基于N型回弹仪的粤北丹霞组碎屑岩单轴抗压强度试验研究

邱思检，杨泽平*，梁海安,2，马益冬，刘富军，胡光阳

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013；2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013；3.韶关市丹霞山管理委员会，韶关 512000)

粤北丹霞山世界地质公园以“色如渥丹，灿若明霞”的地貌景观著称，其地层以厚达数千米的晚白垩世丹霞组红色碎屑岩为基础，形成了以赤壁陡崖景观为特点的侵蚀地貌。该地层的力学强度对地质公园地貌景观的塑造及景区危岩体的稳定性分析、景区旅游线路安全性评估具有重要意义。

回弹仪因其快捷经济，且无需破坏性钻孔的特点，在中外被广泛地应用于岩石单轴抗压强度的测定。在20世纪60年代，国外诸多学者将回弹仪应用于岩体单轴抗压强度及弹性模量的测定，并运用于岩体质量分类中；Barton等[1]在评估岩体结构面抗压强度时也采用了回弹指标，并获得了较广泛的应用；Aydin等[2]对L型回弹仪和N型回弹仪在岩石单轴抗压强度的精度上进行了研究，建议采用N型回弹仪用作岩石强度野外测试。随着研究的不断深入，Yagiz[3]、Sharma等[4]、Karaman等[5]、Dinçer等[6]发现回弹值与冲击强度指数、纵波波速等均有较好的相关性，但不同类型岩体的回弹值与抗压强度关系有所差异。回弹仪测定岩石单轴抗压强度尽管不如室内单轴试验准确，但其测试精度足以满足现场工作的需求。中国自20世纪80年代开始广泛使用回弹仪开展岩体力学强度方面的应用和研究，付永胜[7]较早采用不同冲击能的回弹仪，对各类岩石单轴强度与回弹值间的关系开展了系统试验，并对包括测试试样、测试仪器和人为因素等进行了较为全面的分析；丁黄平等[8]、张志沛[9]、王豫皖等[10]利用回弹仪对围岩进行了现场原位回弹测试，并分别提出了不同类型岩石回弹值与抗压强度的相关函数关系；杨泽君[11]、Wang等[12]对回弹值与单轴抗压强度的关系进行了系统的整理与分析；Karakul[13]通过室内试验分析了岩样饱和程度对回弹值的影响，研究表明采用回弹仪测定的岩石单轴抗压强度与试验结果具有较好的一致性；龙德育等[14]提出了红层砂砾岩单轴抗压强度值与回弹值之间的关系函数，对比其他经验公式验证了所得函数的可靠性。

当前研究中，采用的回弹仪种类繁多，回弹仪冲击能量大小不一[15-16]，且因岩石种类的不同，得到回弹值与岩石单轴抗压强度的关系函数也有较大差异。现针对丹霞山世界地质公园内晚白垩世丹霞组砂岩，采用N型回弹仪现场原位测试及室内单轴压缩试验的方法，并利用声波测试法对样品一致性予以比较，建立N型回弹仪回弹值与丹霞组砂岩单轴抗压强度的关系。研究可为丹霞山世界地质公园内危岩体稳定性快速、无损分析评价提供评价参数。

1 回弹测试岩石类型及方案背景

1.1 岩石类型

丹霞山景区主要出露丹霞组地层，是一套以河床相沉积为主红色碎屑冲洪积地层，以坚硬的砾岩、砂砾岩为主，夹薄层泥岩、粉砂岩，水平或近水平产状，在差异风化、重力、流水等的作用下，发育顺层凹槽、洞穴、穿洞等负地貌，这些负地貌也是丹霞山景观危岩体发育的主要原因之一。

1.2 回弹方案

原位回弹测试采用的仪器为N型JTG-A回弹仪，如图1所示。

图1 N型JTG-A回弹仪Fig.1 N-type JTG-A rebound hammer

目前中外主要有L型和N型回弹仪，其中L型回弹仪的冲击动能为0.735 J，而N型回弹仪的冲击动能为L型回弹仪冲击动能的3倍，为2.207 J。测试表面粗糙不平的岩石时采用 N型回弹仪的结果离差更小，因此使用 N 型回弹仪进行野外测试更为合理；而 L 型回弹仪对于风化剧烈、强度低的岩石测试结果更为准确[11]。鉴于此，选用冲击能量为2.207 J的N型JTG-A回弹仪作为丹霞山岩体强度的测试的工具。

对于使用回弹仪进行岩石的回弹测试，采用单点重复测试方法。与在测试区域内进行随机弹击相比，相同位置重复弹击能得到较为稳定的回弹值，因此选用的回弹方法为在同一点上进行连续十次弹击，取后五击较为稳定的回弹值均值作为最终回弹值[17]。

为了对丹霞山景区岩体进行较为全面性的回弹测试，将丹霞山景区划分为长老峰-翔龙湖等9条路线进行野外回弹测试，编号并记录回弹结果，野外测试取样位置如图2所示。

图2 野外回弹测试及取样点分布图Fig.2 Field rebound test and sampling point distribution map

2 岩体力学强度试验

现场回弹试验测试点共124个，其中取样回弹点18个，波速测试点11个，每个点测试两组，其余为岩石出露点，总计1 240个回弹数据。现场共采取块状岩样24组，共128块岩样，用于点荷载试验及岩样物理力学参数试验，取样尺寸控制在(50±35) mm。岩芯机钻取14个点，共取得岩芯76块，长度大于10 cm的岩样26块，进行单轴压缩试验，小于10 cm的岩样用于巴西劈裂试验。

2.1 野外回弹测试

为确保试验期间回弹仪的回弹值N准确，先用钢块进行回弹仪的校准，确保回弹值波动范围合理后再进行岩体回弹测试。按研究区域对不同的岩体分别进行回弹测试并进行编号，测试时，回弹仪在岩石表面上的特定点连续不断地撞击，避开地衣和苔藓覆盖、边缘效应、裂缝等明显软弱结构的位置。为避免渗水对回弹的影响，选择在天气干燥的条件下进行测量，并确保在同一位置进行回弹测试。

回弹值计算公式为

(1)

式(1)中：Nm为测点平均回弹值，精确至0.1；Ni为第i个测点的回弹值。

如图3所示，每种岩性均挑选8个测试点。对于砂岩、砾岩、砂砾岩，在同一弹击点连续10次弹击的情况下，回弹曲线前几击有明显的上升趋势，后面逐渐趋于平稳，回弹值稳定在一定范围内。三种岩体回弹值随着弹击次数的增加有着不同幅度的增加，第一击和第十击的差值范围为10～30，这是由于随着弹击的作用，岩体的风化表皮逐渐脱落，露出较为新鲜的岩体，强度值不断提高，回弹值也不断上升。相同岩性不同点的回弹值有较大的差距，最大可相差30，这是由于不同的风化程度造成岩石强度的不同。

2.2 单轴压缩试验

图4 单轴压缩试验照片Fig.4 Photos of uniaxial compression test

将采集的岩样按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)规范要求进行试验，标准试件尺寸为φ50 mm×100 mm。本次单轴抗压强度试验采用型号为SHT4305的微机控制电液伺服万能试验机(图4)，量程范围为0～300 kN。按规范要求，安装好岩样后，控制应力0.5 MPa/s的加载速率对岩样进行匀速加载直至试件完全破坏，记录破坏荷载及加载过程中的岩样变化情况。

岩样的单轴抗压强度试验结果如表1所示。其中一线天波痕、腾蛇坳、天生桥下同属于锦石岩段砂岩，而船头石、半山亭和牛鼻村桥头三处同属于巴寨段砂岩。对于锦石岩段砂岩，同一取样点的岩芯强度值变化较为均匀，一线天波痕处砂岩强度较高，范围为46.30～56.00 MPa，均大于40 MPa；而腾蛇坳及天生桥下砂岩强度值范围在10～20 MPa，相比于一线天波痕处强度值有明显的降低；对于巴寨段砂岩，船头石处砂岩强度较低，范围为8.38～15.95 MPa，均小于20 MPa；而半山亭和牛鼻村桥头砂岩强度值范围为29.95～37.95 MPa，都在20 MPa以上。根据后续的波速测试及现场勘察，可认为是因砂岩的风化程度的不同导致岩体强度有所差异，风化程度越高强度越低，反之则越高。

综合分析，丹霞山地区砂岩岩样强度值最高可达56.00 MPa，而最低仅有6.84 MPa，其中 0～20 MPa 的岩样数量占总量的52%，强度值在20～40 MPa范围内的岩样比率为36%，剩余12%的岩样强度值高于40 MPa。结合表1，锦石岩段砂岩单轴抗压强度总体范围为6.84～56 MPa，巴寨段砂岩单轴抗压强度总体范围为8.38～37.95 MPa。对两个地层的岩样单轴抗压强度值求取均值，锦石岩段砂岩岩芯强度均值为25.80 MPa，巴寨段砂岩岩芯强度均值为22.02 MPa，两个地层砂岩岩样的单轴抗压强度范围与均值，锦石岩段砂岩强度高于巴寨段砂岩约3 MPa。

2.3 声波测试

为了解取样点岩体的风化程度，分别对风化岩体及新鲜岩体进行了声波波速测试。按照《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)要求进行波速测试，并根据波速比来对不同测点的岩体风化程度进行划分。

不同风化程度砂岩、砾岩及砂砾岩的波速测试结果如表2所示，砂岩的波速范围为1 100～2 300 m/s，其中巴寨段砂岩的波速范围为1 100～2 150 m/s，锦石岩段砂岩的波速范围为1 320～2 300 m/s，砾岩的波速范围为1 650～2 400 m/s，砂砾岩的波速范围为1 050～2 430 m/s。对比三种岩性岩体波速可知，在所有取样点中，砾岩、砂砾岩的声波波速要略高于砂岩的声波波速，但是三种岩性岩体的波速范围都比较接近。在所有进行了声波波速测试的测点中，砂岩的风化程度主要有强风化与中风化，砾岩、砂砾岩的风化程度从微风化至强风化均有分布，可以看出所取的样品比较全面，涵盖了不同强度范围的岩层。整个丹霞山景区岩体主要为中风化和强风化的砂岩、砾岩及砂砾岩。

3 试验结果分析

3.1 波速与回弹值相关关系

如图5所示，随着岩体波速(Vp)的增长，回弹值(N)也呈线性增长的趋势，二者呈正相关。砂岩波速与回弹值拟合曲线相关度为0.96，砾岩、砂砾岩拟合相关度为0.84，相关程度较高，说明通过岩体回弹值可以对其波速范围做初步的预测，从而判断岩体的风化程度。

表1 岩样单轴抗压强度Table 1 Uniaxial compressive strength of rock samples

表2 丹霞山岩体波速测试结果Table 2 Wave velocity results of rock mass in Danxiashan

图5 岩体波速与回弹值关系曲线Fig.5 Relationship between wave velocity and rebound values of rock mass

图6 回弹值、波速与单轴抗压强度关系曲线Fig.6 Relationship between rebound value,wave velocity and uniaxial compressive strength

如图6所示，随着单轴抗压强度(σc)的增加，回弹值与波速曲线均呈上升的趋势，拟合趋势一致。在抗压强度较小时，两条曲线的增长幅度较为接近，随着岩体强度值的增加，波速曲线的上升趋势有所减缓，与回弹曲线逐渐偏离。说明当单轴抗压强度在低于40 MPa的较坚硬岩体范围内时，用回弹值换算单轴抗压强度与用波速换算抗压强度的结果更为接近，利用回弹法来预测岩体单轴抗压强度值有更好的可行性及实用性。

3.2 风化程度与回弹值相关关系

岩体的风化程度是影响岩体强度值的重要因素之一。为了进一步了解回弹值与岩体强度值的关系，将上文中根据波速测试划分的岩体风化程度与对应的回弹值进行了统计分析，结果如表3和图7所示。

结合表2可知，所有测点中砂岩的回弹值范围为20～58，其中中风化砂岩回弹值的区间为31～58，对应的回弹值均值为38.8；而强风化砂岩回弹值范围为20～36，对应的回弹值均值为29.1。在相同风化程度的情况下，锦石岩段砂岩的回弹值略高于巴寨段砂岩。对于砾岩和砂砾岩，其回弹值范围为25～50，两种岩石在强风化、中风化和微风化时对应的回弹值均值分别为24.5、37.2和42.5。

由表3可知，砂岩的回弹值差值在中风化时为16，强风化时为27；砾岩、砂砾岩的回弹值差值在强风化时为8，中风化时为13，微风化时为20。随着风化的加剧，岩体回弹值的差值不断增大，离散性也更大。结合图7可知，岩体风化程度越低，岩体越新鲜，岩石的强度越高，测试点的回弹值也越高，不同岩性岩体回弹值在某一范围内对应着相应的风化程度，风化越剧烈的岩体强度越低，失稳破坏的可能性越高，因此在后续景观危岩体评价中可通过回弹法来对景区岩体的风化程度进行初步的划分。

3.3 单轴抗压强度与回弹值相关关系

为研究丹霞山岩体的抗压强度值与回弹值的相关关系，对表1中的单轴抗压强度值与对应测点的回弹值进行拟合分析，在18组数据中选择14组拟合，剩余4组作为对照组进行验证，拟合公式为

表3 丹霞山岩体回弹值统计表Table 3 Statistical table of rebound value in Danxiashan

图7 风化程度与回弹值变化关系Fig.7 Relationship between weathering degree and rebound values

σc=A+BN

(2)

式(2)中：σc为单轴抗压强度值，MPa；N为回弹值；A、B均为拟合参数。

如图8所示，随着回弹值的增加，岩样抗压强度值也不断增大，二者呈正相关。实测回弹值在拟合曲线的两侧均匀分布，岩体的回弹值与单轴抗压强度有较好的相关性，其拟合关系式为σc=-25.033+1.65N，拟合相关系数为0.87，表明根据回弹值来估测岩体的单轴抗压强度较为科学合理。

为了验证所得回弹值与单轴抗压强度关系式，以及换算得到的抗压强度值与室内试验实测值的合理性，将未参与拟合的回弹值数据代入到式(2)进行对比分析，如表4所示，可见平均相对误差范围在5%以内，说明该公式适用于丹霞山景区危岩体单轴抗压强度的换算，能为丹霞山景观危岩体的评价与治理提供重要的力学参数。

图8 单轴抗压强度与回弹值关系图Fig.8 Relationship between uniaxial compressive strength and rebound values

表4 换算强度与实测强度对比表Table 4 Comparison of converted strength and measured strength

4 结论

以丹霞山岩体为研究对象，对其进行了现场回弹测试，并通过波速测试及室内单轴压缩试验对比分析了回弹值与波速、单轴抗压强度之间的相关关系。提出了丹霞山砂岩回弹值换算单轴抗压强度值公式，根据实测数据与预测数据的对比验证了公式的可靠性，主要得出以下结论。

(1)丹霞山岩体波速与回弹值呈线性相关，砂岩回弹值与波速的相关系数为0.96，砾岩、砂砾岩回弹值与波速的相关系数为0.85，通过回弹值的测试结果能够快速估算岩体的波速范围。

(2)丹霞山砂岩风化程度主要为中风化和强风化，其对应的回弹值分别约为38.8和29.1；砾岩和砂砾岩的风化程度主要为强风化、中风化和微风化，其对应的回弹值分别约为24.5、37.2和42.5，根据回弹值的大小能够较好地预测岩体的风化程度。

(3)提出了丹霞山砂岩回弹值与抗压强度的线性关系函数，其相关系数为0.87，丹霞山砂岩抗压强度实测值与公式预测值接近，相对误差范围在5% 以内，采用回弹仪快速无损获取岩体单轴抗压强度具有较好的可靠性。