不同高徑比下極軟巖(泥巖)單軸抗壓強度尺寸效應試驗研究

薛鵬，任東興，黃海，廖宏業，彭界超

（中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610023）

巖石單軸抗壓強度是巖土工程勘察中巖石強度的重要指標，也是評價巖石強度的關鍵參數。不同尺寸巖石的強度存在著力學差異，使得試驗結果呈現明顯強度差別，對巖土工程勘察工作帶來較大困擾，長期以來巖石尺寸效應一直是巖石力學中急待解決的問題之一?！豆こ處r體試驗方法標準》2.7.3 條，對單軸抗壓試樣尺寸提出了要求，推薦圓柱體作為標準試件形狀。沒有條件加工圓柱體試件，允許采用方柱體試件，圓柱體試樣直徑為48～54mm，試樣直徑應大于巖石最大顆粒直徑1 倍，試件高度與邊長之比2.0～2.5，并在成果中說明（GBT50266-2013）

當試件無法制成本標準要求高徑比時，按下列公式對其抗壓強度進行換算：

式中：R 為標準高徑比試件的抗壓強度；R’為任意高徑比試件的抗壓強度；D 為試樣直徑；H 為試樣高度。

在硬質巖尺寸效應對單軸抗壓強度的影響，在高徑比1～2.0 范圍，主要表現出先減小后增大并趨于穩定的變化規律，當高徑比為2.0～2.5 時趨近于穩定值。這與《工程巖體試驗方法標準》建議的標準試驗方法一致。在軟巖尺寸效應研究方面，巖石強度隨著尺寸增大而減?。ǎ愯さ?，2010；張擁軍等，2015；賈麗娜和曾領，2016）。軟巖也明顯出現尺寸效應。

本文通過實際工程案例，對泥巖類極軟巖單軸抗壓強度在不同高徑比下存在的尺寸效應進行了研究，針對高徑比1.0 和2.0 條件下，按《工程巖體試驗方法標準》進行試驗，對比試驗分析不同高徑比下極軟巖單軸抗壓強度尺寸效應影響，對工程實際應用有一定借鑒意義。

1 工程案例

1.1 工程概況

“某科技谷二期項目”項目位于成都市成華區龍潭新經濟產業功能區。

項目用地面積48 884.00m2，總建筑面積208 770.72m2，擬建建筑主要由6 棟18F 商業用房及2F地下室組成，±0.00 標高499.10m。高層建筑擬采用樁基礎，以中風化泥巖作為樁基持力層。

1.2 工程地質及水文條件

根據鉆探場地地層分布情況，場地土主要由第四系全新統人工填土(Q4ml)，第四系中下更新統冰水沉積層（Q1+2fgl）及白堊系中統灌口組（K2g）地層組成。各土層的構成和特征如表1。

表1 場地分區域抗浮參數統計表

表2 典型鉆孔單軸抗壓強度試驗結果

2 巖石試驗強度差異特征

2.1 詳勘中風化巖石試驗結果

在現場鉆探過程中對各類土層進行了取樣，在取樣封樣后及時送往試驗室，試驗室按《巖土工程勘察規范》GB50021 試樣高度與直徑之比宜為2.0倍進行制樣、磨樣，并進行單軸抗壓強度試驗，結果如下：

圖1 鉆探取芯特征圖

從上表可以明顯看出，一是中風化泥巖在豎向分布上的不均勻性，軟弱夾層分布較多；二是在平面分布上，巖石單軸抗壓強度強度差異較大，范圍從1.04～5.31 MPa。

詳勘報告對泥巖強度參數通過統計分析后，變異系數較大，一方面對強度較低，埋深較淺的按強度進行劃分為強風化，在中風化層內整體強度較高，夾層較?。ㄐ∮?0 cm）時不單獨劃分夾層，其余考慮劃分為夾層，同時進一步統計后，中風化泥巖單軸抗壓強度值為3.9 MPa。

2.2 不同試驗高度結果的差異特征

根據本項目一期勘察成果，中風化泥巖強度參數為5.1 MPa，第三方進行取芯及試驗，委托試驗室采用非標準高徑比樣品進行試驗，高徑比取為1.0，并按上述公式進行了折減，樣品強度選用三個鉆孔，試驗結果如下圖：

（1）補勘試驗結果，單軸抗壓強度范圍值0.8～8.67 MPa，平均值3.75 MPa；

（2）從單孔試驗數據看出，泥巖巖石強度整體在5 MPa 以下，屬于極軟巖；

（3）強度呈波浪形分布，說明強度受沉積作用及環境影響較大，軟弱夾層有一定規律；

（4）從試驗統計結果與詳勘試驗結果相比，高徑比越小，單軸抗壓強度試驗值越大。

（5）取樣深度與單軸抗壓強度沒有直接相關性。

3 巖石尺寸效應研究

3.1 試驗模型

試驗模型基于極軟巖中泥巖，樣品選擇每組對比試驗采用同一位置巖芯制作不同高徑比試樣，進行單軸抗壓強度試驗，對比結果、分析巖石破壞特征，對泥巖尺寸效應。

3.2 對比試驗

本次選取中風化泥巖作為實驗研究對象，對24 塊不同高徑比泥巖進行強度試驗研究。試件按不同高徑比分為兩組，一組高徑比為1.0，另一組高徑比為2.0。對于對比試驗方案有如下特別要求：①對每組不同高徑比對比樣，采樣在同一位置；②相關實驗儀器設備和樣品加工依據相關規范要求進行。

圖3 對比試樣圖

圖4 單軸抗壓強度試驗

3.3 試驗結果

對24 塊不同高徑比泥巖進行了的強度試驗結果如圖5。試驗結果表明，當高徑比為1.0 時，同條件巖石試驗強度整體大于高徑比為2.0 試樣（除個別受原試驗裂隙或者構造因素外），強度比范圍1.32～1.89。根據《工程巖體試驗方法標準》中，對非標準樣品進行強度折減為標準樣品，對比依然出現明顯的尺寸效應。

圖5 單孔巖石試樣成果圖

3.4 破壞特征

觀察試樣破壞特征（圖6、7），高徑比為1.0時，總體屬于剪切破壞，角度范圍45°～57°；當高徑比為2.0 時，破壞屬剪切破壞與劈裂破壞，角度范圍在54°～68°；

圖6 巖石試樣破壞特征

圖7 試樣結晶物破壞特征

試樣有構造微裂隙或粘土礦物結晶體時，破裂面與軟弱結構面角度一致，破裂角度不在剪切角度范圍內，并不能很好體現尺寸效應影響。

4 結論

通過對比及分析試驗結果，得出以下結論：

（1）高徑比越大，對單軸抗壓強度影響越大，強度越低。高徑比為1.0 樣品按規范折減后強度仍遠大于高徑比2.0 樣品。

（2）隨著高徑比增加,巖樣破壞由正常剪切破壞轉變為復雜劈裂破壞，破裂面角度增大，受端頭約束作用減小。

（3）高徑比取2.0 倍時，不受端頭約束影響破裂角提高至68。附近，端頭約束對真實破裂面的影響范圍縮??；本次試驗未考慮不同直徑對單軸抗壓強度影響。

（4）極軟巖對高徑比為非標準樣品，單純采用規范折減法并不能與標準樣品強度符合，存在規范適用性問題，與硬質巖有一定區別。

（5）本文僅對高徑比為1.0 和2.0 極軟巖進行了分析對比。巖石具非均一性、各向異性和不連續性等特點,本文未對不同巖性,巖石含水率對抗壓強度也有一定影響。