马 成，石云方，刘泽炬，邓 藤，李慎刚

(1.中铁七局集团第三工程有限公司 西安市 710032; 2.东北大学 资源与土木工程学院 沈阳市 110819)

※基金项目：国家自然科学基金项目(51878127)；中央高校基本科研业务费项目(N180104013)

0 引言

山皮石在工程中可以大量地就地取材，在公路工程路基处理中广泛应用[1]。但山皮石的强度及形状受风化程度影响较大，在工程实践中对山皮石强度的测定存在困难，而且风化对强度所带来的影响也难以判断，为研究山皮石填筑路基的承载力情况，对山皮石试样进行试验。

点荷载试验具有对试样的形状要求不高的优点，在国内外被广泛应用。对于不同种类岩石，国内外学者进行了大量实验，证实点荷载强度与单轴抗压强度在不同情况下均有良好的相关性[2]，因此点荷载试验对山皮石强度的测定有着重要的帮助。这种试验方法由于试件状况、仪器误差等方面受实际影响较大[3]，其计算结果还需要进一步研究和讨论。依据《工程岩体分级标准》[4](GB/T 50218—2014)中给出的公式统一进行换算。

1 试验概况

1.1 试验原材料

所使用的山皮石试样取自吉林地区，如图1所示。山皮石的性能指标通过泡水饱和、烘干试验测得如表1所示。

图1 山皮石试样

表1 山皮石部分性能指标

1.2 试验方法

点荷载试验：试验试样由于尺寸限制，没有取得单轴抗压强度的条件时，采用点荷载试验测定点荷载强度指数，并按式(1)、式(2)换算单轴抗压强度。本次利用《公路工程岩石试验规程》[5](JTG E41—2005)点荷载试验的方法，对山皮石强度进行测定，讨论山皮石在自然条件下的强度特征及饱和后的强度变化情况。

IS(50)=FIS

(1)

(2)

式中：F为尺寸修正系数；IS为岩石点荷载强度；IS(50)为经尺寸修正后的岩石点荷载强度指标，由试样被两加荷锥头压裂时的极限荷载与破坏面等效圆直径的平方之比表示。

2 点荷载试验

2.1 试验方案

对试样分别进行天然条件和饱和条件下的点荷载试验。直接取天然条件的山皮石试样，共进行5组点荷载试验，每组15块试样，共75块试样。其中在第4组、第5组中随机取破坏后的部分试样为对照组泡水饱和，再进行饱和条件下的点荷载试验，对比饱和前后山皮石的强度变化。饱和条件根据规范要求先注水至试样的1/4高度，以后每隔2h分别注水至1/2、3/4处，6h后加水至顶面超出2cm左右，再自由保水48h达到饱和状态。

饱和条件下的点荷载试验除上述对照组外，再进行6组试验，每组3块试样，共18块试样，分析饱和条件对山皮石强度的影响。

2.2 天然条件下的点荷载试验

2.2.1试验结果

天然条件下的点荷载试验每组平均断面面积及强度如表2所示。

表2 天然条件点荷载试验结果

从表2中可知，在试验结果中，山皮石的平均强度在40MPa以上，断面面积在1300mm2时平均强度可以达到70MPa左右。同时可以看出山皮石的尺寸较大时，强度相对较低，符合岩石强度尺寸效应。实验数据的强度分布如图2所示。

图2 天然条件强度分布直方图

2.2.2结果分析

为研究山皮石强度的离散情况，引入箱型图对数据进行探索性分析。箱型图用作显示一组数据分散情况，便于识别数据的分布并可以检测出异常数据。其主要由5个点绘制而成，包括上边缘值Tmax，上四分位数Q3，中位数，下四分位数Q1，下边缘值Tmin。当数据出现在上下边缘值以外时，可以认为是异常值。

如图3所示：下四分位值约为38.9MPa，即有25%的数据小于38.9MPa；中位数约为61.9MPa；上四分位值约为86.0MPa，即有75%的数据小于86.0MPa。箱型图中存在一个离群点，即数据中存在一个极端异常值。数据整体不满足正态分布，呈现左偏态，即强度相对较小的数据占多数，高强度的数据离散性更大。不考虑异常值后，数据的最小值为13.9MPa，最大值为131.6MPa。

图3 强度箱型图

山皮石试样在相近断面面积下强度有较大的差异，表明风化程度对强度的影响较大。为降低数据离散程度的影响，对数据结果进行分组，以分组后数据的方差和达到最小值的强度为界限，对数据进行分组。

经计算，以63MPa为界限时，分组数据拟合效果较好，拟合情况如图4所示。

图4 分组强度变化规律

两组数据变化规律相近，试样强度首先有一个上升段，并在1500mm2左右达到峰值，随后强度随断面面积的增大而减小。两组数据平均强度相差约50MPa，表现出风化对岩石抗压强度有较大影响。

2.3 饱和条件下的点荷载试验

饱和条件下的点荷载试验每组平均强度如表3所示。

表3 饱和条件点荷载试验结果

18个岩石试样的平均强度为41.66MPa，其中有10个试样的饱和强度在40MPa以上。山皮石风化程度不高时，其在饱和状态下仍能保持较高强度。

饱和条件下的强度与含水率及断面面积的关系如图5、图6所示。

由图5、图6可知，山皮石试样的强度随着含水率的增大明显减小，但同样呈现较大的离散性，当山皮石试样风化程度较高时，饱和强度会明显降低。同时强度依然会随着断面面积的增大而减小。

图5 含水率—强度图

图6 面积—强度图

2.4 对照组数据及分析

共取8个试样，对其天然强度、饱和强度进行对照分析，数据如表4所示。

表4 对照组点荷载试验结果

除编号5-12试样以外，各试样饱和强度均有所减小，平均减小值为30.58MPa。各试样的饱和含水率一般在2%以下，但强度减小幅度与饱和含水率的变化没有明显的线性关系。大部分试样的软化系数小于0.75，属于易软化的岩石，水的作用对山皮石的强度有较大影响。上述试验说明，在饱和条件下，饱和含水率并不一定是影响山皮石强度的决定因素，强度主要由岩石本身性质决定，但饱和会大幅降低山皮石的强度。

3 总结

(1)山皮石的点荷载强度离散度较大，且分布呈现左偏态。其受风化程度影响较大，但整体强度较高，有75%的点荷载强度在38.9MPa以上，属于中硬～硬质岩石；有50%的点荷载强度在61.9MPa以上，属于硬质岩石。

(2)为减小离散度的影响，以分组后数据方差和达到最小进行分组。分组后的数据表现出相近的变化规律，均在断面面积1500mm2处达到强度峰值；两组数据的平均差值在60MPa左右。

(3)饱和状态下的山皮石仍能保持较高的抗压强度，超过50%的试样强度在40MPa以上。山皮石强度与饱和含水率没有严格的线性关系，但大部分试样的软化系数小于0.75，属于易软化的岩石。