魏国安

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 地质路基处，陕西 西安 710043）

0 引言

众所周知，岩块的单轴抗压强度是一个用来评价岩块力学性质的最简单和最基本的指标，是岩石分类、确定破坏判据以及工程设计时的一个重要的力学特性参数。由于单轴抗压强度这一指标较易获得，使用广泛、方便，且与抗拉和抗剪强度关系密切，如抗拉强度一般为它的3%～30%，抗剪强度为它的7%～15%［1］，所以在工程中得到广泛应用。

多年来，国内外学者在对不同岩石的强度特性等方面开展了持续深入的研究工作，并取得了较多研究成果。S．Okubo等［2］利用自行研制的具有伺服控制系统的刚性试验机完成了大理岩、砂岩、安山岩、凝灰岩和花岗岩的单轴压缩曲线的全过程测试；Richard A．Schultz和 Qizhi Li［3］对美国内华达州Yucca山凝灰熔岩进行单轴压缩试验，计算出了其破坏时的峰值强度和弹性模量；Lajtai等［4］详细讨论了应变速率对脆性石灰岩和延性盐岩等岩石的强度特性；陈宗基［5］结合岩石的流变试验详细讨论了岩石的长期强度的概念，他认为存在一临界强度f3，当压力σ＜f3时，岩石只产生蠕变但不至于破坏；当σ＞f3时，岩石将产生加速蠕变，直至破坏。陈宗基教授称f3为岩石的长期强度。吴绵拔［6］采用气－液式压缩联动系统的快速加载机，在加载速率为1×10－2～1×104MPa·s－1的范围内对两种花岗岩的单轴抗压和抗拉强度特性进行了试验研究；刘雄［7］采用自制的TQ－200岩石剪切流变仪对风化角砾土、炭质泥岩、煤－粘土混合物等采用单体试验方法对他们的抗剪强度特性进行了研究；李永盛［8］采用Instron－1345型电液伺服刚性试验机对55块红砂岩试件进行了9级不同应变加载速率下的单轴压缩室内测试，定量分析了应变速率对单轴抗压强度、峰值应变和破裂形式等力学性态的影响；徐宏发［9］对泥制板岩进行了单轴压缩蠕变试验，讨论了它们的强度和弹性模量的时间效应问题；尤明庆等［10］对岩石试样单轴压缩试验的破坏形式及其承载力降低的主要原因进行了较深入的研究和探讨；彭柏兴等［11］对白垩系泥质粉砂岩进行了单轴抗压试验、载荷试验和高压旁压试验的对比研究，并提出利用岩石单轴抗压强度来估算嵌岩桩承载力的修正公式；梁卫国等［12］通过单轴压缩试验对岩盐的强度特性进行了研究；刘江等［13］通过单轴压缩等试验也对盐岩的短期强度和变形特性进行了研究；刘学增等［14］结合深圳莲盐高速公路隧道围岩中的Ⅱ～Ⅴ级凝灰熔岩进行了双轴剪切流变试验，通过试验结果分析和模型辨识，得到不同围岩级别凝灰熔岩的剪切流变规律和流变模型；王平等［15］对黄土层下覆强风化岩动弹性模量和阻尼比进行了试验研究，获得了在小应变情况下，风化岩体的动应力与动应变关系为明显的非线性弹性关系，基本符合双曲线型模型。

本文依托福建闽南地区泉三高速公路泉州段新岭格隧道的工程实践，为了更好的为闽南凝灰熔岩地区与隧道工程的设计、施工和稳定性分析及科学研究提供数据参考和试验依据，针对已有研究对闽南地区凝灰熔岩强度研究的不足，对风化凝灰熔岩的水理和强度特性的进行系统的试验研究。

1 岩性与试验概述

1．1 闽南凝灰熔岩的岩性特征

凝灰熔岩是我国中生代火山岩的重要组成部分，在我国桂、闽、浙、粤等东南大陆和长江中下游中生代火山岩盆地内广泛分布。在福建闽南地区凝灰熔岩也大量发育，这类岩石晶屑含量一般为30%～40%，其中碱性长石为11%～12%，斜长石为8%～11%，以钠－更长石为主；石英为11%～14%，粗晶粒，具强熔蚀现象，龟裂纹发育；黑云母0．4%～1%，弱－中等暗化，晶屑与基质比值约为34：66；常见副矿物主要有磁铁矿、磷灰石等［16］。晶屑粒度大体上可分为四级：＞2mm，2～1mm，1～0．5mm和＜0．5mm，多形成连续不等粒碎屑结构。岩石的胶结物为玻质熔岩，偶见霏细结构。

由于这类岩石具有的特殊矿物和胶结物成分，加之成岩过程先后经历了岩浆结晶分异、熔离作用和岩浆爆溢喷发流动侵位并伴随内部结晶相矿物和熔离体的碎裂等三个复杂阶段，因此闽南凝灰熔岩细微解理、裂隙较发育，结构较破碎，并易受水、温度和大气等外地质营力的侵蚀作用发生风化。

从岩类学来讲，凝灰熔岩是熔岩与火山碎屑岩之间的一种过渡性岩类，具有由熔离条状体组成的流动构造和大量碎裂状晶屑所组成的连续不等粒碎屑结构，有别于喷溢作用所形成的熔岩。这类岩石不含玻屑、浮岩屑、火山岩等火山碎屑物质，主要由熔岩物质胶结大小不等和形态各异的熔离条状体构成。

福建闽南地区凝灰熔岩的地质特征可概括如下［17］：（1）多呈岩席、岩被或侵出岩穹和脉状体产出，有的则充填于火山通道中，岩席和岩被面积达数十至数百平方公里，产状平缓，常有近直立柱状节理，岩性单一。（2）剖面结构单一，除下部或边部火山碎屑成分稍杂，发育流动构造外，一般整个剖面火山碎屑的种类、含量及基质成分变化不大。（3）岩石组合较简单。（4）流动构造多发育于岩被下部或岩穹边缘的玻基或隐晶质基质的岩石中，基质结构较粗时消失。（5）常发育有良好的柱状节理，特别是缓倾斜乃至平卧柱状节理。

1．2 试验概述

试验所用凝灰熔岩试件取自闽南泉三高速新岭格隧道，共制得38块50mm×50mm×100mm的长方体标准试件，试样精度及烘干和饱水操作均按《工程岩体试验方法标准》［18］进行控制。强度试验采用YAW－2000型微机控制全自动恒应力压力试验机进行，设定最大轴压1 000kN。采用荷载控制方式，加载速度为0．75MPa／s。

2 试验结果及其分析

试验中按岩石风化程度不同将试样分为强风化、弱风化、微风化、未风化等4组进行结果对比。

2．1 风化程度对岩石吸水率的影响

表1是试件在煮沸饱和和自然浸水饱和状态下的吸水率，看出在自然浸水饱和状态下，强风化凝灰熔岩的吸水率是弱风化的2．4倍，是微风化的12．1倍，是未风化下的36．4倍；在煮沸饱和状态下，强风化凝灰熔岩的吸水率是弱风化的2．5倍，是微风化的11倍，是未风化下的26．2倍。可以看出，随着凝灰熔岩风化程度的减弱，其吸水率随之降低，反之越高。韩宝平等［19］认为，随着岩石风化程度的增强，岩石的有效空隙度和平均空隙直径会增大，显然这一认识与本文风化凝灰熔岩吸水率的试验结果相一致。

图1 煮沸饱和状态下吸水率和风化程度的关系Fig．1 Relation between water absorption and weathering under boiled saturation

图2 自然浸水饱和状态下吸水率和风化程度的关系Fig．2 Relation between water absorption and weathering undernatural saturation conditions

2．2 风化程度对岩石单轴抗压强度的影响

抗压强度受到很多因素的影响与制约。这些因素大体可分为两类：其一是岩石本身因素的影响，例如矿物成分、颗粒大小、胶结情况、生成条件、层理结构、容重、含水量、温度及风化程度等；其二是试验条件因素的影响，例如试件几何尺寸、试件加工情况、压力机压头与试件之间的摩擦、加载速率及周围环境（如温度）等。限于工程要求和实验条件的客观条件制约等，本次试验中将主要考虑风化程度对其强度的影响。

表1 不同风化程度下的凝灰熔岩吸水率试验结果统计表Table 1 Water absorption of tufflava under different weathering degrees

表2 不同风化程度下的凝灰熔岩单轴抗压强度试验结果统计表Table 2 Strength of tufflava under different weathering degree

表2显示试件分别在烘干和饱水状态下的强度和各组平均强度。由表2结果可知，烘干状态下，弱风化凝灰熔岩的单轴抗压强度平均值是强风化的1．6倍，微风化凝灰熔岩的单轴抗压强度平均值是强风化的2．2倍，未风化的是强风化的2．8倍；煮沸饱和状态下，弱风化凝灰熔岩的单轴抗压强度平均值是强风化的2．0倍，微风化的是强风化的2．4倍，未风化的是强风化的3．0倍。可以看出风化程度对岩石试件的强度特性有很大的影响，风化程度越高，强度越小，风化程度越弱，强度越大。由于风化作用消弱或破坏了原有岩石的粒间连接和晶粒本身，故随着风化程度的增强，岩石的强度的将逐渐降低，论文的这一试验结果是较为符合实际的。

图3 烘干状态下强度和风化程度的关系Fig．3 Relation between strength and weathering under air－drying conditions

图4 饱和状态下强度和风化程度的关系Fig．4 Relation between strength and weathering under saturation conditions

2．3 不同风化程度下强度变化规律分析

研究表明，风化作用对岩石的强度有深刻而明显的影响［20－21］。本次试验采用了不同风化程度的岩样，笔者尝试着根据试验数据采用回归分析方法得出一些他们的关系式。回归分析方法中主要采用了逻辑斯蒂模型，该模型又称自我抑制性方程，逻辑斯蒂模型的增长到一定阶段时，其增长速率就会逐渐降低，直到总量达到某一最大值而不会无限增大，因此比较符合本文所研究对象的性质。

逻辑斯蒂模型在交通规划预测研究、经济变量随时间变化规律研究和油田可开采储量预测研究等方面得到了广泛应用［22－23］。

不同风化程度下，岩石的强度随试件含水状态不同而变化的规律可用下式表示：

式中：σch为试件在烘干状态下的单轴抗压强度（MPa）；σcb为试件在饱和状态下的单轴抗压强度（MPa）；wa为试件吸水率（%）；wsa为试件饱和吸水率（%）。

经理论计算出的强度与实测值的误差见表3。

表3 凝灰熔岩在烘干状态、饱和状态下的强度值Table 3 Strength of tufflava under air－drying and saturation conditions

3 结论

通过对不同风化程度凝灰熔岩强度特性的试验研究，可到如下几个方面的认识：（1）风化程度对凝灰熔岩吸水特性影响较大。风化程度越弱，吸水率越小，风化程度越强，吸水率越大。

（2）风化程度对凝灰熔岩的单轴抗压强度影响明显。闽南凝灰熔岩风化程度越强，则单轴抗压强度越小，风化程度越弱，则单轴抗压强度越大。

（3）采用逻辑斯蒂模型可以较好的拟合风化凝灰熔岩单轴抗压强度与吸水的关系，其最大误差约为14%，这一结果可满足一般工程应用的精度要求。

在实际测试中，如果没有抗压设备或者由于工程等原因不能全部进行抗压试验时，可采用本文的换算公式估算岩石的单轴抗压强度。

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