基于點荷載的隧道洞渣飽和抗壓強度快速評價方法

謝京諭, 李化建, 王 振, 黃法禮, 易忠來

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司, 北京 100081; 2. 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400044; 3. 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081)

0 引言

隨著我國河砂限采和禁采政策的實施,天然河砂資源面臨嚴重緊缺的局面。山區(qū)鐵路、公路建設(shè)過程中產(chǎn)生的上億方隧道洞渣存在堆存占地、維護成本高、污染環(huán)境等風(fēng)險[1]。利用隧道洞渣生產(chǎn)機制砂可以有效緩解河砂供不應(yīng)求的問題,同時對于加快實現(xiàn)建筑領(lǐng)域“雙碳”目標具有重要意義[2]。但由于圍巖等級和開挖方式的差異,隧道洞渣性能波動大、形狀不規(guī)則、含水率差距大,導(dǎo)致隧道洞渣制備的機制砂性能不穩(wěn)定,質(zhì)量控制難[3-4]。Q/CR 9570—2020《鐵路機制砂場建設(shè)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,當選擇隧道洞渣作為機制砂料源時,應(yīng)確保料源母巖符合要求、性能穩(wěn)定,且能夠成區(qū)段、成規(guī)模。GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》規(guī)定以飽和抗壓強度作為巖石堅硬程度的定量評價標準。因此,飽和抗壓強度是隧道洞渣用作建筑材料的重要參考指標。李化建等[5]提出飽和抗壓強度≥60 MPa的隧道洞渣可用于制備強度等級為C40及以下的混凝土用機制砂石。

點荷載作為一種快速評價方式,在評價巖石抗壓強度方面得到廣泛應(yīng)用。由于不同學(xué)者所研究巖石的巖性、塊體形狀和含水率等不同,且已有研究表明點荷載強度指數(shù)與抗壓強度之間難以得到統(tǒng)一的關(guān)系式,但兩者間存在良好的相關(guān)性[6],因此,將點荷載用于隧道洞渣強度表征具有可行性。為對機制砂母巖強度進行快速評價,Q/CR 865—2022《鐵路混凝土用機制砂》首次規(guī)定將點荷載強度指數(shù)應(yīng)用于機制砂生產(chǎn)過程中的母巖力學(xué)性能評價。但點荷載強度指數(shù)受多種因素影響,不同標準中對于點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度的關(guān)系模型也存在差異[7-8]。李少乾等[9]對比了徑向、軸向2種點荷載加載方式,發(fā)現(xiàn)均能與抗壓強度建立良好聯(lián)系。Heidari等[10]提出不規(guī)則塊體點荷載強度指數(shù)與規(guī)則試樣間的點荷載強度指數(shù)存在差異,在抗壓強度較高的巖石中差異更為明顯。Kaya等[11]、張元胤等[12]的研究表明,巖石種類數(shù)量會影響試驗結(jié)果,若采用少量幾種巖石評價抗壓強度會導(dǎo)致結(jié)果準確性降低。此外,由于巖石強度的吸水軟化效應(yīng),含水率也對結(jié)果有顯著影響[13-15]。

通過點荷載強度指數(shù)實現(xiàn)巖石飽和抗壓強度快速評價是目前工程中的急切需求,但目前針對不規(guī)則塊體研究較少,且需要對試件進行預(yù)飽和處理[16-17],這使得測量時間長,不利于快速評價。本文以20種不同巖性隧道洞渣為研究對象,研究不規(guī)則塊體與含水狀態(tài)對點荷載強度指數(shù)的影響規(guī)律,探討隧道洞渣點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度的相關(guān)性,提出基于點荷載的飽和抗壓強度預(yù)測方法,以期為隧道洞渣機制砂制備過程中的質(zhì)量控制提供支撐。

1 材料與試驗方法

1.1 材料

隧道洞渣試樣來自8個省市,包含灰?guī)r、砂巖、白云巖、大理巖、花崗巖等20個種類。試樣巖性與主要礦物組成如表1所示。

表1 隧道洞渣試樣巖性與主要礦物組成Table 1 Lithology and main mineral composition of tunnel muck

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

試驗前,將洞渣加工為2種試樣,如圖1所示。第1種是參照TB 10115—2014《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》制備的φ30 mm×30 mm規(guī)則圓柱試樣,用于徑向、軸向2種點荷載試驗,以及φ50 mm×50 mm規(guī)則圓柱試樣,用于單軸抗壓強度試驗;第2種是破碎后的不規(guī)則塊體試樣,其加載點間距(D)與通過兩加載點的最小截面平均寬度之比為0.3～1.0,加載點至自由端的距離大于0.5D,主要用于不規(guī)則塊體的點荷載試驗。

(a) 鉆芯用巖石塊

(b) 規(guī)則圓柱試樣

(c) 不規(guī)則塊體試樣圖1 試驗所用巖石試樣Fig. 1 Rock samples used in test

1.2.2 預(yù)處理

參照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》,將試樣制備成烘干狀態(tài)、自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)3種。烘干狀態(tài)試樣需在105 ℃下烘干24 h;自然狀態(tài)試樣無需特殊處理,置于常溫常壓下保存;飽和狀態(tài)試樣采用自由吸水法,在常溫常壓下吸水48 h。

1.2.3 抗壓強度試驗

參照《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》測試隧道洞渣抗壓強度,并依據(jù)該標準中附錄C.1對測試結(jié)果進行修正,如式(1)所示。

(1)

式中:R為直徑50.0 mm、高徑比2.0的巖石試件單軸抗壓強度,MPa;R′為高徑比不為2.0時的巖石試件單軸抗壓強度,MPa;H為試件高,mm;d為試件直徑,mm。

1.2.4 點荷載試驗

參照《工程巖體分級標準》,采用STDZ-3數(shù)顯點荷載試驗儀進行加載方式為徑向、軸向以及不規(guī)則塊體的點荷載試驗。點荷載強度指數(shù)計算采用《工程巖體分級標準》中的計算方法。主要步驟如下:

未經(jīng)修正的巖石點荷載強度指數(shù)計算公式為:

(2)

式中:Is為未經(jīng)修正的點荷載強度指數(shù),MPa;P為試件破壞荷載,N;De為等效巖芯直徑,mm。

徑向、軸向加載以及不規(guī)則塊體加載試驗,其等效巖芯直徑De分別按式(3)—(5)計算。

徑向加載:De=D。

(3)

(4)

(5)

式(3)—(5)中:D為加載點間的距離,mm;A為通過兩加載點的最小截面積,mm2;W為通過兩加載點的最小截面平均寬度,mm。

為保證試驗結(jié)果的可比性,將試驗結(jié)果統(tǒng)一修正為等效巖心直徑De=50 mm時的點荷載強度指數(shù)Is(50),即標準點荷載強度指數(shù),計算公式為:

(6)

式中m為修正指數(shù),可取0.40～0.45,文中m取值為0.45。

徑向和軸向加載均選擇12組有效數(shù)據(jù),舍去最大值與最小值后取算數(shù)平均值;不規(guī)則塊體加載選擇16個有效數(shù)據(jù),并舍去2個最大值與2個最小值后取算數(shù)平均值。

1.2.5 吸水率試驗

參照《工程巖體試驗方法標準》,采用自由浸水法進行隧道洞渣吸水率試驗。試樣選擇不規(guī)則塊體,最長邊為60～80 mm,寬度為40～60 mm,厚度為20～40 mm。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度相關(guān)性

飽和狀態(tài)下隧道洞渣點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度測試結(jié)果見表2。由表可知,飽和狀態(tài)下,不同巖性巖石點荷載強度指數(shù)最低為1.77 MPa,最高為18.72 MPa;飽和抗壓強度最小為60 MPa,最大為152 MPa。本試驗所用試樣飽和抗壓強度均滿足《鐵路混凝土用機制砂》母巖飽和強度大于60 MPa的規(guī)定,但點荷載強度指數(shù)存在小于3.0 MPa的情況。這是因為《鐵路混凝土用機制砂》規(guī)定測試試樣為自然含水狀態(tài),點荷載強度指數(shù)隨著洞渣含水率的增加而降低;另外,隧道開挖易使隧道洞渣內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋,導(dǎo)致點荷載強度指數(shù)降低。

表2 隧道洞渣點荷載強度指數(shù)(飽和狀態(tài))與飽和抗壓強度Table 2 Tunnel muck point load strength index (saturated) and saturated compressive strength MPa

飽和狀態(tài)下沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖隧道洞渣點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度關(guān)系如圖2所示。由圖可知,飽和狀態(tài)下3類巖性的隧道洞渣點荷載強度指數(shù)與單軸抗壓強度均呈線性正相關(guān),巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖的相關(guān)性系數(shù)分別為0.95、0.89、0.81,沉積巖具有更好的線性相關(guān)性,擬合關(guān)系見式(7)—(9)。

圖2 飽和狀態(tài)下點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度關(guān)系Fig. 2 Relationship between point load strength index and saturated compressive strength in saturated state

UCS飽和巖漿巖=4.49Is(50)不規(guī)則+58.78。

(7)

UCS飽和沉積巖=4.64Is(50)不規(guī)則+66.69。

(8)

UCS飽和變質(zhì)巖=6.55Is(50)不規(guī)則+58.19。

(9)

式(7)—(9)中: UCS飽和為飽和抗壓強度,MPa;Is(50)不規(guī)則為不規(guī)則塊體點荷載強度指數(shù),MPa。

2.2 點荷載強度指數(shù)與抗壓強度關(guān)系式對比

巖石單軸抗壓強度與點荷載強度指數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式見表3。由表可知,單軸抗壓強度與點荷載強度指數(shù)的經(jīng)驗公式種類主要包括線性函數(shù)-零截距式、線性函數(shù)-非零截距式、冪函數(shù)、二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)。

表3 巖石單軸抗壓強度和點荷載強度指數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式Table 3 Conversion formula of rock uniaxial compressive strength and point load strength index

不同點荷載強度指數(shù)與單軸抗壓強度轉(zhuǎn)換關(guān)系的比較如圖3所示。

圖3 不同點荷載強度指數(shù)與單軸強度轉(zhuǎn)換關(guān)系比較Fig. 3 Comparison of transfer relationship between point load strength index and uniaxial compressive strength

由圖3可知: 1)對比現(xiàn)有2種標準,國際巖石力學(xué)學(xué)會提出的15～50轉(zhuǎn)換系數(shù)范圍變化大,若采用任意系數(shù)預(yù)測抗壓強度,誤差高達100%; 2)不同的轉(zhuǎn)換關(guān)系式具有各自的適用條件,《鐵路混凝土用機制砂》規(guī)定飽和抗壓強度≥60 MPa的母巖可用于制備機制砂石,擬合關(guān)系式(7)—(9)與Fener[19]提出的線性函數(shù)-非零截距式近似,且截距均接近于60 MPa。因此,擬合關(guān)系式(7)—(9)對于預(yù)測機制砂用隧道洞渣母巖飽和抗壓強度具有適用性。

2.3 加載方式對點荷載強度指數(shù)的影響

2.3.1 點荷載試樣破壞形態(tài)對比

不同加載方式下點荷載試樣破壞面如圖4所示。由圖可知,徑向、軸向以及不規(guī)則3種加載方式下,在與加載端接觸的部位出現(xiàn)了白色粉化區(qū)域,這是因為試樣破壞主要由加載點連線軸上的應(yīng)力所決定。開始加載時,點荷載試樣表面加載點附近首先受到壓應(yīng)力[22],巖石表面應(yīng)力集中出現(xiàn)粉化;當荷載增大時,由于試件內(nèi)部主要以拉應(yīng)力為主[23],當加載端附近的應(yīng)力超過試樣承受范圍后出現(xiàn)裂紋并不斷擴展深入,最終試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。無論是采用規(guī)則圓柱試樣還是不規(guī)則塊體試樣,試樣表面以及內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律是一致的,因此,隧道洞渣不規(guī)則塊體適用于點荷載試驗。

(a) 徑向試驗

(b) 軸向試驗

(c) 不規(guī)則試驗圖4 不同加載方式下點荷載試樣破壞面Fig. 4 Failure surface of point load specimen under different loading modes

2.3.2 點荷載強度指數(shù)變化趨勢

隧道洞渣在不同含水狀態(tài)下3種加載方式的點荷載強度指數(shù)變化如圖5所示。由圖可知,在烘干狀態(tài)、自然狀態(tài)以及飽水狀態(tài)下,3種加載方式的點荷載強度指數(shù)變化趨勢均保持一致,軸向加載與徑向加載得到的點荷載強度指數(shù)相近,且均大于不規(guī)則加載。當軸向點荷載強度指數(shù)小于8 MPa時,規(guī)則試樣與不規(guī)則塊體的點荷載強度指數(shù)相差較小,而當軸向點荷載強度指數(shù)大于8 MPa時,規(guī)則試樣與不規(guī)則塊體的點荷載強度指數(shù)差異變大。

(a) 烘干狀態(tài)

(b)自然狀態(tài)

(c) 飽水狀態(tài)圖5 不同加載方式下狀態(tài)點荷載強度指數(shù)變化Fig. 5 Change of point load strength index with different loading modes

2.3.3 點荷載強度指數(shù)差異對比

不同加載方式下點荷載強度指數(shù)差值的絕對值對比如圖6所示。由圖可知,同一含水狀態(tài)下,徑向加載與軸向加載的點荷載強度指數(shù)差值在3.0 MPa以下,且波動范圍小。當軸向點荷載強度指數(shù)小于8.0 MPa時,不規(guī)則加載與軸向加載的點荷載強度指數(shù)差值波動小,為0～2.5 MPa;當軸向點荷載強度指數(shù)大于8.0 MPa時,差值波動大,為2.5～12.0 MPa。

(a) 烘干狀態(tài)

(b) 自然狀態(tài)

(c) 飽水狀態(tài)圖6 不同加載方式下點荷載強度指數(shù)差值的絕對值對比Fig. 6 Comparison of absolute value of point load strength index difference under different loading modes

不同加載方式對隧道洞渣點荷載強度指數(shù)具有明顯影響。當隧道洞渣強度較低時,徑向加載、軸向加載和不規(guī)則加載結(jié)果相近,因此,現(xiàn)場隧道洞渣開挖過程難以獲取芯樣時,可采用不規(guī)則塊體點荷載強度指數(shù)替代規(guī)則芯樣進行點荷載試驗。依據(jù)《工程巖體分級標準》的預(yù)測公式可知,點荷載強度指數(shù)為8 MPa時,飽和抗壓強度約為110 MPa。因此,當隧道洞渣飽和抗壓強度超過110 MPa時,加載方式對點荷載強度指數(shù)有顯著影響。這是因為相比于規(guī)則圓柱芯樣,隧道洞渣不規(guī)則塊體內(nèi)部存在微裂紋等損傷,損傷程度隨母巖強度而變化,母巖強度越高,損傷程度越大,點荷載強度指數(shù)下降越明顯[17]。

2.4 含水率對點荷載強度指數(shù)的影響

2.4.1 點荷載強度損失率與含水率的關(guān)系

隧道洞渣不規(guī)則塊體點荷載強度損失率與含水率的相關(guān)性如圖7所示。由圖可知,隧道洞渣點荷載強度指數(shù)與含水率呈負相關(guān),含水率越高,點荷載強度損失率越大。由表1可知,砂巖中含有石英、水云母等礦物,石英的水解作用會降低巖石顆粒間的黏聚力,水云母的黏土性質(zhì)使其與自由水相互作用,發(fā)生軟化或溶解,降低膠結(jié)力,導(dǎo)致強度下降。因此,含水率對隧道洞渣強度具有重要影響。

圖7 隧道洞渣點荷載強度損失率與含水率相關(guān)性Fig. 7 Correlation between point load strength loss rate and water content of tunnel muck

點荷載強度指數(shù)損失率

(10)

式中:S損失率為隧道洞渣點荷載強度指數(shù)損失率,%;IS(50)損失前為隧道洞渣吸水前的點荷載強度指數(shù),MPa;IS(50)損失后為隧道洞渣吸水后的點荷載強度指數(shù),MPa。

點荷載強度指數(shù)損失率與含水率的擬合關(guān)系見式(11),可知隧道洞渣點荷載強度損失率與含水率高度線性相關(guān),相關(guān)性系數(shù)R2=0.93。

S損失率=17.40ω+9.45。

(11)

式中ω為隧道洞渣含水率,%。

2.4.2 點荷載強度飽和損失率取值分析

隧道洞渣點荷載強度飽和損失率推薦取值見表4。點荷載強度飽和損失率表示隧道洞渣不規(guī)則塊體由烘干狀態(tài)到飽和狀態(tài)的點荷載強度損失率,點荷載飽和強度損失率與軟化系數(shù)之和為1。由表可知,不同巖性巖石飽和吸水率具有階段性特征;大部分巖石飽和吸水率在0.7%以下,點荷載強度損失率不超過25%,軟化系數(shù)高于0.75;飽和吸水率在0.08%～0.39%時,點荷載強度飽和損失率為5%～15%;飽和吸水率在0.40%～0.70%時,點荷載強度飽和損失率為15%～25%;飽和吸水率在2.0%～2.5%時,點荷載強度飽和損失率為45%～55%。取每一階段中位數(shù)為該階段隧道洞渣點荷載強度飽和損失率,即10%、20%、50%。參照《鐵路混凝土用機制砂》中軟化系數(shù)≥0.8的規(guī)定,軟化系數(shù)對于隧道洞渣不規(guī)則塊體點荷載強度飽和損失率應(yīng)≤0.2,依據(jù)表4得隧道洞渣吸水率應(yīng)≤0.7。

表4 點荷載強度飽和損失率推薦取值Table 4 Recommended values of saturation loss rate of point load strength

2.5 隧道洞渣飽和抗壓強度預(yù)測公式

獲得任意含水狀態(tài)下的隧道洞渣飽和點荷載強度指數(shù),是實現(xiàn)快速評價隧道洞渣飽和抗壓強度的關(guān)鍵。隧道洞渣含水率與點荷載強度指數(shù)損失率具有高度線性相關(guān)性,因此,烘干狀態(tài)隧道洞渣點荷載強度指數(shù)可由任意含水狀態(tài)的隧道洞渣點荷載強度指數(shù)求得,如式(12)所示。

(12)

式中:Is(50)烘干為烘干狀態(tài)下隧道洞渣點荷載強度指數(shù),MPa;Is(50)任意為任意含水狀態(tài)下的隧道洞渣點荷載強度指數(shù),MPa。

依據(jù)表4中不同巖性隧道洞渣點荷載強度飽和損失率的推薦取值,可知飽和狀態(tài)的隧道洞渣點荷載強度指數(shù)

Is(50)飽和=Is(50)烘干(1-S飽和損失率)。

(13)

式中:Is(50)飽和為飽和狀態(tài)下隧道洞渣點荷載強度指數(shù),MPa;S飽和損失率為烘干到飽和狀態(tài)下的隧道洞渣點荷載強度指數(shù)損失率,%。

聯(lián)立式(7)—(13)分別得到巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖的隧道洞渣飽和抗壓強度預(yù)測公式,如式(14)—(16)所示。

(14)

(15)

(16)

由式(14)—(16)可知,隧道洞渣飽和抗壓強度預(yù)測公式以不規(guī)則塊體點荷載強度指數(shù)、巖石含水率以及點荷載強度飽和損失率為參數(shù),其優(yōu)勢在于可以采用任意含水率的隧道洞渣預(yù)測其飽和抗壓強度,且無需對試樣進行飽和處理,有利于隧道洞渣制備機制砂石前的快速評價。

3 結(jié)論與建議

1)隧道洞渣不規(guī)則塊體點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度線性相關(guān)性高,采用點荷載可以快速評價機制砂用隧道洞渣的飽和抗壓強度。建議不同巖性洞渣分類擬合點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度之間的關(guān)系。

2)隨著隧道洞渣強度的提高,不規(guī)則塊體的點荷載強度指數(shù)與規(guī)則圓柱試樣之間的數(shù)值差異愈加明顯,當軸向點荷載強度指數(shù)小于8.0 MPa時,2種試樣數(shù)值接近;當軸向點荷載強度指數(shù)大于8.0 MPa時,應(yīng)單獨試驗建立點荷載強度指數(shù)與飽和抗壓強度的相關(guān)性。

3)基于洞渣巖性提出了飽和狀態(tài)下點荷載強度指數(shù)損失率推薦值,建立了隧道洞渣飽和抗壓強度與點荷載強度指數(shù)、點荷載強度飽和損失率、含水率之間的關(guān)系式,對飽和抗壓強度≥60 MPa的洞渣母巖強度預(yù)測可靠度高,可實現(xiàn)無預(yù)飽水的機制砂用隧道洞渣飽和抗壓強度預(yù)測。

4)隧道洞渣巖性復(fù)雜、性能波動大,點荷載強度指數(shù)主要對機制骨料用隧道洞渣力學(xué)性能進行快速評價,但隧道洞渣有害物質(zhì)含量、堿活性、堅固性和抗凍性等快速評價技術(shù)尚且空白,亟待開展相關(guān)研究,以確保洞渣機制骨料的品質(zhì)。