基于點(diǎn)荷載的山皮石強(qiáng)度研究

馬 成，石云方，劉澤炬，鄧 藤，李慎剛

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司 西安市 710032; 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院 沈陽市 110819)

※基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51878127)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(N180104013)

0 引言

山皮石在工程中可以大量地就地取材，在公路工程路基處理中廣泛應(yīng)用[1]。但山皮石的強(qiáng)度及形狀受風(fēng)化程度影響較大，在工程實(shí)踐中對山皮石強(qiáng)度的測定存在困難，而且風(fēng)化對強(qiáng)度所帶來的影響也難以判斷，為研究山皮石填筑路基的承載力情況，對山皮石試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)具有對試樣的形狀要求不高的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。對于不同種類巖石，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，證實(shí)點(diǎn)荷載強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度在不同情況下均有良好的相關(guān)性[2]，因此點(diǎn)荷載試驗(yàn)對山皮石強(qiáng)度的測定有著重要的幫助。這種試驗(yàn)方法由于試件狀況、儀器誤差等方面受實(shí)際影響較大[3]，其計(jì)算結(jié)果還需要進(jìn)一步研究和討論。依據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[4](GB/T 50218—2014)中給出的公式統(tǒng)一進(jìn)行換算。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

所使用的山皮石試樣取自吉林地區(qū)，如圖1所示。山皮石的性能指標(biāo)通過泡水飽和、烘干試驗(yàn)測得如表1所示。

圖1 山皮石試樣

表1 山皮石部分性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

點(diǎn)荷載試驗(yàn)：試驗(yàn)試樣由于尺寸限制，沒有取得單軸抗壓強(qiáng)度的條件時(shí)，采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)測定點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)，并按式(1)、式(2)換算單軸抗壓強(qiáng)度。本次利用《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[5](JTG E41—2005)點(diǎn)荷載試驗(yàn)的方法，對山皮石強(qiáng)度進(jìn)行測定，討論山皮石在自然條件下的強(qiáng)度特征及飽和后的強(qiáng)度變化情況。

IS(50)=FIS

(1)

(2)

式中：F為尺寸修正系數(shù)；IS為巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度；IS(50)為經(jīng)尺寸修正后的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)，由試樣被兩加荷錐頭壓裂時(shí)的極限荷載與破壞面等效圓直徑的平方之比表示。

2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

對試樣分別進(jìn)行天然條件和飽和條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)。直接取天然條件的山皮石試樣，共進(jìn)行5組點(diǎn)荷載試驗(yàn)，每組15塊試樣，共75塊試樣。其中在第4組、第5組中隨機(jī)取破壞后的部分試樣為對照組泡水飽和，再進(jìn)行飽和條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)，對比飽和前后山皮石的強(qiáng)度變化。飽和條件根據(jù)規(guī)范要求先注水至試樣的1/4高度，以后每隔2h分別注水至1/2、3/4處，6h后加水至頂面超出2cm左右，再自由保水48h達(dá)到飽和狀態(tài)。

飽和條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)除上述對照組外，再進(jìn)行6組試驗(yàn)，每組3塊試樣，共18塊試樣，分析飽和條件對山皮石強(qiáng)度的影響。

2.2 天然條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果

天然條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)每組平均斷面面積及強(qiáng)度如表2所示。

表2 天然條件點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可知，在試驗(yàn)結(jié)果中，山皮石的平均強(qiáng)度在40MPa以上，斷面面積在1300mm2時(shí)平均強(qiáng)度可以達(dá)到70MPa左右。同時(shí)可以看出山皮石的尺寸較大時(shí)，強(qiáng)度相對較低，符合巖石強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的強(qiáng)度分布如圖2所示。

圖2 天然條件強(qiáng)度分布直方圖

2.2.2結(jié)果分析

為研究山皮石強(qiáng)度的離散情況，引入箱型圖對數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析。箱型圖用作顯示一組數(shù)據(jù)分散情況，便于識別數(shù)據(jù)的分布并可以檢測出異常數(shù)據(jù)。其主要由5個(gè)點(diǎn)繪制而成，包括上邊緣值Tmax，上四分位數(shù)Q3，中位數(shù)，下四分位數(shù)Q1，下邊緣值Tmin。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在上下邊緣值以外時(shí)，可以認(rèn)為是異常值。

如圖3所示：下四分位值約為38.9MPa，即有25%的數(shù)據(jù)小于38.9MPa；中位數(shù)約為61.9MPa；上四分位值約為86.0MPa，即有75%的數(shù)據(jù)小于86.0MPa。箱型圖中存在一個(gè)離群點(diǎn)，即數(shù)據(jù)中存在一個(gè)極端異常值。數(shù)據(jù)整體不滿足正態(tài)分布，呈現(xiàn)左偏態(tài)，即強(qiáng)度相對較小的數(shù)據(jù)占多數(shù)，高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)離散性更大。不考慮異常值后，數(shù)據(jù)的最小值為13.9MPa，最大值為131.6MPa。

圖3 強(qiáng)度箱型圖

山皮石試樣在相近斷面面積下強(qiáng)度有較大的差異，表明風(fēng)化程度對強(qiáng)度的影響較大。為降低數(shù)據(jù)離散程度的影響，對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分組，以分組后數(shù)據(jù)的方差和達(dá)到最小值的強(qiáng)度為界限，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。

經(jīng)計(jì)算，以63MPa為界限時(shí)，分組數(shù)據(jù)擬合效果較好，擬合情況如圖4所示。

圖4 分組強(qiáng)度變化規(guī)律

兩組數(shù)據(jù)變化規(guī)律相近，試樣強(qiáng)度首先有一個(gè)上升段，并在1500mm2左右達(dá)到峰值，隨后強(qiáng)度隨斷面面積的增大而減小。兩組數(shù)據(jù)平均強(qiáng)度相差約50MPa，表現(xiàn)出風(fēng)化對巖石抗壓強(qiáng)度有較大影響。

2.3 飽和條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)

飽和條件下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)每組平均強(qiáng)度如表3所示。

表3 飽和條件點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

18個(gè)巖石試樣的平均強(qiáng)度為41.66MPa，其中有10個(gè)試樣的飽和強(qiáng)度在40MPa以上。山皮石風(fēng)化程度不高時(shí)，其在飽和狀態(tài)下仍能保持較高強(qiáng)度。

飽和條件下的強(qiáng)度與含水率及斷面面積的關(guān)系如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，山皮石試樣的強(qiáng)度隨著含水率的增大明顯減小，但同樣呈現(xiàn)較大的離散性，當(dāng)山皮石試樣風(fēng)化程度較高時(shí)，飽和強(qiáng)度會(huì)明顯降低。同時(shí)強(qiáng)度依然會(huì)隨著斷面面積的增大而減小。

圖5 含水率—強(qiáng)度圖

圖6 面積—強(qiáng)度圖

2.4 對照組數(shù)據(jù)及分析

共取8個(gè)試樣，對其天然強(qiáng)度、飽和強(qiáng)度進(jìn)行對照分析，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 對照組點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

除編號5-12試樣以外，各試樣飽和強(qiáng)度均有所減小，平均減小值為30.58MPa。各試樣的飽和含水率一般在2%以下，但強(qiáng)度減小幅度與飽和含水率的變化沒有明顯的線性關(guān)系。大部分試樣的軟化系數(shù)小于0.75，屬于易軟化的巖石，水的作用對山皮石的強(qiáng)度有較大影響。上述試驗(yàn)說明，在飽和條件下，飽和含水率并不一定是影響山皮石強(qiáng)度的決定因素，強(qiáng)度主要由巖石本身性質(zhì)決定，但飽和會(huì)大幅降低山皮石的強(qiáng)度。

3 總結(jié)

(1)山皮石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度離散度較大，且分布呈現(xiàn)左偏態(tài)。其受風(fēng)化程度影響較大，但整體強(qiáng)度較高，有75%的點(diǎn)荷載強(qiáng)度在38.9MPa以上，屬于中硬～硬質(zhì)巖石；有50%的點(diǎn)荷載強(qiáng)度在61.9MPa以上，屬于硬質(zhì)巖石。

(2)為減小離散度的影響，以分組后數(shù)據(jù)方差和達(dá)到最小進(jìn)行分組。分組后的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出相近的變化規(guī)律，均在斷面面積1500mm2處達(dá)到強(qiáng)度峰值；兩組數(shù)據(jù)的平均差值在60MPa左右。

(3)飽和狀態(tài)下的山皮石仍能保持較高的抗壓強(qiáng)度，超過50%的試樣強(qiáng)度在40MPa以上。山皮石強(qiáng)度與飽和含水率沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，但大部分試樣的軟化系數(shù)小于0.75，屬于易軟化的巖石。