某机场石英砂岩抗压强度实验研究

第４７卷第２期　２０１１年２月　甘肃水利水电技术　Ｇａｍｕ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４７．Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０１１　・设计与研究・　某机场石英砂岩抗压强度实验研究　王亚昆，苟富刚，陈　宁　（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都６１００５９）　摘要：由于机场建设需要，在场区采取岩样进行单轴抗压试验。据试验结果，给出了场区不同风化程度的岩石，在干　燥和饱和两种状态下的单轴抗压强度建议取值范围。根据实验结果分析知，场区出露的石英砂岩，水岩相互作用与　岩体的风化程度及胶结类型关系密切：中风化、微风化岩样的软化系数明显大于强风化的岩样，即其受水影响较小；　硅质胶结的岩样软化系数明显高于钙硅质及泥硅质，即其受水影响较小。实验还表明，随着岩样风化程度的降低，岩　样的抗压强度及软化系数开始明显提高，但随着岩样风化程度的进一步降低，软化系数增加梯度也逐步降低。　关键词：抗压强度；单轴；砂岩；机场　中图分类号：ＴＵ４５９＋．１　１前言　文献标识码：Ｂ　文章编号：２０９５—０１４４（２０１１）０２—００１９—０４　机场场址规划建设区属丘陵地貌，规划区跑道东南端地　形开阔，略有起伏，以浅丘地貌为主，道中及北西端一带地形　起伏较大，以中丘地貌为主，场区高程范围３８５～４４６　ｍ。根据　场区地形地貌，将场区划分为三个微地貌单元：中丘区、浅丘　区及冲沟区。　根据场区地形地貌、水文地质、工程地质条件、场区挖填　等因素，对场区进行工程地质分区。分为三个工程地质区：Ｉ　区为台丘岭脊区、Ⅱ区为沟源阶梯状斜坡区、Ⅲ区为深切沟　谷区。　由于场区内岩体受地形地貌条件限制，不能形成良好的　补排路径，地表水主要分布于池塘、水库和各主沟的谷底处，　这就产生了全强风化一强风化的砂岩开挖暴露后遇水力学性　能变差问题；再就是挖方区整平后一般为强风化、中风化长　石石英砂岩地基，少部分为全风化长石石英砂地基和第四系　松散层，三者物理力学性质差异大，为不均匀性地基。虽然岩　体较土体力学性能要好很多，但越好，其和土体产生的不均　匀沉降就越大。因此场区岩土体的力学性能问题较为突、出，　有必要进行岩石干燥和饱水状态下的力学实验，获取场区岩　此次研究采样点主要集中场区跑道附近（图１　ｏ　２００９年　３月在场区采取岩样，要求干、湿岩样各７组，现将各组试样　基本概况介绍如下：　体在饱水和干燥状态下的力学性质，以便设计施工借鉴。　２研究区概况　［：　压囚第四系［：　；　］窝头山组Ｅ三三三三］跑道轴线巨　：　季节性冲沟匡＝圈工程地质大区界线及编号　易巨　冬水田界线［＝三　地表水流向Ｉ＝三　区域分水岭［　沟谷编号巨圆钻　Ｌ编号　基岩产状［重ｊ］大块样取样处［二！］台丘岭脊区［二　］深切沟谷区［二　］沟源阶梯状斜坡区　图１岩样采取位置分布　（１）ＺＫ１８号采样点位于机场跑道上，靠近场区东端，工　程地质分区属Ｉ区台丘岭脊区。出露的地层为自垩系地层，　主要为下统窝头山组（Ｋｌｗ）。本次实验选取场区不同钻孔内　收稿日期：２０１１－０１—２５　的典型岩样进行了岩矿鉴定。结果显示，场区的岩石为中细　粒石英砂岩，局部岩体褐铁矿染；中一细粒不等粒砂状碎屑　结构，以偏细粒为主，块状构造；碎屑组分占岩石的８０％　作者简介：王亚昆（１９７３一），男，甘肃人，硕士研究生，主要从事水文地质与工程地质研究。　１９・　・　２０１１年第２期　甘肃水利水电技术　第４７卷　以上，磨圆分选均较差，主要由石英、长石组成，局部含云　母（图２）。　图２　ＺＫ１８号中风化岩石试样　据ＧＢ５０２１８《工程岩体分级标准》，场区出露未风化一微　风化的岩层为坚硬岩，中风化的岩层为较坚硬岩，强风化的　坚硬岩为较软岩。采取岩样风化程度为中风化，据标准判为　较坚硬岩类。　（２）ＺＫ２１号采样点位于机场跑道上，靠近场区东端，工　程地质分区属Ⅱ区，为沟源阶梯状斜坡区。出露的地层为白　垩系地层，主要为下统窝头山组（Ｋｌｗ）。岩性为钙硅质细粒含　长石石英砂岩。中至细粒以偏细粒砂状碎屑结构，无定向块　状构造。碎屑组分＞９ｏ％，中至细粒，粒径介于Ｏ．０５　０．３　ｍｍ　不等，但主要粒径都小于２　ｍｍ，粗细混杂，分选较差，碎屑　形状较不规则，以不规则次角状为主，少许呈次圆状，无序分　布，碎屑组成的堆积较紧密，以颗粒支撑为主，局部有轻微压　扁形成不规则交错结合的粒状结构，碎屑组分较简单，主要　由石英含硅质岩屑为主，含相对较多的不规则粒状长石和云　母碎屑及少许岩屑组成（图３）。　图３　ＺＫ２１号中风化岩石试样　石英含硅质岩屑约８０％左右，中细粒不等粒不规则粒　状，以石英为主；硅质岩屑＜ｌ０％，主要由颗粒致密状硅质岩　屑组成，呈无序散布；长石碎屑＜５％，中细粒不规则粒状，以　斜长石为主；云母碎屑较多，３％左右，细长片状，以黑云母为　主，少许白云母，无序散布穿插于长石与石英碎屑粒问；岩屑　・２０・　少量，ｌ％左右，粒度粗细不一，以富泥质浅变质岩屑为主，含　少许细粒石类无序穿插。　采取岩样风化程度为中风化，据标准判为较坚硬岩类。　（３）ＺＫ５４号采样点位于跑道轴线北西方向，靠近道中，　工程地质分区属Ｉ区台丘岭脊区。出露的地层为白垩系地　层，主要为下统窝头山组（Ｋ，ｗ）。岩性为硅质中细粒石英砂　岩。中至细粒不等粒砂状碎屑结构，块状构造，碎屑组分８０％　一９ｏ％，中至细粒粒径介于０．０５～０．５　ｍｍ不等，粗细混杂，分　选较差。颗粒形状也较不规则，以不规则次圆次角状为主，堆　积较紧密，颗粒支撑。但都没有明显压密。碎屑组成也相当简　单主要由石英碎屑和硅质岩屑组成，含少量长石及富泥质岩　屑组成。　石英含硅质岩屑＞８Ｏ％，以石英为主；硅质岩屑较少５％　左右，粒度及形状与石英碎屑岩相似，主要由细粒粒状硅质　岩屑为主；长石碎屑少量ｌ％一２％，中细粒不规则粒状，无序　散布；岩屑少量１％～２％，中细粒不规则粒状，主要有富含泥　质的粉砂质岩屑及少许细粒绢动石英岩屑组成，分布无序；其　胶结物稍大于１０％，主要有隐晶质硅质组成，以均质体为主。　采取岩样风化程度为强风化，据标准判为较软岩类。　（４）ＺＫ５６号采样点位于跑道轴线北西方向，靠近道中，　工程地质分区属Ⅱ区为沟源阶梯状斜坡区。出露的地层为白　垩系地层，主要为下统窝头山组（Ｋ。ｗ）。岩性为泥硅质中细粒　石英砂岩，中至细粒以偏细粒为主，砂状碎屑结构，块状构　造；碎屑组分８５％左右，中至细粒，粒径介于０．０５—０．４　ｍｍ不　等，但以＜Ｏ．２　ｍｍ为主，粗细混杂，分选较差，碎屑形状也较　不规则，以不规则次角状为主，少许次圆状或角状，分布无　序，以颗粒支撑为主。轻微压溶，局部由胶结物支撑，碎屑组　分与ＺＫ２２号样相似；石英含硅质岩屑＞８０％，仍以石英为主，　硅质碎屑约１０％左右，无序分布。后者仍以隐晶质致密块状　硅质岩屑为主，含少许细粒石英集合体组成。两种硅质岩屑　常含不定量细粒绢云母无序穿插共生；长石碎屑少量，２％～　３％左右；其他含少许细粒钛矿铁矿碎屑，偶见不规则粒状锆　石碎屑无序散布，包于胶结物中；胶结物相对较多，约１５％，　以隐晶质硅质为主，常见少许泥质穿插共生（图４）。　图４　ＺＫ５６号强风化岩石试样　采取岩样风化程度为强风化，据标准判为较软岩类。　（５）ＺＫ２２号采样点位于机场跑道上，靠近场区东　第２期　王亚昆．等：某机场石英砂岩抗压强度实验研究　第４７卷　端，工程地质分区属深切沟谷区。出露的地层为白垩系地层，　主要为下统窝头山组（Ｋ　Ｗ）。岩性为钙硅质中细粒石英砂岩，　中至细粒不等粒砂状碎屑结构，无定向块状构造。碎屑组分　８０％一９０％，中至细粒，粒径介于０．０５—０－４　ｉＩｌｍ之间，中一细粒　中，工程地质分区Ｉ区台丘岭脊区。出露的地层为白垩系地　层，主要为下统窝头山组（Ｋ　ｗ）。岩性为硅质中细粒石英砂　．４ａ　０　采取岩样风化程度为微风化，据标准判为较软岩类。　３室内试验　为主，粗细混杂，分布无序，颗粒形状以不规则次圆～次角状　为主，少许呈角状，分布无序，颗粒支撑为主。一般都有明显　压溶。粒间主要被硅质充填和胶结；石英含硅质岩屑总量约　８０％，以石英碎屑为主，硅质岩屑较多约１０％左右；长石碎屑　较少，＜２％，粒径及形态与石英碎屑岩相似，无序散；其胶结　物＞１０％，主要有隐晶质硅质组成，以充填碎屑粒间为主，组　成孔隙式胶结，局部见少许细粒铁质色体，均质体（图５）。折　３．１实验布置方案　试件烘干和饱和状态应符合本规程相关条款的规定。本　次实验采用了圆柱型式样单轴抗压试验，干燥状态下７组，　每组７个试样；饱水状态下共７组试样，每组７个试样，其中　饱水试样为干燥状态下的岩样浸水４８　ｈ后得到。　３．２成果整理要求　光率低于树胶（负低突起）主要由蛋白石组成。　当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位　面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏　时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比ｆ３】。岩石的抗　压强度的理论公式为：　Ｒ＝Ｐ／Ａ　（１）　式中：　——岩石的抗压强度（ＭＰａ）；　试件破坏时的荷载（Ｎ）；　Ａ一一试件的截面积（ｍｌｎ。）。　岩样饱水后其强度降低，这种现象称为软化，用软化系　数表示。软化系数是指岩石饱水状态下的抗压强度与干燥状　态的抗压强度的比值。　Ｋ　＝Ｒ　｝Ｒａ　２）　式中：　图５　ＺＫ２２号全风化一强风化岩石试样　软化系数；　。－＿一岩石饱和状态下的单轴抗压强度（ＭＰａ）；　厂一岩石烘干状态下的单轴抗压强度（ＭＰａ）。　对于非标准圆柱体试件，试验后抗压强度试验值按本节　条文说明中公式（３）进行换算：　采取岩样风化程度为强风化，据标准判为较软岩类。　（６）白色大块样采样点位于机场跑道南东方向，靠近道　中，工程地质分区Ｉ区台丘岭脊区。出露的地层为自垩系地　ｅ＝丽８Ｒ　式中：　岩样直径；　（３）　层，主要为下统窝头山组（Ｋ　Ｗ）。岩性为钙硅质中细粒石英砂　岩。　采取岩样风化程度为强风化，据标准判为较软岩类。　（７）灰色大块样采样点位于机场跑道北西方向，靠近道　日——岩样高度。　３．３实验结果分析　表１　各组岩样实验结果综合分析　注：　＞Ｏ．９５，表示岩石受水不严重；Ｋｐ＝０．８～Ｏ．９５，岩石受弱水影响；Ｋｐ＝Ｏ．６５－０．８，岩石受水影响中等；　。＝Ｏ．４～０．６５，岩石受水影响程度显　著；Ｋ。＜Ｏ．４，岩石受水影响严重　。　以上数据中，岩样的抗压强度只是采用了其平均值。一　般实验室内测得砂岩的软化系数在Ｏ．７２左右　。表中显示了　结类型的不同，软化系数也呈很大差别。　（１）相同胶结类型的岩石试样抗压强度及软化系数与　不同风化程度岩样的软化系数，即使风化程度差不多，因胶　其风化程度的关系：从试样ＺＫ５４、ＺＫ１８及灰色大块样知，其　２１　・　・２０１１年第２期　甘肃水利水电技术　第４７卷　风化依次递减，从强风化到微风化，胶结类型都为硅质胶结，　相同，缺乏对照性，予以剔除）。　干燥抗压强度从４．４２～１０５．５０　ＭＰａ，饱和抗压强度从３．３９～　（３）据上述实验数据作出软化系数随风化程及胶结类　８４．２５　ＮＰａ，软化系数０．７４￣０．８０；从试样ＺＫ２２及白色大块样　型变化图，并在此基础上，做出预测拟合曲线（图６）。由图２　知，其风化依次递减，从强风化到中风化，胶结类型都为钙硅　中可以看出岩样风化程度及胶结类型与其软化系数的关系，　质胶结，干燥抗压强度从１．９２　ｌ２．９３　ＭＰａ，饱和抗压强度从　图中的拟合曲线可以为我们预测场区不同风化程度及胶结　１．０５～９．６９　ＭＰａ，软化系数０．５５　０．７５（表２）。　类型岩体的软化系数提供参考（其中ＺＫ１８岩样共计共计１４　个岩样，但实验数据差别，最大值，最小值相差近２０　ＭＰａ，大　表２相同胶结类型的岩石试样力学　致可分为两个区间，数据实在差别太大，给予剔除处理）。　参数与其风化程度对照　垛　餐　对照这两组数据知：①钙硅质胶结岩样的各项力学指标　试样等间距编号（每组间距为１）　明显较硅质胶结的低，即抗压强度低、易发生水岩作用，抗水　◆软化系数——对数（软化系数）　侵蚀的能力较弱；②随着风化程度的降低，抗压强度及软化　图６软化系数随岩样风化程度及胶结类型变化　系数明显提高，但随着岩样风化程度的进一步降低，软化系　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　４数增加梯度也逐步降低（由于泥硅质只有一组试验试样，可　∞　加：３∞　结论　（１）场区出露白垩系下统窝头山组（Ｋ【ｗ）强风化细粒石　对照性差，予以剔除；对照ＺＫ２１及白色试样，虽同为中风化　英砂岩饱水抗压强度建议取值范围１．０—２．５　ＭＰａ，干燥抗压　且胶结类型相同，但白色试样其颗粒组成与其它组试样均不　强度建议取值范围２．５～４．５　ＭＰａ；中风化砂岩饱和抗压强度　相同，缺乏对照性，予以剔除）。　建议取值范围１０—２０　ＭＰａ，干燥抗压强度建议取值范围２Ｏ一　可以这样解释这种变化规律，由于风化程度不同，风化　程度高的，裂隙更为发育，水分更容易侵入岩样内部，水分产　３５　ＭＰａ；中风化砂岩饱和抗压强度建议取值范围８Ｏ～１００　ＭＰａ，干燥抗压强度建议取值范围１００—１２０　ＭＰａ。　生润滑剂的作用，岩样更容易剪切破坏，所以风化程度高的　（２）场区出露的石英砂岩，水岩相互作用与岩体的风化　岩体其抗压强度和软化系数较低。　程度及胶结类型关系密切。实验表明，中风化、微风化的软化　（２）同种风化程度岩石试样力学参数与其胶结类型的　系数明显高于强风化的岩样，即其受水影响较小；硅质胶结　关系（表１及下面分析）。对比强风化那组知：ＺＫ２２强风化岩　的岩样软化系数明显高于钙硅质及泥硅质，即其受水影响较　样为钙硅质胶结，软化系数为０．５５；ＺＫ５６强风化岩样为泥硅　小。　质胶结，软化系数为突变到０．６４；ＺＫ５４强风化岩样为硅质胶　（３）实验表明，随着岩样风化程度的降低，岩样的抗压　结，软化系数突变到为０．７４，这３组岩样的饱和抗压强度也　强度及软化系数明显提高，但随着岩样风化程度的进一步降　增加近３倍，干燥抗压强度也增加近２倍多，由此可见胶结　低，软化系数增加梯度也逐步降低。　类型对于软化系数及抗压强度影响较大，进而可以判断胶结　参考文献：　类型对于水岩作用影响很大：ＺＫ２２，ＺＫ５６，ＺＫ５４同为强风化　［１］韩丽芳，王运生，王晓欣，等．龙泉山地区中生代红层水岩作用　岩样，但ＺＫ２２，ＺＫ５６样明显比ＺＫ５４样其抵抗受水侵蚀能力　时效性实验研究［Ｊ］．水文地质工程地质，２００９，３６（６）：５９—６１．　差了一个级别。　［２］谢松林．岩石室内抗压强度试验研究［ｃ］．／／２００４年道路工程学　对比中风化那组知：钙硅质胶结较硅质胶结抗压强度及　术交流会论文集．北京：人民交通出版社，２００４：２０６—２０９．　软化系数明显低，且这２组岩样的抗压强度也增加近２倍多　［３］孔德坊．工程岩土学［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９２：１１２—１１４，　（ＺＫ２１试样虽同为中风化，但其颗粒组成与该大组试样均不　２０８－２０９．　（上接第１２页）开发及其工程应用［Ｊ］．地质灾害与环境保护，　京：电子工业出版社，２００７．　２００４，１５（２）．　［７］陈育民，徐鼎平．ＦＬＡＣ／ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例［Ｍ］．北京：中　［４］廖秋林，曾钱帮，刘彤，等．基于ＡＮＳＹＳ平台复杂地质体ＦＬＡＣ一　国水利水电出版社，２００７．　３Ｄ模型的自动生成［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（６）．　［８］熊斌．基于ＡＮＳ￣Ｓ软件的边坡开挖模拟和稳定性评价［Ｊ］．探　［５］唐辉明，晏鄂川，胡新丽．工程地质数值模拟的理论与方法［Ｍ］．　矿工程（岩土钻掘工程），２ｏｏ９，３６（２）．　武汉：中国地质大学出版社，２ｏｏ１．　［９］郭洪锍．基于ＡＮＳＹＳ软件的有限元网格划分技术浅析［Ｊ］．技术　［６］周长城，胡仁喜，熊文波．ＡＮＳＹＳ　ｌ１．０基础与典型范例［Ｍ］．北　平台，２０１０，（４）．　・２２・