不同高径比下极软岩(泥岩)单轴抗压强度尺寸效应试验研究

薛鹏，任东兴，黄海，廖宏业，彭界超

（中冶成都勘察研究总院有限公司，成都 610023）

岩石单轴抗压强度是岩土工程勘察中岩石强度的重要指标，也是评价岩石强度的关键参数。不同尺寸岩石的强度存在着力学差异，使得试验结果呈现明显强度差别，对岩土工程勘察工作带来较大困扰，长期以来岩石尺寸效应一直是岩石力学中急待解决的问题之一。《工程岩体试验方法标准》2.7.3 条，对单轴抗压试样尺寸提出了要求，推荐圆柱体作为标准试件形状。没有条件加工圆柱体试件，允许采用方柱体试件，圆柱体试样直径为48～54mm，试样直径应大于岩石最大颗粒直径1 倍，试件高度与边长之比2.0～2.5，并在成果中说明（GBT50266-2013）

当试件无法制成本标准要求高径比时，按下列公式对其抗压强度进行换算：

式中：R 为标准高径比试件的抗压强度；R’为任意高径比试件的抗压强度；D 为试样直径；H 为试样高度。

在硬质岩尺寸效应对单轴抗压强度的影响，在高径比1～2.0 范围，主要表现出先减小后增大并趋于稳定的变化规律，当高径比为2.0～2.5 时趋近于稳定值。这与《工程岩体试验方法标准》建议的标准试验方法一致。在软岩尺寸效应研究方面，岩石强度随着尺寸增大而减小（（陈瑜等，2010；张拥军等，2015；贾丽娜和曾领，2016）。软岩也明显出现尺寸效应。

本文通过实际工程案例，对泥岩类极软岩单轴抗压强度在不同高径比下存在的尺寸效应进行了研究，针对高径比1.0 和2.0 条件下，按《工程岩体试验方法标准》进行试验，对比试验分析不同高径比下极软岩单轴抗压强度尺寸效应影响，对工程实际应用有一定借鉴意义。

1 工程案例

1.1 工程概况

“某科技谷二期项目”项目位于成都市成华区龙潭新经济产业功能区。

项目用地面积48 884.00m2，总建筑面积208 770.72m2，拟建建筑主要由6 栋18F 商业用房及2F地下室组成，±0.00 标高499.10m。高层建筑拟采用桩基础，以中风化泥岩作为桩基持力层。

1.2 工程地质及水文条件

根据钻探场地地层分布情况，场地土主要由第四系全新统人工填土(Q4ml)，第四系中下更新统冰水沉积层（Q1+2fgl）及白垩系中统灌口组（K2g）地层组成。各土层的构成和特征如表1。

表1 场地分区域抗浮参数统计表

表2 典型钻孔单轴抗压强度试验结果

2 岩石试验强度差异特征

2.1 详勘中风化岩石试验结果

在现场钻探过程中对各类土层进行了取样，在取样封样后及时送往试验室，试验室按《岩土工程勘察规范》GB50021 试样高度与直径之比宜为2.0倍进行制样、磨样，并进行单轴抗压强度试验，结果如下：

图1 钻探取芯特征图

从上表可以明显看出，一是中风化泥岩在竖向分布上的不均匀性，软弱夹层分布较多；二是在平面分布上，岩石单轴抗压强度强度差异较大，范围从1.04～5.31 MPa。

详勘报告对泥岩强度参数通过统计分析后，变异系数较大，一方面对强度较低，埋深较浅的按强度进行划分为强风化，在中风化层内整体强度较高，夹层较薄（小于40 cm）时不单独划分夹层，其余考虑划分为夹层，同时进一步统计后，中风化泥岩单轴抗压强度值为3.9 MPa。

2.2 不同试验高度结果的差异特征

根据本项目一期勘察成果，中风化泥岩强度参数为5.1 MPa，第三方进行取芯及试验，委托试验室采用非标准高径比样品进行试验，高径比取为1.0，并按上述公式进行了折减，样品强度选用三个钻孔，试验结果如下图：

（1）补勘试验结果，单轴抗压强度范围值0.8～8.67 MPa，平均值3.75 MPa；

（2）从单孔试验数据看出，泥岩岩石强度整体在5 MPa 以下，属于极软岩；

（3）强度呈波浪形分布，说明强度受沉积作用及环境影响较大，软弱夹层有一定规律；

（4）从试验统计结果与详勘试验结果相比，高径比越小，单轴抗压强度试验值越大。

（5）取样深度与单轴抗压强度没有直接相关性。

3 岩石尺寸效应研究

3.1 试验模型

试验模型基于极软岩中泥岩，样品选择每组对比试验采用同一位置岩芯制作不同高径比试样，进行单轴抗压强度试验，对比结果、分析岩石破坏特征，对泥岩尺寸效应。

3.2 对比试验

本次选取中风化泥岩作为实验研究对象，对24 块不同高径比泥岩进行强度试验研究。试件按不同高径比分为两组，一组高径比为1.0，另一组高径比为2.0。对于对比试验方案有如下特别要求：①对每组不同高径比对比样，采样在同一位置；②相关实验仪器设备和样品加工依据相关规范要求进行。

图3 对比试样图

图4 单轴抗压强度试验

3.3 试验结果

对24 块不同高径比泥岩进行了的强度试验结果如图5。试验结果表明，当高径比为1.0 时，同条件岩石试验强度整体大于高径比为2.0 试样（除个别受原试验裂隙或者构造因素外），强度比范围1.32～1.89。根据《工程岩体试验方法标准》中，对非标准样品进行强度折减为标准样品，对比依然出现明显的尺寸效应。

图5 单孔岩石试样成果图

3.4 破坏特征

观察试样破坏特征（图6、7），高径比为1.0时，总体属于剪切破坏，角度范围45°～57°；当高径比为2.0 时，破坏属剪切破坏与劈裂破坏，角度范围在54°～68°；

图6 岩石试样破坏特征

图7 试样结晶物破坏特征

试样有构造微裂隙或粘土矿物结晶体时，破裂面与软弱结构面角度一致，破裂角度不在剪切角度范围内，并不能很好体现尺寸效应影响。

4 结论

通过对比及分析试验结果，得出以下结论：

（1）高径比越大，对单轴抗压强度影响越大，强度越低。高径比为1.0 样品按规范折减后强度仍远大于高径比2.0 样品。

（2）随着高径比增加,岩样破坏由正常剪切破坏转变为复杂劈裂破坏，破裂面角度增大，受端头约束作用减小。

（3）高径比取2.0 倍时，不受端头约束影响破裂角提高至68。附近，端头约束对真实破裂面的影响范围缩小；本次试验未考虑不同直径对单轴抗压强度影响。

（4）极软岩对高径比为非标准样品，单纯采用规范折减法并不能与标准样品强度符合，存在规范适用性问题，与硬质岩有一定区别。

（5）本文仅对高径比为1.0 和2.0 极软岩进行了分析对比。岩石具非均一性、各向异性和不连续性等特点,本文未对不同岩性,岩石含水率对抗压强度也有一定影响。