風(fēng)化凝灰熔巖物理和力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

章仕靈 鄧 濤

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000； 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

在我國長(zhǎng)江中下游中生代火山巖盆地和廣東、福建等東南大陸內(nèi)廣泛分布著凝灰熔巖，同時(shí)凝灰熔巖也是我國中生代火山巖的重要構(gòu)成部分。凝灰熔巖這類巖石的晶屑含量比較高，一般為30%～40%左右，黑云母0.4%～1%，石英為11%～14%，粗晶粒，龜裂紋發(fā)育，具強(qiáng)熔蝕現(xiàn)象[1]。凝灰熔巖的產(chǎn)狀一般較為平緩，巖性比較單一常發(fā)育有良好的柱狀節(jié)理，特別是緩傾斜乃至平臥柱狀節(jié)理[2]。總體來說，凝灰熔巖具有細(xì)微節(jié)理、結(jié)構(gòu)較破碎、裂隙較發(fā)育，并易受外地質(zhì)營力等自然力的侵蝕和溶蝕作用而發(fā)生風(fēng)化。

多年來，國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)凝灰熔巖等不同巖石的力學(xué)特性等方面開展了較深入的研究工作，并取得了諸多研究成果。Richard和Qizhi Li[3]對(duì)美國內(nèi)華達(dá)州地區(qū)的凝灰?guī)r進(jìn)行了室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，得出了其破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度和割線彈性模量。S.OKUBO等[4]利用自行研制的伺服控制系統(tǒng)剛性試驗(yàn)機(jī)完成了凝灰?guī)r的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到了全過程三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變。朱合華、劉學(xué)增和路軍富等人[5-7]對(duì)凝灰熔巖等不同巖石進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，也得出了不少有益的成果。

國內(nèi)有關(guān)風(fēng)化程度對(duì)凝灰熔巖力學(xué)特性影響的研究不足，幾乎尚未見正式報(bào)道。為了更好的為凝灰熔巖地區(qū)的工程設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析和施工等提供數(shù)據(jù)參考，論文以福建三高速新嶺格隧道為工程依托，嘗試著對(duì)風(fēng)化凝灰熔巖的物理和力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并獲得了一些有益的認(rèn)識(shí)和結(jié)論。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)概述

本次試驗(yàn)所用巖樣試件取自福建泉三高速新嶺格隧道，根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]的規(guī)定，共制得36個(gè)50 mm×50 mm×100 mm的長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)試件(9件/組，共計(jì)4組)。單軸壓縮試驗(yàn)的加載速度為0.75 MPa/s，試驗(yàn)機(jī)采用YAW-2000型微機(jī)控制全自動(dòng)恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)，加載控制方式為荷載控制方式。

1.2 風(fēng)化程度對(duì)巖石吸水率的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果加以平均整理而來，得到圖1所示不同風(fēng)化程度下，凝灰熔巖的飽和吸水率柱狀圖。由圖1可知，風(fēng)化作用及風(fēng)化程度對(duì)凝灰熔巖的飽和吸水率影響很大，隨著凝灰熔巖風(fēng)化程度的增強(qiáng)，其飽和吸水率將急速增大，相鄰風(fēng)化程度間飽和吸水率的增幅在0.1～2.3之間不等，其中強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的飽和吸水率是未風(fēng)化凝灰熔巖的26.2倍。

1.3 風(fēng)化程度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[9]國家規(guī)范的規(guī)定，推薦采用巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來確定巖石堅(jiān)硬程度、圍巖級(jí)別和巖基承載力等。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

Rck=φ·Rcm

(1)

(2)

(3)

其中，Rck為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa；Rcm為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值；φ為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)；δ為變異系數(shù)；n為試件個(gè)數(shù)；Rci為各試件的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度值,MPa。

根據(jù)上述公式處理后，凝灰熔巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值試驗(yàn)結(jié)果見表1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，凝灰熔巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度受風(fēng)化作用及風(fēng)化程度的影響極為敏感，凝灰熔巖單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值從約110 MPa減小至約30 MPa，減幅達(dá)72.7%，其中相鄰風(fēng)化程度間凝灰熔巖的抗壓強(qiáng)度減幅在31.4%～48.2%，主要原因可能是由于隨著風(fēng)化作用的加強(qiáng)減弱甚至破壞了凝灰熔巖原有巖石的晶粒本身和粒間連接，從而隨著風(fēng)化程度的加深，巖石的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)顯著降低。同時(shí)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)總結(jié)出，福建地區(qū)微風(fēng)化～未風(fēng)化凝灰熔巖的抗壓強(qiáng)度集中在70 MPa～110 MPa之間，屬于堅(jiān)硬巖；強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化凝灰熔巖的抗壓強(qiáng)度集中在30 MPa～50 MPa之間，屬于較堅(jiān)硬巖。

表1 不同風(fēng)化程度下的凝灰熔巖力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

1.4 風(fēng)化程度對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響

由于受試驗(yàn)設(shè)備自身的能力制約，在試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試件將發(fā)生突發(fā)性的破壞，試件被崩裂，只能得到半程應(yīng)力—應(yīng)變曲線。圖2為不同風(fēng)化程度下的應(yīng)力—應(yīng)變半程曲線，每條相應(yīng)的曲線是通過對(duì)同組9個(gè)試件試驗(yàn)得到的曲線加以平均處理后繪制所得。由圖2可知，在不同風(fēng)化程度下，凝灰熔巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線性狀大致可分為空隙裂隙壓密階段、彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段和塑性變形過渡至破裂這3個(gè)階段。加荷初期，該階段的軸向應(yīng)力對(duì)于未風(fēng)化和微風(fēng)化凝灰熔巖約為0 MPa～20 MPa，對(duì)于中風(fēng)化凝灰熔巖約為0 MPa～10 MPa，強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖約為0 MPa～5 MPa。隨著應(yīng)力水平繼續(xù)增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線由直線過渡至向下彎曲，該階段的軸向應(yīng)力對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖約為5 MPa～20 MPa，中風(fēng)化凝灰熔巖約為10 MPa～50 MPa，微風(fēng)化約為20 MPa～70 MPa，未風(fēng)化約為20 MPa～100 MPa。隨著軸向應(yīng)力繼續(xù)增加而應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率也就越來越小，當(dāng)超過峰值強(qiáng)度后，試件就開始破裂直至破壞。

1.5 風(fēng)化程度對(duì)峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變等的影響

峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變是各類工程設(shè)計(jì)和施工中需要重點(diǎn)關(guān)注的物理量，并要控制在合理的區(qū)間內(nèi)，彈性模量和泊松比也是各類工程設(shè)計(jì)和施工中理論和數(shù)值計(jì)算必備的物理參數(shù)。由表1和圖2凝灰熔巖在不同風(fēng)化程度下測(cè)得的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變關(guān)系可知，凝灰熔巖的力學(xué)效應(yīng)對(duì)風(fēng)化程度的影響很敏感，凝灰熔巖的彈性模量、泊松比及到達(dá)峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與風(fēng)化程度的強(qiáng)度基本成線性關(guān)系。微風(fēng)化～未風(fēng)化凝灰熔巖的彈性模量集中在65 GPa～80 GPa，泊松比集中在0.15～0.20；強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng) 化凝灰熔巖的彈性模量集中在10 GPa～30 GPa，泊松比集中在0.23～0.31。

1.6 風(fēng)化程度對(duì)巖石破壞形式的影響

不同風(fēng)化程度下，凝灰熔巖試件的破壞形式可分為X狀雙向剪切破壞(破壞面由兩個(gè)與水平面大致成45°+φ/2的對(duì)稱面組成)、單向剪切破壞為主的破壞、以軸向劈裂破壞(拉伸破壞)為主的破壞等。凝灰熔巖試件典型的破壞形式如圖3所示。

本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，凝灰熔巖試件的破壞形式與風(fēng)化程度似乎不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明凝灰熔巖的破壞形式不僅受風(fēng)化作用影響，還可能比如受：材料自身的堅(jiān)硬程度、微節(jié)理等初始缺陷、巖樣的尺寸大小、加載速率、巖樣兩端面的平整度以及加載板對(duì)巖樣的端部約束條件等影響。

2 風(fēng)化凝灰熔巖強(qiáng)度變化規(guī)律分析

由上述試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)化作用和風(fēng)化程度對(duì)凝灰熔巖的強(qiáng)度有深刻而明顯的影響，根據(jù)上述物理和力學(xué)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，筆者嘗試著采用回歸分析方法中的邏輯斯蒂模型和對(duì)數(shù)方程總結(jié)出了飽和吸水率和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式，擬合出的公式反映出多元線性回歸的R平方值約為0.98，趨近于1，可靠度較高，比較符合文中所研究凝灰熔巖的試驗(yàn)結(jié)果和力學(xué)性質(zhì)，擬合公式如下所示：

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

(4)

其中，Rc為凝灰熔巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度,MPa；wsa為凝灰熔巖飽和吸水率,%。

3 工程應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)工程擬合結(jié)果公式(4)，未風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化程度下，巖石的抗壓強(qiáng)度隨其飽和吸水率而變化的強(qiáng)度驗(yàn)證結(jié)果見表2，同時(shí)也在同類地區(qū)的云中山隧道工程實(shí)例中得到很好地應(yīng)用和進(jìn)一步驗(yàn)證，為該工程設(shè)計(jì)的及時(shí)變更和安全高效開挖掘進(jìn)提供了理論支撐。

表2 風(fēng)化凝灰熔巖在飽水狀態(tài)下的強(qiáng)度值

4 結(jié)語

1)凝灰熔巖的吸水率受風(fēng)化作用的影響很大，隨著凝灰熔巖風(fēng)化程度的增強(qiáng)，其飽和吸水率快速增大，其中強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的吸水率是未風(fēng)化凝灰熔巖的26.2倍。

2)凝灰熔巖的抗壓強(qiáng)度對(duì)風(fēng)化程度極為敏感。隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)，單軸抗壓強(qiáng)度相應(yīng)減小。福建地區(qū)微風(fēng)化～未風(fēng) 化凝灰熔巖的抗壓強(qiáng)度集中在70 MPa～110 MPa，屬于堅(jiān)硬巖；強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化凝灰熔巖的抗壓強(qiáng)度集中在30 MPa～50 MPa，屬于較堅(jiān)硬巖。

3)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明：不同風(fēng)化程度凝灰熔巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀趨勢(shì)大致是相似的。大致可分為空隙裂隙壓密階段、彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段和塑性變形過渡至破裂等3個(gè)階段。

4)凝灰熔巖的力學(xué)效應(yīng)受風(fēng)化程度的影響很敏感，凝灰熔巖的彈性模量及到達(dá)峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與風(fēng)化作用的加深基本成線性降低關(guān)系。凝灰熔巖試件的破壞形式與風(fēng)化程度不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5)采用擬合出的公式計(jì)算出的強(qiáng)度結(jié)果可滿足一般工程的精度，且在文中同類工程中得到了初步應(yīng)用，但需要后續(xù)工程的繼續(xù)驗(yàn)證。