点荷载试验在防波堤护面石质量控制中的应用

鲁 舟， 王明军

(1.中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230)

1 研究现状

防波堤是港口工程的重要组成部分，在防御波浪侵袭、保持水面平稳及阻挡沿岸泥沙侵入港池等方面具有重要作用，而防波堤所用护面规格石的质量对保证防波堤在设计期内使用功能的完整性具有重要影响。单轴抗压强度是护面规格石最重要的力学参数之一，但该试验对试件的尺寸精度要求高，且试件制备时间长、检测成本高；而点荷载强度试验具有简单快捷、耗时少、费用低，且试件加工容易等优点，因此该方法在国内外得到越来越广泛的应用。根据点荷载强度估算单轴抗压强度的关键是确定两种强度的换算方程，为此国内外学者针对不同类型的岩石进行了深入的研究：国际岩石力学协会ISRM在1985年提出岩石单轴抗压强度与点荷载强度的关系式为Rc=(20～25)Is(50)[1]；Vallejo在对砂岩进行了大量试验研究后，于1989年提出了单轴抗压强度与点荷载强度的回归方程为Rc=17.4Is(50)[2]；成都地质学院(向桂馥)于1986年提出了针对沉积岩的单轴抗压强度与点荷载强度的公式为Rc=18.9Is(50)[3]；长江科学院针对灰岩、砂岩、大理岩等岩石进行了大量了对比试验研究后，于2011年提出单轴抗压强度与点荷载强度的公式为Rc=21.86Is(50)[3]。由此可见，岩石的点荷载强度与单轴抗压强度存在较好的相关性，但两强度的回归方程系数受岩石结构类型影响较大。尽管国内外学者对砂岩、板岩、大理岩等多种岩石的点荷载强度与单轴抗压强度的换算系数进行了研究分析，但对片麻岩的这两者强度的换算系数研究较少，若使用经验公式对片麻岩的单轴抗压强度进行换算，则强度数值可能会存在较大误差。因此，为准确地估算片麻岩的单轴抗压强度、快速评定防波堤用护面石的质量，需通过强度对比试验建立片麻岩的点荷载强度与其单轴抗压强度的相关回归方程。

2 试验方法及试件制备

2.1 点荷载强度试验

根据《Suggested Method for Determining Point Load Strength》(ISRM RTH 325-89)[1]，点荷载强度试验是将岩石试样置于两个球状加荷锥头之间，施以荷载直至试样破碎，记录破坏时的最大荷载和两锥头端点间距，即可计算出岩石的点荷载强度，并依据经验公式估算岩石的单轴抗压强度和抗拉强度。点荷载强度试验可测量岩样的点荷载强度指数Is(50)与强度各向异性指数Ia(50)，Ia(50)为点荷载强度在垂直于岩石纹理与平行于纹理的数值之比。用于点荷载试验的试件可以为圆柱形芯样、方块体及不规则块体，试样的外形尺寸及加荷点位置应符合规范要求。点荷载强度的计算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

Is(50)=F×Is

(4)

式中：De为等效岩芯直径(mm)；W为加载荷点间距(mm)；D为试样破坏面平均直径(mm)；P为试样破坏时最大载荷(kN)；n为试样尺寸修正系数指数，当等效岩芯直径约为50 mm取值0.5，否则取值0.45；F为试样尺寸修正系数；Is(50)为岩样点荷载强度(MPa)。

点荷载试验仪型号为DHY-2型，最大载荷为50 kN，由加荷系统、载荷测量系统及测量破坏载荷间距系统组成(如图1所示)，其中加荷系统包括加载框架、千斤顶及上下压板，压板间距可在10～100 mm范围之间可调节。球端圆锥形压板的标准几何形状如图2所示，圆锥角度为60°，球状板尖端半径为5 mm，且与其上部相切，压板为硬质合金材料，如碳化钨或合金钢。

图1 点荷载试验仪 图2 球端圆锥压板示意图

2.2 单轴抗压强度试验

单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下受轴向载荷作用出现压缩破坏时，单位面积上所承受的轴向作用力。本试验使用微机控制电液伺服万能试验机(型号为SHT4605),最大量程为600 kN,准确度等级为I级，在加载过程中控制应力速率为0.6 MPa/s，单轴抗压强度按式(5)进行计算：

(5)

式中：Rc为单轴抗压强度(MPa)；F为试验破坏载荷(N)；A为试件横截面面积(mm2)。

2.3 岩石超声波纵波试验

超声波在岩石中的传播速度，可表征该类岩石的应力应变状态，也可反映固体材料弹性模量与密度特性。超声波波速的大小可间接反映岩石强度的高低，也可检测材料内部结构的均匀性。本试验所用超声波仪器生产厂家为瑞士Proceq，型号为PUNDIT PL-200,仪器分辨率为0.1 μs，超声波探头为54 kHz。

2.4 试件准备

从加纳特码CHEC石场取30块母岩，每块母岩石分别切割出1个方块体及钻取1个芯样。方块体用于超声波试验和点荷载试验，其尺寸约为70 mm×70 mm×70 mm；而芯样则用于单轴抗压强度试验，其直径为50 mm，高径比为2∶1，并对其两端进行打磨平整。在岩石取芯的过程中，应使取芯方向与岩石纹理面的夹角为0°或90°，即15根芯样的轴线方向平行于岩石的纹理方向，另外15根芯样轴向则垂直于岩石的纹理方向。

3 室内试验及结果分析

3.1 片麻岩岩相试验

片麻岩属于变质岩的一种，外观具有片麻状构造及条带状构造(见图3)。岩相试验所用代表性岩样取自加纳特码CHEC采石场，送至加纳大学进行岩相检测。根据岩相试验结果(见图4)，该采石场片麻岩主要由斜长石、石英及云母、角闪石等组成，并含少量铁铝榴石等矿物。

图3 片麻岩外观纹理 图4 片麻岩岩相

3.2 岩石纵波波速试验结果与分析

选取15块尺寸为70 mm×70 mm×70 mm的方块体，分别对每块试件在平行于纹理和垂直于纹理的两个方向进行纵波波速试验，典型纵波波形见图5所示，波速试验结果如表1所示。

表1 片麻岩纵波波速统计表

图5 岩石试样典型纵波波形图

从表1可以看出，CHEC石场片麻岩的纵波波速在4 300～6 300 m/s之间，平行于纹理的纵波速v1平均值为5 648 m/s，而垂直于纹理的纵波速v2平均值为5 220 m/s，v1与v2的比值为1.08。不同的岩石试件其纵波波速差异较大，且对同一岩石试件，其平行纹理波速v1一般大于垂直纹理波速v2。

纵波波速是材料的固有属性，可间接反映材料的密度、弹性模量、均匀性等内部结构特征。根据纵波在片麻岩各方向的波速差异，可知片麻岩结构各向异性，即材料为不均匀体。材料的强度与波速直接相关，即材料强度越高，波在其中的传播速度就越大。片麻岩一般为片麻状构造及条带状构造，由岩相试验可知白色条带状矿物主要为石英，片麻状及黑色带状矿物成分主要为斜长石、铁铝榴石及黑云母，而石英的强度比其他矿物都高，故纵波在石英中的传播速度较高；另一方面不同矿物成分之间粘结强度比同种矿物粘结强度低，即片麻岩中层状结构间的粘结强度比同层强度要低。因此，纵波在平行于纹理的速度一般大于其垂直于纹理的速度，即片麻岩特殊的片麻状及层状结构造成了其岩石声学及力学性能的各向异性。

3.3 单轴抗压强度与点荷载强度试验结果及分析

对30块岩石芯样泡水48 h后，在恒应力(0.6 MPa/s)下进行单轴抗压强度试验；而对点荷载强度的方块体则不进行饱水处理，即在室温下直接进行加载试验。为减小岩石纹理方向对抗压强度结果的影响，进行单轴抗压试验的力加载方向与进行点荷载试验的力加载方向保持一致，即同时平行或同时垂直于岩石的纹理方向，试验结果如表2所示。

由表2可以看出，该石场片麻岩的单轴抗压强度在85～165 MPa之间，平均抗压强度约为122 MPa。根据国际岩石分类标准，该类岩石分级为R4～R5，属于坚硬岩[4]。由点荷载试验结果可知，平行于纹理面的强度平均值为4.48 MPa，而垂直于纹理面的强度平均值为6.10 MPa，岩石的各向异性指数Ia(50)为1.36，即说明片麻岩在不同方向上力学性能差异较大。根据最小二乘法原理，用制图软件OriginPro8对表2的检测数据进行拟合(如图6所示)，得到该岩石的单轴抗压强度与点荷载强度的拟合线性方程为Rc=55.981+12.683Is(50)，R2=0.589。经查相关系数检验表，表明该线性关系显著，可用于指导工程实际。

表2 单轴抗压强度与点荷载强度统计表

注：“⊥”表示力加载方向与岩石的纹理方向垂直；“//”表示力加载方向与岩石的纹理方向平行。

4 点荷载强度试验现场应用

加纳特码新集装箱码头项目位于非洲西部、几内亚湾北岸，集装箱码头的岸线总长1 400 m，宽33.98 m，防波堤总长3 558 m，堤顶宽度为10.04 m到6.586 m不等，肩台-7.60 m以下部分采用2～ 5 t护面块石护面；内侧肩台-4.0 m以上部分由4～6 t大块石护面，护岸块石共计27.3万m3。

图6 点荷载强度与单轴抗压强度线性关系图

根据项目技术规格书要求，防波堤用护面石的母岩抗压强度不小于60 MPa，且母岩应为微风化岩或未风化岩[5]。加纳特码项目防波堤所需的护面石由CHEC石场供应，该石场的覆盖层为粘性土以及砂质粉土，厚度1～4 m，覆盖层下依次为全风化岩、中风化岩、微风化岩及未风化岩。为开采质量合格的规格石，需去除石场覆盖层、全风化岩及中风化岩，但不同风化程度的岩体界面不是很清晰，尤其是中风化岩与微风化岩之间的岩体界面，这就为选取微风化岩和未风化岩带来难度，若仅凭岩石的外观颜色判断其风化程度，易引起较大偏差。母岩抗压强度偏低的规格石，在铺砌过程中崩裂甚至在装卸运输过程中易破碎(崩裂的4～6 t护面石见图7、图8所示)。

图7 护面石崩裂图一 图8 护面石崩裂图二

点荷载强度试验相对简单快捷，且岩样稍加工即可进行测试，故可利用点荷载强度试验对岩石质量进行实时监控，及时剔除强度不合格的护面石。根据石场的石料供应情况，定期从石场随机取样进行点荷载强度试验。假设片麻岩的点荷载强度指数符合正态分布，2019年从CHEC石场共取样9次，累计检测86块不规则岩石块体(岩样典型破坏形式如图9所示)，用制图软件Origin Pro8对试验结果进行分析，如图10所示。

(6)

图9 点荷载试样典型破坏图 图10 点荷载试验结果统计图

式中：f(x)为点荷载强度概率密度函数；x为岩石点荷载强度(MPa)。

由式(6)可知，点荷载强度的平均值为5.25 MPa，强度标准差为1.43 MPa，点荷载强度落在区间[3.82, 6.28]的概率为68%,点荷载强度≥3.82 MPa的概率为84%，经假设检验，点荷载强度指数符合正态分布。根据单轴抗压强度与点荷载强度的线性回归方程及片麻岩各向异性指数，通过计算可知当点荷载强度≥3.6 MPa时，可估算出其母岩抗压强度≮60 MPa，即满足项目技术规格书要求。采用线性回归分析，可由点荷载强度预测岩石的单轴抗压强度，故工程施工中可通过检测点载荷强度来控制岩石的质量。

5 结论

(1)片麻岩的纵波波速在4 300～6 300 m/s之间，其在平行及垂直于纹理的不同方向上，显示出不同的纵波波速，波速比值为1.08，由此可知具有片麻状纹理的片麻岩属于结构不均匀体岩石，具有明显的各向异性。

(2)片麻岩岩石的单轴抗压强度与点荷载强度存在较好的相关性，线性回归方程为Rc=55.981+12.683Is(50)，R2=0.589，该线性关系显著，可依据岩石点荷载抗压强度值较准确地估算其单轴抗压强度。

(3) CHEC石场片麻岩的点荷载强度符合正态分布规律，其点荷载强度≥3.82 MPa的概率为84%，由此表明该石场生产的护面规格石多为较坚硬及坚硬岩石，但也存在部分强度不符合要求的岩石。用点荷载强度试验可及时、高效地筛选出强度合格的规格石，保证防波堤用规格石的质量。