摩洛哥塔扎泥灰岩-石灰岩单轴抗压强度与无损检测指标的相关性研究：面向现场岩土工程表征的意义

《Geotechnics》：Correlating Uniaxial Compressive Strength with Non-Destructive Testing (NDT) for Marl-Limestone from Taza, Morocco: Implications for Field Geotechnical Characterization

　　

识别适合土木工程的当地材料是岩土工程师面临的关键挑战。本研究表征了摩洛哥塔扎泥灰岩-石灰岩（marl-limestone）的物理力学性质，重点研究单轴抗压强度（uniaxial compressive strength, UCS）与无损检测（non-destructive testing, NDT）之间的相关性。研究人员对来自不同场地的28个样品进行了物理、矿物学和力学试验。UCS与纵波波速（P-wave velocity, Vp）呈强正相关（R2 = 0.95；内部留一法交叉验证Q2 = 0.94，均方根误差RMSE = 2.8 MPa），与施密特回弹硬度（Schmidt rebound hardness）呈中等相关（R2 = 0.79；Q2 = 0.75，RMSE = 5.6 MPa）。11个已发表的UCS–Vp方程在同一批试样上产生了更大的误差（RMSE ≥ 11 MPa），部分原因是塔扎数据位于其标定范围之外；因此，这些方程若不重新标定则无法直接迁移至该材料。平均CaCO3含量为75.07%。降解性和碎裂性试验对样品进行了分类，为材料在力学和水力应力作用下的长期行为提供了信息。在标定范围内，这些场地特定的相关性能够对完整的塔扎泥灰岩-石灰岩进行初步的无损评估，并可能支持当地材料的利用和现场勘察的优化。然而，预测性能仅经过内部交叉验证，且试样无法追溯至单个露头；因此，在更广泛应用之前，需要进行独立验证（新试样、其他地点、现场及含水条件）。

研究背景与问题

在土木工程实践中，识别和利用当地可用材料是岩土工程师面临的核心挑战之一。泥灰岩-石灰岩是一种由钙质壳和海洋生物残骸沉积形成的沉积岩，由粘土矿物和碳酸钙组成，因其耐久性、广泛可用性而被视为重要的建筑和施工材料。摩洛哥塔扎地区广泛分布此类岩石，但该区域此类岩石的力学和化学性质尚未被系统表征，这构成了对当地可用材料理解的关键空白。以往的相关性研究几乎只针对纯石灰岩，而含有粘土矿物（白云母和蛭石）的泥灰岩-石灰岩对水的敏感性可能改变其物理力学行为，因此为纯碳酸盐建立的方程可能无法直接迁移至此类材料。据研究人员所知，此前尚无针对塔扎泥灰岩-石灰岩标定的UCS–NDT相关性方程。因此，本研究旨在填补这一空白，并定量检验已发表的方程（大多基于较纯石灰岩标定）能否迁移至该材料，同时区分迁移性差与因超出原始标定范围而产生的外推误差。

研究内容与结论

研究人员对来自塔扎走廊四个露头（F1–F4场地）的28个岩芯和块体样品进行了系统的实验室测试，包括物理、矿物学和力学测试。测试项目包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、降解性试验、碎裂性试验、鉴别试验（粒径分析、塑性指数、亚甲蓝值MBV）、单轴抗压强度（UCS）试验，以及无损检测中的超声纵波波速（Vp）和施密特回弹硬度（HR）测试。所有试样均在“取样时含水状态”（含水量1.8%–3.2%）下测试。研究得出以下主要结论：UCS与Vp呈强正相关（指数模型，R² = 0.95；留一法交叉验证Q² = 0.94，RMSE_CV = 2.8 MPa），与HR呈中等相关（R² = 0.79；Q² = 0.75，RMSE_CV = 5.6 MPa）。XRD分析表明所有样品矿物组成一致，主要相为方解石、石英、白云母和蛭石，平均CaCO₃含量为75.07%。降解性和碎裂性试验将21个试样分为三组（G1、G2、G3），表明材料具有中等降解性和低碎裂性。鉴别试验依据摩洛哥GMTR指南将样品分为F1–F4组，其中85.71%的样品适用于路堤填筑。将11个已发表的UCS–Vp方程应用于本数据集时，均产生较大误差（RMSE = 11.4–47.2 MPa），部分原因在于外推超出其标定范围，但也包括与较纯灰岩相比塔扎材料在相同Vp下强度更低这一真实差异；对于HR，基于碳酸盐的最佳方程（Celik方程）表现与本研究场地特定方程相当（RMSE = 5.7 MPa对比5.6 MPa）。

研究意义

本研究首次为粘土质泥灰岩-石灰岩建立了场地特定的UCS–NDT经验相关方程，弥补了塔扎地区当地材料表征的空白。这些方程在标定范围内为完整塔扎泥灰岩-石灰岩的初步无损强度评估提供了实用工具，有助于筛选试样、减少勘察阶段破坏性UCS试验数量，支持更可持续和经济的施工实践。然而，研究明确指出了局限性：预测性能仅基于内部交叉验证，试样无法追溯至单个露头，未进行独立外部验证，且未考虑饱和含水状态和尺度效应。因此，在常规应用前需对新试样、其他地点和现场条件进行独立验证，应用于其他地质环境的泥灰岩-石灰岩前必须重新标定。

主要技术方法

研究人员从塔扎走廊四个露头采集28个试样（岩芯和块体），制备直径53 mm、长径比2.00–2.45的圆柱体试样。主要方法包括：X射线衍射（XRD）测定矿物组成；扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构；Bernard钙计测定碳酸钙含量；降解性试验（NM 13-01-038）和碎裂性试验（NM 13.01.037）评估长期行为；鉴别试验（粒径分析、塑性指数、亚甲蓝值MBV）；单轴抗压强度试验（NF P94-420，ISRM建议方法）；超声纵波波速测试（500 kHz换能器，直接透射法）；施密特回弹硬度测试（L型锤，冲击能量0.735 N·m，20次冲击取均值）。统计分析采用线性、幂函数和指数模型拟合，以留一法交叉验证（LOOCV）和重复5折交叉验证评估预测性能。

研究结果

4.1 扫描电子显微镜（SEM）：SEM显微照片显示样品存在不同尺寸和形状的颗粒，细颗粒占主导，部分呈层状片状结构，与粘土矿物存在一致；颗粒间可见孔隙，表明微观结构密度较低。

4.2 X射线衍射分析：所有样品的主要物相均为方解石（CaCO₃）、石英（SiO₂）、白云母和蛭石，矿物组成一致，方解石为主晶相。

4.3 材料鉴别：粒径分析显示86%的样品细粒含量超过35%；塑性指数结果显示50%的样品为低塑性（12–25）；MBV结果显示57%的样品为2.5–8，43%为0.8–2。依据摩洛哥GMTR指南，42.86%属F1组、10.71%属F2组、32.14%属F3组、14.29%属F4组，总计85.71%（F1–F3组）适用于路堤填筑。

4.4 降解性和碎裂性：21个试样分为三组：G1（33%，6 < DG < 10且FR < 5）、G2（38%，10 < DG < 12且FR < 5）、G3（29%，12 < DG < 15且5 < FR < 7），表明材料具有中等降解性和低碎裂性。

4.5 钙测定结果：四个样品组的碳酸盐含量介于74.3%–75.7%之间，平均CaCO₃含量为75.07%，依据NM 13-1-029标准分类为泥灰岩-石灰岩。

4.6 UCS与纵波波速的相关性：指数模型为最优拟合形式（R² = 0.95，RMSE = 2.6 MPa，MAE = 2.0 MPa），交叉验证后Q² = 0.94，RMSE_CV = 2.8 MPa。95%预测区间约为拟合值的×/÷1.28倍。Vp值形成两个簇（2.12–3.45 km/s和4.18–4.65 km/s），其间无数据点。

4.7 UCS与施密特回弹硬度的相关性：指数模型为最优形式（R² = 0.79，RMSE = 5.2 MPa），交叉验证后Q² = 0.75，RMSE_CV = 5.6 MPa，预测误差约为UCS–Vp模型的两倍，应作为补充性的筛选级估计。

4.8 交叉验证与残差分析：留一法交叉验证与200次重复5折交叉验证结果一致（Vp：Q² = 0.938 ± 0.005，RMSE_CV = 2.82 ± 0.11 MPa；HR：Q² = 0.747 ± 0.020，RMSE_CV = 5.69 ± 0.22 MPa）。UCS–Vp模型的平均绝对百分比误差为8.7%，UCS–HR模型为14.9%。试样P6和P27对UCS–Vp模型有较大影响但无实验异常，予以保留。含水量与UCS、Vp、HR及模型残差均无相关性。

4.9 已发表方程对塔扎泥灰岩-石灰岩的可迁移性：11个已发表的UCS–Vp方程在塔扎数据集上均产生较大误差（RMSE = 11.4–47.2 MPa），为场地特定方程交叉验证RMSE的4.1至17倍。部分误差明确源于外推，但即使在与Jamshidi et al.方程Vp范围重叠的5个试样上，该方程仍高估UCS约17 MPa，表明塔扎材料在相同Vp下弱于Asmari石灰岩。对于HR，Celik方程表现与场地特定方程相当（RMSE = 5.7对比5.6 MPa），而?obano?lu和?elik线性方程的大误差主要源于外推。

4.10 矿物组成与UCS–NDT关系：实验证实材料矿物学上均质，而UCS变化达三倍，与Vp和HR强共变。由于矿物学和鉴别测试无法与单个力学试样配对，粘土含量、孔隙度和风化对强度的可能影响仅为定性假设，未被实验证实。

4.11 局限性与适用范围：方程仅适用于标定范围内（UCS = 17.2–52.2 MPa，Vp = 2.12–4.65 km/s，HR = 23–44，L型锤）的完整试样，且限于单一取样含水状态。饱和状态、尺度效应、节理等不连续面对现场测量的影响未纳入考虑。试样来自单一地质走廊的四个露头，无法追溯单个试样至具体露头，代表性仅限于所采样材料。预测性能仅经内部交叉验证，未经独立外部验证。

讨论总结与结论翻译

讨论部分强调，已发表方程对塔扎材料的大误差不能说明这些方程在其自身标定域内不适用，而主要反映外推和岩性差异。UCS–Vp相关性是更准确的场地特定估计工具，而UCS–HR相关性仅作为补充性筛选级估计。矿物组成均质但强度变化显著，表明强度变异性不由碳酸盐含量解释；粘土含量、孔隙度和风化的影响仅为定性假设。研究局限性包括单一含水状态、缺乏独立外部验证、试样无法追溯至露头、未量化时间与成本节约等。

研究结论为：本研究对摩洛哥塔扎地区泥灰岩-石灰岩的物理力学性质进行了深入表征，重点研究UCS与无损检测方法（Vp和施密特回弹硬度）之间的相关性。本工作的新颖性不在于相关性方法本身，而在于将其应用于含粘土的泥灰岩-石灰岩，此前尚未为该材料标定过场地特定的经验方程。矿物学和微观结构分析表明，塔扎泥灰岩-石灰岩主要由方解石、石英、白云母和蛭石组成，平均CaCO₃含量为75.07%，组成均质而UCS变化达三倍。降解性和碎裂性试验表明材料具有中等降解性和低碎裂性。在标定范围内，UCS与Vp呈强相关（R² = 0.95，Q² = 0.94，RMSE_CV = 2.8 MPa），与HR呈中等相关（R² = 0.79，Q² = 0.75，RMSE_CV = 5.6 MPa）。UCS–Vp相关性是更准确的场地特定估计工具，UCS–HR相关性提供补充性筛选级估计。11个已发表的UCS–Vp方程在相同试样上产生显著更大的误差（RMSE = 11–47 MPa），表明其向塔扎材料的可迁移性有限。所提出的相关性为完整塔扎泥灰岩-石灰岩在标定范围内的初步无损评估提供了场地特定工具，但仅受内部交叉验证支持，其代表性仅限于来自四个露头的试样，在路堤或基础工程设计中使用前需进行额外验证，包括现场尺度和含水依赖性测试。