的對象之一，為進(jìn)行巖體質(zhì)量等級評價(jià)的基礎(chǔ)。針對不同種類、不同風(fēng)化程度的巖石，可運(yùn)用各種不同的方法手段，得到巖石的強(qiáng)度特征。但在實(shí)際工作中，不同的試驗(yàn)手段，得到的試驗(yàn)結(jié)果會有一定的差別。柳灣組(J2l)灰?guī)r在芒市遮放-勐戛一帶廣泛分布，其工程性質(zhì)對當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)、安全保障等有重要意義。本文通過回彈試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究柳灣組灰?guī)r的巖石強(qiáng)度特征，同時(shí)總結(jié)各試驗(yàn)方法的異同及其相互間的關(guān)系，為進(jìn)一步工作奠定基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)研究背景

研究區(qū)中侏羅統(tǒng)柳灣組(J2l)出露于保山-昌寧地層區(qū)之保山分區(qū)，原建組地點(diǎn)為保山市柳灣[1]，為一套碳酸鹽巖和碎屑巖的混合沉積，在研究區(qū)呈北東向展布(圖1)。該組自下而上可分為三段。

中侏羅統(tǒng)柳灣組下段(J2l1)：為灰-青灰色中厚層狀生物碎屑灰?guī)r、泥晶生物碎屑灰?guī)r、生物碎屑泥晶灰?guī)r(圖2a-c)；

中侏羅統(tǒng)柳灣組中段(J2l2)：為黃綠色、淺黃色、紫紅色、灰白色薄層狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖；

中侏羅統(tǒng)柳灣組上段(J2l3)：為青灰色中-厚層狀生物碎屑泥晶灰?guī)r、泥晶生物碎屑鮞粒灰?guī)r等(圖2d-f)；

本次試驗(yàn)主要以中侏羅統(tǒng)柳灣組上、下段灰?guī)r為研究對象，該套灰?guī)r在區(qū)內(nèi)分布較穩(wěn)定，巖性相近，為微-中等風(fēng)化，節(jié)理、裂隙也不太發(fā)育，可降低風(fēng)化程度和巖石完整程度等因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，增加試驗(yàn)的可靠性。采樣位置如圖1所示，對同一套樣品進(jìn)行了多種巖石強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)原理及方法

2.1 回彈試驗(yàn)

回彈試驗(yàn)是現(xiàn)場測量回彈值，室內(nèi)處理得到巖石單軸抗壓強(qiáng)度的一種現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用設(shè)備ZC3～A型混凝土回彈儀，按照規(guī)范要求，避開節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，現(xiàn)場測得巖石回彈數(shù)據(jù)(圖3a)，并經(jīng)處理得到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。其操作方便，無需制備試樣，適用于野外的大部分區(qū)域[2]。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)簡圖及取樣位置

圖2 柳灣組灰?guī)r巖石學(xué)特征

2.2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

采用STDZ～3型的點(diǎn)荷載儀，在保證樣品新鮮出露且風(fēng)化較輕的基礎(chǔ)上，每組采集16塊巖樣，用巖石切割機(jī)將巖樣切割為方塊體樣，其長(l)、寬(w)、高(h)應(yīng)盡可能滿足l≥w≥h，試樣高度(h)一般控制50mm±3mm間。將試樣置于上下兩個(gè)球端圓臺狀加荷器之間，施加垂直荷載使試件破壞，即可求得試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度(圖3 b)。當(dāng)?shù)葍r(jià)巖心直徑不為50mm時(shí)，巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)按下列公式計(jì)算：

式中，m為修正指數(shù)，取0.45。巖石單軸抗壓強(qiáng)度由下式進(jìn)行換算：

Rc=22.82I0.75s(50)

Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)[3-9]。

2.3 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本次選取強(qiáng)度較高、結(jié)構(gòu)較完整且易制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣(50mm×100 mm)的微風(fēng)化的灰?guī)r樣品，送國土資源部昆明礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，分別進(jìn)行飽和及干燥的標(biāo)準(zhǔn)單軸抗壓強(qiáng)度測試[10-13](圖3c)。

圖3 柳灣組灰?guī)r巖石強(qiáng)度試驗(yàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 巖石試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 回彈試驗(yàn)結(jié)果

對研究區(qū)柳灣組灰?guī)r進(jìn)行了8組回彈試驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。據(jù)表可知，通過回彈試驗(yàn)，測得研究區(qū)柳灣組灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度在50～60Mpa之間，平均56Mpa左右，整體顯示為較堅(jiān)硬巖。

3.1.2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

在研究區(qū)柳灣組采取了7組點(diǎn)荷載試驗(yàn)樣品，每組16件～20件，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。點(diǎn)荷載試驗(yàn)測得巖石單軸抗壓強(qiáng)度在43.5～57.2Mpa之間，平均52Mpa左右，顯示為較堅(jiān)硬巖。在測試過程中，少數(shù)樣品可能會受到巖石微裂隙的影響，導(dǎo)致測試值偏低。

3.1.3 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本次在柳灣組采取了4組單軸抗壓強(qiáng)度灰?guī)r樣品，每組10塊，分別進(jìn)行飽和及干燥的單軸抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果如表3所示。巖石單軸抗壓強(qiáng)度集中在33～60Mpa之間，平均47Mpa左右，顯示為較堅(jiān)硬巖。少數(shù)樣品測試值偏低，可能受裂隙或?qū)嶒?yàn)過程中人為因素影響。

表1 柳灣組灰?guī)r回彈試驗(yàn)結(jié)果

表2 柳灣組灰?guī)r點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

表3 柳灣組灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 柳灣組灰?guī)r各試驗(yàn)強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系圖Fig 4.Correlation of 3 Testing Results of Intensity of Liuwan Formation Limestone

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，巖石回彈試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)都顯示為較堅(jiān)硬巖，但測得的Rc值有一定的差異。其中，回彈試驗(yàn)平均值為56Mpa左右，點(diǎn)荷載試驗(yàn)平均值為52Mpa左右，單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值47Mpa左右。和室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的單軸抗壓強(qiáng)度測試相比，回彈試驗(yàn)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍有5-10Mpa的差距。為提高試驗(yàn)精度，得到更準(zhǔn)確的巖石強(qiáng)度特征，現(xiàn)分別探討回彈試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)之間的關(guān)系。

3.2.1 回彈試驗(yàn)值與點(diǎn)荷載試驗(yàn)值之間的關(guān)系

在試驗(yàn)過程中，回彈試驗(yàn)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)值都是隨機(jī)的，選取同一層位巖石回彈試驗(yàn)和點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其由小到大排序后一一對應(yīng)，以回彈強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，投點(diǎn)得到其散點(diǎn)分布圖(圖4 a)。通過回歸分析，兩者表現(xiàn)出多項(xiàng)式的關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系為Y=0.1X2-9.5X+250，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.894，擬合程度較高。

3.2.2 回彈試驗(yàn)值與單軸抗壓強(qiáng)度值之間的關(guān)系

將回彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)和單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果擬合，得到柳灣組灰?guī)r回彈-單軸抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度關(guān)系圖(圖4b)，通過回歸分析，兩者為多項(xiàng)式關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系為Y=0.14X2-12X+290，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.934，擬合程度較高。

3.2.3 點(diǎn)荷載試驗(yàn)值與單軸抗壓強(qiáng)度值之間的關(guān)系

將點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果擬合，得到柳灣組灰?guī)r點(diǎn)荷載-單軸抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度關(guān)系圖(圖4c)，兩者同樣近多項(xiàng)式關(guān)系，Y=0.08X2-5.4X+120，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.945，擬合程度較高。

4 討論

從以上分析可知，對于微風(fēng)化的柳灣組灰?guī)r，三種試驗(yàn)方法都具有適用性，并且存在一定的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)基本在0.9以上，擬合程度均較好，可利用該經(jīng)驗(yàn)公式對回彈和點(diǎn)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以得到更精確的強(qiáng)度特征。

由于巖石類型、巖石風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等的不同，可能對三種試驗(yàn)之間的經(jīng)驗(yàn)公式產(chǎn)生一定甚至很大影響，因此，在實(shí)際工作中，不應(yīng)拘泥于單一的經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對不同種類、不同風(fēng)化程度巖石，采取不同試驗(yàn)手段以得到其經(jīng)驗(yàn)公式，再用該經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的換算和校正。

總的來說，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的單軸抗壓試驗(yàn)最為精確，但取樣困難，成本較高，操作復(fù)雜，不利于大面積展開，可適當(dāng)采取一定樣品，作為標(biāo)定試驗(yàn)；回彈試驗(yàn)方便簡潔，利于操作，雖試驗(yàn)結(jié)果不夠精確，受各種因素影響較大，但可通過地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式換算得到較為精確的數(shù)值，以了解測區(qū)巖石的大致特征，可大面積開展；點(diǎn)荷載試驗(yàn)取樣相對簡單，測試結(jié)果較回彈試驗(yàn)精確，可根據(jù)現(xiàn)場情況采取一定數(shù)量的樣品，通過三種方法的有機(jī)結(jié)合，可得到區(qū)域內(nèi)巖石地層的較準(zhǔn)確的強(qiáng)度特征。

5 結(jié)論

(1)對柳灣組灰?guī)r分別進(jìn)行回彈試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測試結(jié)果大致相當(dāng)，顯示巖石強(qiáng)度在47～56Mpa之間，均為較堅(jiān)硬巖類，但結(jié)果有一定差異。

(2)對三種試驗(yàn)方法取得的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，顯示三者呈多項(xiàng)式的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.9及以上，可利用該經(jīng)驗(yàn)公式換算得到較準(zhǔn)確的單軸抗壓強(qiáng)度值。

(3)在實(shí)際工作中，建議廣泛采取三種方法結(jié)合的手段，大范圍開展回彈試驗(yàn)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)荷載試驗(yàn)，采取少量的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以獲取區(qū)域內(nèi)巖石強(qiáng)度特征。