不同風(fēng)化程度下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度特性及估算模型研究

鄧 濤 ，廖 軍 ，王陳賓 ，唐 剛 ，錢(qián)小龍 ，龔洪葦

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610059；2.自貢市城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司, 四川 自貢 643000）

風(fēng)化會(huì)影響巖石的性質(zhì)，巖石抗剪強(qiáng)度是工程界關(guān)注的問(wèn)題。機(jī)械和化學(xué)兩種風(fēng)化作用均可影響巖石的力學(xué)特性，在自然界中總是同時(shí)存在的，并相互增強(qiáng)。機(jī)械風(fēng)化通過(guò)力的作用導(dǎo)致巖石產(chǎn)生更多更大的裂縫，增加化學(xué)風(fēng)化的作用面積，從而加快分解速度。同時(shí)，化學(xué)風(fēng)化通過(guò)削弱一些巖石的外部來(lái)促進(jìn)機(jī)械風(fēng)化，這反過(guò)來(lái)使它們更容易被機(jī)械風(fēng)化過(guò)程破壞。灰?guī)r作為一種常見(jiàn)的沉積巖，風(fēng)化程度與抗剪強(qiáng)度之間的變化規(guī)律是灰?guī)r邊坡設(shè)計(jì)與防護(hù)中亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)風(fēng)化作用對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，目前學(xué)界多從風(fēng)化巖樣制備、風(fēng)化程度判定及風(fēng)化作用下的巖石力學(xué)特性開(kāi)展研究。

不同于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)化巖石取樣，室內(nèi)風(fēng)化巖樣的制備可以保證試樣的質(zhì)量，同時(shí)也克服了現(xiàn)場(chǎng)試樣易被無(wú)關(guān)因素干擾的問(wèn)題。為了獲得不同條件下的風(fēng)化巖樣，研究人員在實(shí)驗(yàn)室對(duì)包括泥巖、花崗巖和灰?guī)r在內(nèi)的各種巖石進(jìn)行干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和冷熱循環(huán)處理，模擬風(fēng)化過(guò)程，得到不同風(fēng)化程度的巖樣[1-4]。

巖石風(fēng)化程度的準(zhǔn)確判定為開(kāi)展不同風(fēng)化程度巖石強(qiáng)度研究提供了基礎(chǔ)。為了準(zhǔn)確判定巖石的風(fēng)化程度，研究人員試圖應(yīng)用一些新的儀器和方法[5-10]，對(duì)各種巖石提出定量指標(biāo)，探討其風(fēng)化特征規(guī)律。Cano等[11]提出了潛在退化指數(shù)（PDI），用于描述在非均質(zhì)巖體中露頭的碳酸鹽巖的風(fēng)化行為，消除了由熟化耐久性試驗(yàn)得到的熟化耐久性指數(shù)表征方法的缺陷。早已提出的風(fēng)化巖石與新鮮巖石的波速比方法[12]現(xiàn)今也是常用易行的巖石風(fēng)化程度定量化評(píng)價(jià)手段。

室內(nèi)風(fēng)化巖樣為風(fēng)化對(duì)巖石力學(xué)特性影響研究提供了實(shí)驗(yàn)條件，眾多研究人員對(duì)風(fēng)化影響巖石力學(xué)特性進(jìn)行探討。這些試驗(yàn)表明，風(fēng)化處理后，抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)特性普遍發(fā)生劣化[13-15]?？衫貌煌姆治黾夹g(shù)從微觀/宏觀兩方面解釋風(fēng)化對(duì)巖石微觀/宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響[16]。但上述研究均只討論了風(fēng)化的影響，并未探究風(fēng)化程度對(duì)巖石力學(xué)特性的影響規(guī)律。在探究不同風(fēng)化程度影響方面，F(xiàn)an等[17]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了不同風(fēng)化程度對(duì)閃長(zhǎng)玢巖剪切行為和力學(xué)性質(zhì)的影響。同時(shí)，利用定量指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巖石的工程性質(zhì)并建立指標(biāo)與巖石力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系模型[18-19]，對(duì)工程上快速評(píng)價(jià)巖石力學(xué)強(qiáng)度具有重要意義。

以往的研究未關(guān)注工程上常見(jiàn)的灰?guī)r不同風(fēng)化程度下的抗剪強(qiáng)度特性，也沒(méi)有快速評(píng)估灰?guī)r抗剪強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，不能滿足大量灰?guī)r邊坡工程災(zāi)害防治的需要。因此，本次研究旨在探討風(fēng)化程度對(duì)灰?guī)r抗剪強(qiáng)度特性的影響并建立灰?guī)r抗剪強(qiáng)度估算模型，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室加工的灰?guī)r巖樣干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M巖石風(fēng)化作用，通過(guò)巖石波速比對(duì)巖石風(fēng)化程度進(jìn)行表征，利用巖石表面宏細(xì)觀特征討論，結(jié)合灰?guī)r巖石剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，探討灰?guī)r抗剪強(qiáng)度特性的變化規(guī)律，并建立波速比與灰?guī)r抗剪強(qiáng)度的估算模型。對(duì)在巖體工程中了解不同風(fēng)化程度下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度特性變化規(guī)律及快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)灰?guī)r抗剪強(qiáng)度具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料制備

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獲取的新鮮灰?guī)r試樣，進(jìn)行加工處理得到試樣尺寸為5 cm×5 cm×5 cm（圖1），為確保試樣的均一性，對(duì)所有試樣進(jìn)行篩選，篩選剔除宏觀缺陷試樣、稱重剔除質(zhì)量離散型較大試樣，避免試樣內(nèi)部出現(xiàn)空洞的現(xiàn)象，保證所選灰?guī)r試樣均為未風(fēng)化，最終制成20個(gè)試樣。

圖1 灰?guī)r試樣（部分）Fig.1 Limestone sample (part)

1.2 試驗(yàn)方法

本次研究利用干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M巖石風(fēng)化作用，制作20個(gè)試樣，共分5組，以每4個(gè)試樣為1組。試樣編號(hào)見(jiàn)表1，編號(hào)為1——4的灰?guī)r試樣作為對(duì)照試驗(yàn)組，不進(jìn)行風(fēng)化試驗(yàn)。

表1 灰?guī)r風(fēng)化試驗(yàn)方案Table 1 Limestone weathering test plan

1次干濕循環(huán)過(guò)程是指1次吸水飽和與干燥失水過(guò)程，干濕循環(huán)具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

（1）吸水飽和過(guò)程：為使巖石試樣盡快達(dá)到吸水飽和狀態(tài)，本次采用三維浸沒(méi)吸水法。利用自然浸泡法，浸泡溶液采用Na2SO4溶液，Na2SO4溶液是強(qiáng)電解質(zhì)，由于鹽效應(yīng)，使方解石（灰?guī)r的主要成分為方解石）等難溶解物質(zhì)的溶解度增大，對(duì)灰?guī)r進(jìn)行侵蝕[20]。在試驗(yàn)過(guò)程中將試樣浸沒(méi)于溶液之中，持續(xù)浸泡24 h。

（2）干燥失水過(guò)程：根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范要求，烘干溫度一般規(guī)定為105～110 °C。故本次試驗(yàn)溫度選用110 °C，烘烤12 h進(jìn)行干燥失水試驗(yàn)。

2 風(fēng)化試驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖石風(fēng)化程度判定

開(kāi)展每組灰?guī)r試樣風(fēng)化作用前后的波速測(cè)試，測(cè)得不同巖石風(fēng)化作用的波速值，計(jì)算得到灰?guī)r試樣風(fēng)化作用前后的波速比并進(jìn)行風(fēng)化程度判斷（表2）。由表2可知，其各組灰?guī)r試樣波速值均發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灰?guī)r風(fēng)化作用的模擬，得到了不同風(fēng)化程度的灰?guī)r試樣。

表2 風(fēng)化作用下灰?guī)r波速測(cè)試及風(fēng)化程度判定Table 2 Limestone wave speed test and weathering degree judgment under weathering

2.2 不同風(fēng)化程度灰?guī)r表面宏細(xì)觀特征

風(fēng)化模擬過(guò)程使得巖石表面宏細(xì)觀特征形成差異，呈現(xiàn)出顏色、微裂隙等變化，這些現(xiàn)象是風(fēng)化作用引起巖石風(fēng)化程度變化的直接反映。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同風(fēng)化程度的灰?guī)r試樣，從宏細(xì)觀的角度去定性分析灰?guī)r表面風(fēng)化特征。以1，6，10，16，20號(hào)試樣為例，探討風(fēng)化作用對(duì)灰?guī)r的影響。圖2為顯微鏡放大150倍時(shí)巖樣表面細(xì)觀特征。

由圖2可知，通過(guò)對(duì)不同風(fēng)化灰?guī)r表面的宏細(xì)觀特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)化作用下的灰?guī)r表面宏細(xì)觀特征不盡相同。隨著風(fēng)化程度的增加，巖石表面出現(xiàn)風(fēng)化的現(xiàn)象越發(fā)明顯，表面裂隙逐步增多且增大，表面裂隙的增大更加有利于外界影響因素作用向巖石內(nèi)部的滲入。不同風(fēng)化作用下灰?guī)r的宏細(xì)觀特征總結(jié)如表3所示。

表3 不同風(fēng)化程度灰?guī)r的宏細(xì)觀特征Table 3 Macro and mesoscopic characteristics of limestone with different weathering degrees

圖2 不同風(fēng)化程度灰?guī)r的表面宏細(xì)觀特征Fig.2 Surface macro and mesoscopic characteristics of limestone with different weathering degrees

2.3 風(fēng)化作用下巖石風(fēng)化機(jī)理淺析

巖石是由一種或幾種礦物組成的集合體，其力學(xué)性質(zhì)主要取決于礦物成分和礦物顆粒間的連接作用。水化學(xué)環(huán)境對(duì)巖石的作用包括物理和化學(xué)兩方面的影響。在物理作用方面，水對(duì)巖石內(nèi)顆粒界面的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致礦物顆粒間連接作用減弱，摩擦力降低，水的孔隙壓力會(huì)降低圍壓的有效性，對(duì)微裂隙產(chǎn)生劈裂作用等[20]；在化學(xué)作用方面，水巖化學(xué)作用引起巖石的礦物成分發(fā)生改變并會(huì)使一些礦物溶解，顆粒被水帶走，導(dǎo)致巖石顆粒大小及形態(tài)、微孔隙、微裂隙等細(xì)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[21]，從而影響其力學(xué)性質(zhì)。

如果把巖體看作一種理想的均勻介質(zhì)，風(fēng)化作用對(duì)巖石的影響是一個(gè)由表及里的過(guò)程，表部巖體為風(fēng)化營(yíng)力提供了更為充分的活動(dòng)空間，而在向深部轉(zhuǎn)移的過(guò)程中風(fēng)化營(yíng)力逐漸減弱，因此總體上呈現(xiàn)出表部巖體風(fēng)化強(qiáng)烈而深部巖體風(fēng)化微弱直至終止于某一界限的規(guī)律，如圖3所示。

圖3 巖石風(fēng)化示意圖Fig.3 Diagram showing rock weathering

3 剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)使用YDS-2型攜帶式巖土力學(xué)性質(zhì)多功能試驗(yàn)儀器（圖4），對(duì)不同風(fēng)化程度灰?guī)r在法向應(yīng)力分別為1，2，3，4 MPa下進(jìn)行室內(nèi)巖石強(qiáng)度剪切試驗(yàn)。

圖4 YDS-2型攜帶式巖土力學(xué)性質(zhì)多功能試驗(yàn)儀Fig.4 YDS-2 portable multifunctional tester for the mechanical properties of rock and soil

3.1 風(fēng)化程度對(duì)剪切試驗(yàn)過(guò)程的影響

圖5為不同法向應(yīng)力條件下，灰?guī)r剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖5 所示的試驗(yàn)結(jié)果整體來(lái)看，并結(jié)合文獻(xiàn)[22]，可將灰?guī)r剪切應(yīng)力-位移曲線分為5個(gè)階段：壓密階段、彈性變形階段、剪切破壞階段、峰后跌落階段和滑動(dòng)摩擦階段。

壓密階段：表現(xiàn)為緩慢的變形調(diào)整，剪切應(yīng)力隨剪切位移增長(zhǎng)緩慢。其原因?yàn)閹r石存在微孔隙、微裂隙發(fā)育等缺陷，加載的初期，在剪切力的作用下，巖石的微孔隙、微裂隙被壓密，因此剪切應(yīng)力的增幅較小但是位移卻增幅較大，導(dǎo)致該階段曲線斜率較小。由圖5可知，本次試驗(yàn)中灰?guī)r試樣壓密階段均很短，說(shuō)明本次所用灰?guī)r試樣較為質(zhì)密，僅需少量的變形調(diào)整。從整體上來(lái)看，灰?guī)r試樣剪切變形調(diào)整幅度滿足風(fēng)化程度從弱到強(qiáng)的規(guī)律。

圖5 灰?guī)r剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the shear stress and shear displacement of limestone

彈性變形階段：經(jīng)過(guò)壓密階段作用，巖石逐漸變得質(zhì)密而趨于穩(wěn)定，這時(shí)在剪切力的作用下，灰?guī)r發(fā)生彈性變形，曲線近似1條直線，剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增大大幅增長(zhǎng)。從圖5中可以看到，同一法向應(yīng)力下，不同風(fēng)化程度灰?guī)r試樣曲線彈性變形階段斜率大致相同，風(fēng)化對(duì)剪切彈性變形速率幾乎無(wú)影響。

剪切破壞階段：經(jīng)過(guò)彈性變形階段，可以看到之后很短的一段時(shí)間內(nèi)曲線的斜率減小，直到剪切應(yīng)力達(dá)到峰值，試件發(fā)生剪切破壞。在同一法向應(yīng)力下，不同風(fēng)化程度試樣達(dá)到抗剪強(qiáng)度的位移滿足風(fēng)化程度從弱到強(qiáng)的規(guī)律。

峰后跌落階段：在剪切應(yīng)力達(dá)到峰值之后，剪切應(yīng)力大幅度減少，曲線呈現(xiàn)跌落狀，巖石試件開(kāi)始出現(xiàn)滑移趨勢(shì)。不同試驗(yàn)條件下的灰?guī)r試樣曲線峰后跌落階段并無(wú)明顯規(guī)律。

滑動(dòng)摩擦階段：灰?guī)r試樣在剪切破壞后，表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦，保持有一定的殘余抗剪強(qiáng)度。不同風(fēng)化程度灰?guī)r試樣殘余抗剪強(qiáng)度隨剪切位移的變化總體呈近似水平恒定趨勢(shì)。

3.2 風(fēng)化程度對(duì)灰?guī)r變形破壞特性的影響

干濕循環(huán)模擬風(fēng)化作用改變了巖石的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，破壞了巖石顆?；蚓w間的連接，巖石變得更加脆弱，致使其力學(xué)特性隨之發(fā)生變化。不同風(fēng)化程度灰?guī)r試樣抗剪強(qiáng)度與殘余抗剪強(qiáng)度結(jié)果如表4所示。

表4 抗剪強(qiáng)度與殘余抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)表Table 4 Data of shear strength and residual shear strength

試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一法向應(yīng)力下，灰?guī)r抗剪強(qiáng)度隨著風(fēng)化程度的增加而降低。原因在于風(fēng)化會(huì)使灰?guī)r產(chǎn)生不同程度的軟化，由表及里發(fā)生微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變，產(chǎn)生更多的微孔隙和微裂縫或使原有的孔隙和裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，讓結(jié)構(gòu)變得更加松散，致使其抗剪強(qiáng)度降低。

巖石峰后曲線表征的是破裂后的巖塊材料強(qiáng)度、破裂巖塊排列的結(jié)構(gòu)效應(yīng)以及作用在巖塊上的圍壓這三者共同作用的綜合表現(xiàn)[23]。由表4可知，殘余抗剪強(qiáng)度同樣隨著風(fēng)化程度的增加而降低，總體變化規(guī)律與抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律保持有良好的一致性，但殘余抗剪強(qiáng)度結(jié)果離散性略大，可能是由于不同試樣破裂面的粗糙程度不同，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不同。殘余抗剪強(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度劣化更嚴(yán)重，且隨著風(fēng)化程度的增加劣化速度更快。

3.3 風(fēng)化程度對(duì)灰?guī)r抗剪強(qiáng)度參數(shù)值的影響

風(fēng)化作用對(duì)巖石力學(xué)特性影響最直觀的表現(xiàn)為巖石強(qiáng)度的降低，而巖石的強(qiáng)度受控于其強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ。根據(jù)庫(kù)倫準(zhǔn)則，采用式（1）將各組灰?guī)r試樣在不同法向應(yīng)力條件下的巖石抗剪強(qiáng)度曲線分別進(jìn)行線性擬合，擬合直線的截距和斜率分別為2個(gè)影響巖石強(qiáng)度的重要力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)c、φ（表5）。

表5 不同風(fēng)化程度下灰?guī)r力學(xué)參數(shù)建議值Table 5 Recommended values of the mechanical parameters of limestone under different weathering degrees

式中：τ——灰?guī)r抗剪強(qiáng)度/MPa；

σ——法向應(yīng)力/MPa；

φ——內(nèi)摩擦角/（°）；

c——黏聚力/MPa。

圖6為抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨巖石風(fēng)化程度變化的關(guān)系曲線?？傮w上，灰?guī)r試樣隨著風(fēng)化程度的增加，其黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ均越來(lái)越小，抗剪強(qiáng)度降低。說(shuō)明灰?guī)r試樣在標(biāo)準(zhǔn)硫酸鈉溶液浸泡環(huán)境下力學(xué)性能有一定的劣化，其黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化趨勢(shì)相似。但其關(guān)系曲線集中于風(fēng)化程度不高的灰?guī)r試樣，進(jìn)一步的工作可通過(guò)試驗(yàn)獲得風(fēng)化程度更高的試樣，更廣泛地探究其力學(xué)參數(shù)特性劣化機(jī)制與規(guī)律。

圖6 c、φ值變化曲線Fig.6 Curves of c and φ value

4 風(fēng)化作用下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度估算模型

4.1 模型建立

為快速獲取不同風(fēng)化程度下灰?guī)r的力學(xué)特性與

強(qiáng)度參數(shù)，需建立灰?guī)r風(fēng)化程度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。但由于風(fēng)化程度是一個(gè)定性的判定結(jié)果，不能清楚地量化數(shù)學(xué)關(guān)系，所以采用波速比這一定量判定風(fēng)化程度的指標(biāo)代替風(fēng)化程度，建立波速比與抗剪強(qiáng)度關(guān)系估算模型，可有效解決這一問(wèn)題。根據(jù)室內(nèi)巖石強(qiáng)度剪切試驗(yàn)，繪制出不同風(fēng)化程度灰?guī)r在不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度與波速比之間的關(guān)系曲線（圖7）。

圖7 波速比與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.7 Curves of relationship between the wave speed ratio and shear strength

由圖7可知，在同一法向應(yīng)力條件下，隨著灰?guī)r波速比（kv）的減小即風(fēng)化程度的增大，灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度隨之減小，且二者呈現(xiàn)線性關(guān)系。在不同法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度與波速比之間存在如下關(guān)系式：y=Ax+B，其中系數(shù)A、B與法向應(yīng)力有關(guān)（圖8）。

圖8 系數(shù)A、B與法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.8 Curves of coefficient A, B and normal stress relationship

由圖7、圖8曲線擬合得到灰?guī)r抗剪強(qiáng)度與波速比和法向應(yīng)力的之間的關(guān)系為：

4.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)參數(shù)數(shù)據(jù)建模得到了風(fēng)化作用下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度估算模型，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，需要與建模的數(shù)據(jù)、同批次試樣未參與建模的數(shù)據(jù)、與利用文獻(xiàn)[24]模型計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)等3個(gè)層次進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

（1）依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

利用12個(gè)參與建模的數(shù)據(jù)將對(duì)估算模型成果進(jìn)行反演參數(shù)，得到風(fēng)化灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度等數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證。同樣，將同批次未參與建模的8個(gè)試樣通過(guò)估算模型計(jì)算出其抗剪強(qiáng)度值，再與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比檢驗(yàn)，如圖9所示。其中試樣5，7，8，12，13，14，15，16等8個(gè)試樣未參與建模，其余試樣參與建模。

圖9 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比圖Fig.9 Comparison of indoor test data validation

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用建模數(shù)據(jù)對(duì)估算模型進(jìn)行反演參數(shù)，其抗剪強(qiáng)度模型值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最大僅8.24%。同樣，同批次試樣未參與建模的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算值相對(duì)誤差最大也僅只有9.46%。

（2）與文獻(xiàn)[24]模型的比對(duì)

文獻(xiàn)[24]提出，對(duì)于不同破碎程度與風(fēng)化程度的巖體而言，彈性波測(cè)試是一種有效的確定巖體工程性質(zhì)與風(fēng)化程度的方法。為了進(jìn)一步研究利用彈性波速測(cè)試結(jié)果研究巖體強(qiáng)度參數(shù)，引入彈性波速比，以Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)建立了一個(gè)巖體強(qiáng)度參數(shù)估算模型，并以貴州灰?guī)r為例，利用該模型分析彈性波速比對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響。本次與文獻(xiàn)[24]的模型比對(duì)從不同波速比與不同法向應(yīng)力兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。由于文獻(xiàn)[24]中只給出了抗剪強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力、內(nèi)摩擦角）與波速比或法向應(yīng)力的關(guān)系，沒(méi)有直接給出抗剪強(qiáng)度，而是通過(guò)式（3）來(lái)反演出對(duì)應(yīng)的灰?guī)r抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而用于與本文提出的風(fēng)化作用下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度估算模型的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[24]利用黏聚力與內(nèi)摩擦角通過(guò)式（3）反演抗剪強(qiáng)度值：

式中：σni——法向應(yīng)力/MPa；

φi——內(nèi)摩擦角/（°）；

ci——黏聚力/MPa。

首先，當(dāng)法向應(yīng)力σn=10 MPa時(shí)，在不同波速比條件下，文獻(xiàn)[24]中灰?guī)r黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化如圖10所示。

圖10 波速比與抗剪強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系曲線[24]Fig.10 Relationship between the wave velocity ratio and shear strength parameters[24]

再根據(jù)式（3），通過(guò)反演計(jì)算圖10所示的數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)將利用本文估算模型計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度一并示于圖11中進(jìn)行對(duì)比。

圖11 不同波速比條件下數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比圖Fig.11 Comparison of data validation under different wave velocity ratios

其次，當(dāng)波速比kv=0.5時(shí)，在不同法向應(yīng)力下，文獻(xiàn)[24]中灰?guī)r黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化如圖12所示。

圖12 法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系曲線[24]Fig.12 Relationship between the normal stress and shear strength parameters[24]

再根據(jù)式（3），通過(guò)反演計(jì)算圖12所示的數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)將利用本文估算模型計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度一并示于圖13中進(jìn)行對(duì)比。

圖13 不同法向應(yīng)力條件下數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比圖Fig.13 Comparison of data validation under different normal stresses

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[24]不同波速比下的反演計(jì)算值與本文估算模型計(jì)算值相對(duì)誤差最大為28.02%，同樣，文獻(xiàn)[24]不同法向應(yīng)力下的反演計(jì)算值與本文估算模型計(jì)算值相對(duì)誤差最大為25.37%。從模型效果對(duì)比分析看，本文估算模型與文獻(xiàn)[24]反演計(jì)算值存在一定的差異。差異產(chǎn)生的原因應(yīng)是人為風(fēng)化（浸泡Na2SO4溶液24 h后在105～110 °C下烘干12 h這種循環(huán)風(fēng)化）規(guī)律與大自然的風(fēng)化規(guī)律的明顯差異（從外往里，人為的快速風(fēng)化對(duì)巖塊造成的損傷梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然界緩慢風(fēng)化。人為風(fēng)化損傷深度淺，損傷衰減快速，而大自然風(fēng)化損傷深度深，損傷衰減緩慢）所造成的。

從建模數(shù)據(jù)、同批次試樣未參與建模數(shù)據(jù)、與文獻(xiàn)[24]模型比對(duì)3個(gè)層次檢驗(yàn)來(lái)看，其中室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均小于10%，與文獻(xiàn)[24]模型比對(duì)誤差均小于30%。因此，該風(fēng)化作用下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度估算模型具有良好的可靠性，可快速有效地估算風(fēng)化作用下灰?guī)r的抗剪強(qiáng)度。

5 結(jié)論

（1）利用干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)灰?guī)r進(jìn)行風(fēng)化模擬試驗(yàn)，進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)化巖樣制備，對(duì)不同風(fēng)化作用下灰?guī)r的波速值進(jìn)行測(cè)取，以波速比判定灰?guī)r巖樣的風(fēng)化程度。

（2）隨著風(fēng)化程度的增加，灰?guī)r抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但殘余抗剪強(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度劣化更嚴(yán)重，且劣化速度更快。

（3）灰?guī)r隨著風(fēng)化程度的增加，其黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ均越來(lái)越小，兩者劣化趨勢(shì)相似，但其關(guān)系曲線集中于風(fēng)化程度不高的灰?guī)r試樣，進(jìn)一步的工作可通過(guò)試驗(yàn)獲得風(fēng)化程度更高的試樣，更廣泛地探究其力學(xué)參數(shù)特性劣化機(jī)制與規(guī)律。

（4）利用波速比量化風(fēng)化程度，建立起風(fēng)化作用下灰?guī)r抗剪強(qiáng)度估算模型：τ=1.1183e0.271σkv+ 1.282 7σ0.2303，并通過(guò)了檢驗(yàn)。通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量計(jì)算巖石的波速比，即可快速評(píng)估巖石的抗剪強(qiáng)度特性。但該模型是基于室內(nèi)模擬風(fēng)化結(jié)果建立的，與自然界的風(fēng)化存在一定的差異性，今后可利用天然風(fēng)化巖石進(jìn)行研究，更加符合工程實(shí)際。