苏州大阳山岩石强度相关关系分析

邵 勇，阎长虹，马庆华

(1.连云港职业技术学院，江苏连云港 222006;2.南京大学地球科学与工程学院，南京 210093)

1 研究进展

在评价岩体稳定性时，通常需要以力学试验为基础，目前岩石现场试验中大型剪切试验、点荷载试验、回弹试验，加上室内的单轴抗压强度试验都比较常用［1－4］，而现场大型剪切试验比较难操作，在一般的岩体工程中应用较少，点荷载试验、回弹试验、单轴抗压试验比较常见。

张宇等［5］对武当山群片岩进行了点荷载试验，对不同风化程度的岩石点荷载强度值进行了分类统计，以及建立了点荷载强度值与单轴抗压强度值的相关关系。王浩等［6］采用概率分析法对岩石抗压强度试验进行了分析，有效地避免了试样尺寸、含水率、试验仪器造成的测试误差。曾传雄等［7］设计了2种点荷载试验方法，并与室内单轴抗压试验进行了对比研究，评价了2种方法的优劣。刘云思等［8］对不同节理角度的岩石进行了单轴抗压试验，得出了节理角度与抗压强度的关系。袁秋霜等［9］研究了超声－回弹综合法测试岩石强度，并用回归分析法等对岩石强度进行了预测，证明超声－回弹综合法能够准确地反映岩石的强度特征。

上述研究为岩石强度的测试提供了重要的参考，本文的研究重点为岩石点荷载强度(PLS)、单轴抗压强度(UCS)及回弹强度(RS)的相关关系，并以苏州大阳山隧道工程为例，选取现场不同性质的岩石进行了3种强度的测试，分析这3种强度的相关关系，为岩石强度的测试提供方法借鉴。

2 试验基础

本文分析3种强度的相关关系主要是为了得到岩石的单轴抗压强度，因为在岩体质量评价中，岩石的单轴抗压强度是一个非常重要的数据，如利用Hoek-Brown法计算岩体力学参数时岩石单轴抗压强度是必不可少的数据［10－11］。通过建立点荷载强度、回弹强度与单轴抗压强度的关系，可以减少岩石单轴抗压强度的试验数量，通过点荷载强度或者回弹强度来预测单轴抗压强度。对于点荷载强度，一般通过规范公式转化为岩石单轴抗压强度，目前规范［12］中推荐的单轴抗压强度与点荷载强度的关系公式为

式中:σic为岩块单轴饱和抗压强度(MPa);IS(50)为直径50 mm标准试件的点荷载强度指标(MPa)。

另外根据戴洪军等［13］的研究，单轴抗压强度与点荷载强度存在一定的线性关系，可表示为

式中K为强度转化系数。

但是对不同的岩性这一公式不一定适用，因此针对不同岩性要分别进行试验，然后对这一公式进行修正。本文还使用回弹测试仪测试岩块的强度，并建立了与点荷载强度、单轴抗压强度的关系，为岩块强度的测试提供一种方便快捷的途径。

拟建的苏州大阳山隧道工程场区主要分布有凝灰岩、石英砂岩、次英安斑岩、石英闪长玢岩。为此从拟建隧道场地的中风化岩层中取得具有代表性的试验样品，对这4种岩性的岩块进行室内岩块单轴抗压强度试验、点荷载强度试验、回弹强度试验，给出岩块的强度值，通过统计分析给出不同试验方法所得的岩石强度之间的关系。同时运用式(1)、式(2)对试验数据进行拟合，拟合结果显示，不同岩性的单轴抗压强度、点荷载强度之间关系有所区别，有必要对这些关系公式进行修正，以便适应于不同的工程地质条件。

3 测试结果分析

为了作图的简捷性，将图中出现的几种强度名称采用简称，UCS为单轴抗压强度，PLS点荷载抗压强度，RS为回弹强度。

3.1 点荷载强度与单轴抗压强度的关系

图1(a)为凝灰岩试验结果，用幂函数拟合点荷载强度与单轴抗压强度的关系，决定系数R2为0.902 2，用线性拟合两者的关系，R2为0.857 7，其中强度转化系数K为17.268，可以看出，用幂函数拟合时精度更高。

图1(b)为石英砂岩的试验结果，分别为幂函数和线性拟合结果，幂函数拟合R2为0.850 6，线性拟合R2为0.838 9，线性拟合精度略高，其中强度转化系数 K为20.092。

图1(c)为次英安斑岩的试验及拟合结果，幂函数拟合 R2为0.858 3，线性拟合 R2为0.793 8，拟合精度较低，其中强度转化系数K为22.911。

图1(d)为石英闪长玢岩的试验及拟合结果，幂函数拟合 R2为0.829 3，线性拟合 R2为0.791 8，拟合精度较低，其中强度转化系数K为23.638。

从这4种岩性的试验及拟合结果来看，用幂函数拟合试验数据要比线性拟合精度高，说明用幂函数形式来描述点荷载强度与单轴抗压强度的关系更为合适。

3.2 单轴抗压强度与回弹强度的关系

在分析岩块单轴抗压强度与回弹强度之间的关系时，发现用指数函数来拟合两者关系较佳，如图7所示，对凝灰岩试验结果进行拟合，相关性系数为0.909 9，用线性关系拟合时得到的相关性系数为0.716 2。根据式(2)建立单轴抗压强度与回弹强度的关系式为:σic=KRe。式中Re为岩块回弹强度，通过图2(a)中的关系可以得到强度转化系数K为2.314 4。

图2(b)为石英砂岩的拟合结果，指数函数拟合R2为0.858 5，线性拟合 R2为0.799 9，强度转化系数为2.305 6。

图2(c)为次英安斑岩的拟合结果，指数函数拟合 R2为0.884 7，线性拟合 R2为0.847 4，强度转化系数为2.368 1。

图2(d)为石英闪长玢岩的拟合结果，指数函数拟合 R2为0.829 3，线性拟合 R2为0.833 4，强度转化系数为2.177 3，较之前的岩性，强度转化系数略有降低。

从单轴抗压强度与回弹强度的试验结果来看，用指数函数拟合凝灰岩、石英砂岩及次英安斑岩精度较高，用线性函数拟合石英闪长玢岩精度较高。其中4种岩性的强度转化系数相当均位于2.3附近。

图1 点荷载强度与单轴抗压强度的关系曲线Fig.1 Relationship between point load strength and uniaxial compressive strength

3.3 点荷载强度与回弹强度的关系

图3(a)为凝灰岩的拟合结果，其中指数函数拟合R2为0.916 2，相关性较高，线性拟合 R2为0.637 8，相关性较低。同样根据式(2)建立点荷载强度与回弹强度的关系式为:IS(50)=KRe，Re为岩块回弹强度。通过图3(a)中的关系可以得到强度转化系数K为0.131。

图3(b)为石英砂岩的拟合结果，其中指数函数拟合 R2为0.864 9，线性拟合 R2为0.827 9，相关性均较好，强度转化系数为0.114 3。

图3(c)为次英安斑岩的拟合结果，其中指数函数拟合 R2为0.860 3，线性拟合 R2为0.783 2，相关性均较好，强度转化系数为0.100 8。

图3(d)为石英闪长玢岩的拟合结果，其中指数函数拟合 R2为0.810 2，线性拟合 R2为0.840 3，相关性均较好，强度转化系数为0.090 7。

以上分析均是分为4种岩性来讨论，在工程应用中可以根据不同岩性的拟合公式来计算选取相应的岩块强度。这样就得到了大阳山地区的岩块3种强度之间的关系式，其中幂函数、指数函数关系式可用作要求精度高的换算，线性关系可用作要求精度略低的换算，也可作为岩块强度的初步估计。在进行大阳山岩块单轴抗压强度的测试时，可以用点荷载仪或者回弹仪来代替。若在其他工程中进行应用，可以只进行少量的单轴抗压强度试验，对本文中提出的关系公式进行调整即可，这样就节省了大量的工作量。

图2 单轴抗压强度与回弹强度的关系曲线Fig.2 Relationship between uniaxial compressive strength and rebound strength

图3 点荷载强度与回弹强度的关系曲线Fig.3 Relationship between rebound strength and point load strength

4 结论

通过对大阳山4种岩性3种强度的测试，分析了3种强度的相关关系，本文可以得到如下几点认识:

(1)在描述点荷载强度与单轴抗压强度的关系用幂函数来拟合更为准确。而且随着岩石单轴抗压强度的提高，拟合精度越高。

(2)在分析回弹强度与单轴抗压强度时发现随着岩石强度的提高，拟合相关性越高，而且用指数函数来描述两者的关系更为合适。

(3)岩石回弹强度与点荷载强度的关系同样用指数函数来拟合精度更高。当用线性拟合两者关系时发现岩石回弹强度约为点荷载强度的10倍。

(4)在分析3种强度相关关系时发现，由于点荷载强度、回弹强度受到岩石风化程度等因素的影响，测试结果离散性较大，从而影响了拟合精度，因此在现场试验时应注意试验的数量，确保数据的精确性。另外，由于岩块强度较低时所测数据离散性大，统计结果准确性低，因此文中拟合所得的公式不适用于软岩及极软岩。

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