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?；究蒲袠I(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，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時平均強(qiáng)度可以達(dá)到70MPa左右。同時可以看出山皮石的尺寸較大時，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，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。箱型圖中存在一個離群點(diǎn)，即數(shù)據(jù)中存在一個極端異常值。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，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個巖石試樣的平均強(qiáng)度為41.66MPa，其中有10個試樣的飽和強(qiáng)度在40MPa以上。山皮石風(fēng)化程度不高時，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，飽和強(qiáng)度會明顯降低。同時強(qiáng)度依然會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。