巖石力學試驗中試樣選擇和抗壓強度預測方法分析

夏驪娜

(中國電建集團成都勘測設計研究院,四川成都 610000)

巖石力學試驗中試樣選擇和抗壓強度預測方法分析

夏驪娜

(中國電建集團成都勘測設計研究院,四川成都 610000)

開展巖石力學實驗項目是推動工程整改效率的必要手段,但現(xiàn)實驗證結(jié)果往往受到各類現(xiàn)實因素制約,離散特性全面擴散,嚴重時與預期設定指標延展方向完全偏離。設計主體決定利用超聲波傳播速度、回彈數(shù)值以及延時強度作為驗證媒介,將過往研究經(jīng)驗綜合起來,使得巖石試樣選取工作能夠在超聲-回彈方法的全面指導下,主動排除一切離散制備因素,真正彰顯室內(nèi)試驗的精準程度。實踐結(jié)果驗證,此類調(diào)試手段適應特性優(yōu)良,對于任何缺陷狀況能夠保留必要的辨識技巧,并且全程工序施展便捷且沒有任何損傷。另外,超聲-回彈綜合考察方式也可較好地預測巖石整體抗壓強度。所以,此類方案在巖石抗壓強度預測以及最終試樣選取上積極輔助意義深刻,應該得到技術人員的廣泛重視和有機應用。

超聲波速 回彈技法 缺陷狀況 樣本選擇 強度預測

1 前言

針對巖石力學機理進行深入解析，是整個工程開發(fā)活動中的重點研究內(nèi)容，盡管目前科學計算以及理論側(cè)重點已經(jīng)達到相當高的水準，但是巖石力學始終對于當中各類安全隱患起著必要的防護作用，不可輕視。依照國內(nèi)外長期實踐經(jīng)驗解析，試驗技術與操作儀器百般變換，試驗精度和控制實效也不可能一成不變;另一方面，大批水電資源開發(fā)活動緊密銜接，涉及巖石力學試驗必然產(chǎn)生全新標準，而非常規(guī)力學研究也備受關照。

2 巖石的無損檢測技術統(tǒng)籌規(guī)劃

在室內(nèi)開展巖石力學試驗，具體是確定對應巖體參數(shù)，任何細節(jié)處理不當，都將直接影響施工進度。這部分規(guī)劃工作受到多種因素影響，即便是相同位置應用加工手法，外觀也沒有差別形式，采取相同實驗流程，其配置結(jié)果仍然沒有太大差異。在上述眾多影響因素之中，部分取樣結(jié)果必然產(chǎn)生限制，包括高徑比、截面形狀、試件體積樣式等，部分法則全因此擴張開來，在有效加工精度、加載價值作用下，這方面影響就可透過細化試驗方案、嚴格遵守內(nèi)部法則管理。但在巖石試樣內(nèi)部缺陷狀況中，仍有許多因素不可掌控。相關專家研究的動機，就是聯(lián)合現(xiàn)有無損檢測手段，提出方便的樣本選擇方法，在正式開展實驗工作之前，先盡量將離散元素清除，提高結(jié)果準確地位，并且將試驗程度提升至完美狀態(tài)，將這種方式應用在抗壓強度預測之中。巖石單軸抗壓強度是試件在無側(cè)限條件下受軸力作用破壞時，單位面積上所承受的荷載，巖石在單軸受壓至破壞時的壓應力值，即巖石抗壓強度，用R表示。巖石抗壓強度是巖石力學強度中最基本的指標之一。在進行洞室、巷道、建筑物地基穩(wěn)定計算、評價，以及建筑石材的選擇中，抗壓強度是必不可少的指標。抗壓強度在工程上應用極為重要和廣泛，與其它物性指標，如聲波速度、密度、變形特性有著密切關系。巖石抗壓強度試驗極其簡單，計算非常容易。但是實際應用上并非如此，除礦物含量、顆粒大小、結(jié)構(gòu)、含水量、孔隙率等內(nèi)在因素外，外界條件，如試件的形態(tài)、徑高比、加工精度及加荷速率等，對試驗結(jié)果也有很大影響。基本原理：巖石單軸抗壓強度的測定，一般采用直接壓壞標準試件的方法，常與巖石靜力變形摸量實驗同步進行。另一方面，設備與材料巖石抗壓強度實驗必須加工標準的規(guī)格試件。

圖1 實測、預測強度對比

2.1 超聲波技法

巖石超聲波測試技術透過檢測手段在巖體介質(zhì)中記錄聲學參數(shù)的變化特征，間接地驗證其中蘊含的物理力學特性以及內(nèi)部機理形態(tài)。超聲波在巖石中的傳播速度共同呈現(xiàn)材料的彈性性質(zhì)和內(nèi)部構(gòu)造相關信息，可以深度測量巖石強度績效，而且可以反映巖石中的缺陷，如若測試的巖石中間微裂縫以及其余填充物質(zhì)，一旦說到達界面，反射、散射等作用瞬間激活，波速由此降低，其間裂縫數(shù)量、寬度也不斷發(fā)生改變。依照聲速的變化特征，可以判別巖石內(nèi)部缺陷狀況，自從超聲波測試技術應用到巖土工程后期，已經(jīng)成功解讀巖體動彈作用、質(zhì)量評價問題。但超聲波已經(jīng)無法反映巖石的塑性潛質(zhì)，因為研究內(nèi)容眾多，其間巖石破脆程度復雜，巖石塑性對強度影響深刻;在疏密的聲波波速狀況之中，因為限制條件眾多，強度反而會小，單純地運用聲波法檢測強度質(zhì)量，往往會造成限制性誤差反應。

2.2 回彈技藝

其就是主張利用巖石回彈值、強度交互式規(guī)律法則推算強度質(zhì)量效應，回彈值反映整個工作性質(zhì)，但在某種角度之上凸顯巖石塑性特征。經(jīng)過長久研究活動下來，有關學者開始注意這方面內(nèi)容，并運用回歸分析手段制定巖石強度、回彈值關系曲線圖。針對某項公路內(nèi)部異類隧道掌子面點荷載、回彈數(shù)據(jù)進行回歸驗證，證明二者閉合關系良好。巖石回彈值可以較好呈現(xiàn)邊坡強度、風化程度，把回彈值作為穩(wěn)定的判別變量。雖然回彈法能夠快捷滲透到巖石強度檢驗工作之中，但是現(xiàn)實證明這只能映襯巖石表層大約3cm厚度狀態(tài)，不能反映巖石內(nèi)部構(gòu)造狀況，單獨使用時誤差結(jié)果也會很大。

2.3 綜合技法

應用無損檢測手段將巖石抗壓強度預測完全，回彈值或者超聲波波速等檢測值與強度對應關系不是唯一關注細節(jié)，具體是其中影響因素眾多，如巖石的礦物成分、風化程度以及表面濕度等。對于巖石本身來講，礦物組成機理存在空隙，這也是研究強度質(zhì)量的必要突破口，根據(jù)過往研究中單純運用回彈值以及超聲波波速預測手段觀測，誤差現(xiàn)象也正是由此揭發(fā)。按照這種規(guī)則思考，部分學者開始提出綜合解讀設想，精準程度凸顯，巖石密度也可能在某種程度上反映致密特性;但對于結(jié)構(gòu)特征來講，包括微裂縫識別能力還是不夠穩(wěn)定的。聯(lián)合過往研究成果進行取長補短，擬定綜合超聲波應用方案，進而全面開拓各自適應優(yōu)勢，這樣便能確保彈性、塑性工作同步進展。在必要表層狀態(tài)研究流程中，可以按照由表及里途徑確切反映巖石強度。在應用試樣選擇活動中，對于批次試樣，能夠運用集中、個別對比策略，將其分組。另一方面，可以將這種綜合技能應用在預測巖石強度之中，為了驗證其可行功效，選取部分巖石試樣進行科學試驗。

3 現(xiàn)實應用案例研究

此次采樣地點具體設定在三峽水庫滑坡地帶，其中弱風化砂巖廣布，為了將水-巖作用進一步拆解清晰，便將試樣大小設定為50mm*100mm，制備流程具體依照規(guī)范指標操作，直徑誤差效果不得超過0.1mm，至于端面不平行維度也要盡量縮小至0.02mm。因為巖石樣本結(jié)構(gòu)差異不大，制作完畢的試樣外觀不會產(chǎn)生過大出入，但在單軸抗壓強度檢查中發(fā)現(xiàn)離散性仍舊不可扼制，差別跡象超過30%。為了將個中原因提煉，盡量杜絕離散跡象，確保試驗精準程度，有關研究人員提出超聲-回彈綜合驗證手法。于是，便采取18個樣本材料進行聲波波速、回彈值以及單軸抗壓強度試驗。后期調(diào)研結(jié)果顯現(xiàn)，回彈值基本穩(wěn)定在27～33范圍內(nèi)部，變化幅度不大，證明試樣表面硬度質(zhì)量十分接近;但是縱波波速范圍卻在2300～3029m/s區(qū)域徘徊，相對來說較為分散。為了將缺陷特征進行科學判定，采用統(tǒng)一試驗流程對所有樣本進行單軸抗壓強度檢測，其中強度穩(wěn)定在20～21MPa的有4個，其余集中在30～35MPa左右，缺陷隱患突出，表明上述綜合探析策略對巖石取樣、分組工作產(chǎn)生必要的支持功效。

在這部分離散特征研究過程中，包括巖石自身不均勻、后期加工限制等都會造成結(jié)果偏差反應，因此在采樣中期盡量要在現(xiàn)場鑿取巖塊，過程中試樣損傷結(jié)果不可避免，后期應該將各類微裂紋理窺探清楚。根據(jù)國內(nèi)外眾多學者在各種不同條件下試驗研究證明，當徑高比大于1時，強度下降很大，但徑高比達到一定值時，其強度減少甚微，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。目前，國際巖石力學學會對于實驗室試件推薦使用Φ/H徑高比為1：2.5-3.0的樣品進行抗壓強度試驗。我國不論圓柱體或立方體，試件高度與直徑之比宜為2.0-2.5。但是我國冶金、建材和公路橋涵規(guī)范取徑高比為1：1。上述操作驗證了單軸抗壓強度與縱波波速、回彈值相關性良好，我國部分學者開始運用回歸分析技術擬合關聯(lián)探測曲線，將巖體強度、變形參數(shù)的超聲波預測方法提煉，但是現(xiàn)實狀況中卻是極少人運用這等手段。這類手段將聲波、回彈法優(yōu)勢集合，相比之下能夠極好地映襯巖石表層以及內(nèi)部特征，使得強度質(zhì)量瞬間呈現(xiàn)。有關這類手段的計算公式表現(xiàn)為。其中，Σc1代表試樣單軸抗壓強度;vp作為巖石縱波波速(km/s);R便是巖石個體回彈數(shù)值;至于a、b、c都是假定經(jīng)驗公式內(nèi)部特殊試驗調(diào)制系數(shù)。依照對數(shù)關聯(lián)將上述公式轉(zhuǎn)換成為：ln Σc1=lna+blnvp+clnR。該式作為三元一次方程，應用三元線性回歸技巧將系數(shù)解答，并提煉出經(jīng)驗公式：為了確保公式能夠適用，依照縱波波速以及回彈值角度窺探，同時運用經(jīng)驗公式對單軸抗壓強度進行全面預測，誤差范圍表現(xiàn)為0.34%～7.15%，預測、實測強度值能夠在此條件下得到有機吻合。對照過往強度預測經(jīng)驗公式，從中選取最優(yōu)對比分析結(jié)果。

公式中，Σc2、Σc3分別為后續(xù)單軸抗壓強度預測值提供的假定系數(shù)。運用線性回歸技術得到回彈法預測抗壓強度經(jīng)驗公式為：Σc2=3.96R0.619聲波法預測強度經(jīng)驗公式則為

總結(jié)下來，上述各個公式強度預測值將如圖1所示。

經(jīng)過系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，強度預測值與實測值變化特征沒有太大出入，其中超聲-回彈綜合模式預測質(zhì)量最為精良，并且相關系數(shù)r高于其余經(jīng)驗公式，方差無偏估計值也是最小的，顯著性檢驗程度也不必多說。所以，綜合模式在巖石強度預測工作中是十分必要的輔助媒介，并且比過往經(jīng)驗公式精準程度高，表明在仔細測量聲波、回彈值前提下，能夠全面陳列所需抗壓強度數(shù)值。

4 綜合分析法應用細節(jié)補充

在眾多巖石試樣之中，涉及縱波波速、回彈值、單軸壓縮強度等相關關系是眾多實驗結(jié)果襯托的，但部分學者發(fā)現(xiàn)當中蘊藏特殊情況，這具體是由巖石性質(zhì)差異以及分均勻特性影響。所以，為了確保能夠?qū)Σ煌愋蛶r石樣本進行系統(tǒng)試驗，開始建立必要經(jīng)驗強度預測公式架構(gòu)，同時在測試縱波波速等數(shù)據(jù)過程中穩(wěn)定試樣狀態(tài)。過往研究流程中發(fā)現(xiàn)，包括溫度、試樣飽和程度、表面濕度等對參數(shù)測定影響都較為深刻，規(guī)律穩(wěn)固效應也會因此紊亂。一旦說巖石內(nèi)部裂縫等弱面與聲波傳播方向趨同時，對于聲波波速影響就會減小;當裂隙聲波傳播方向保持垂直交接關系時，這部分影響效果也就擴散開來。所以，本文提出的綜合驗證技巧存在一定的局限效應，這是毋庸置疑的，其實就是在某種程度上引起實驗結(jié)果產(chǎn)生離散反應，如若碰巧試樣在近軸方向存在裂紋時，預測結(jié)果也就偏差過重，但這類現(xiàn)象能夠透過試樣破壞形態(tài)之上進行科學區(qū)分。具體來講，本文就是在這種方法基礎上，進行后期試驗經(jīng)驗補充，希望能夠?qū)r石力學研究工作提供些許指導意見，杜絕混亂認知跡象的再次衍生。巖石具體抗壓強度與縱波波速有著必要聯(lián)系，依照此種標準建立多元回歸模型。研究結(jié)果證明，在綜合經(jīng)驗公式下的預測強度值是可以被吸納的，并且比以往經(jīng)驗公式精準程度更高。

需要注意的是，不管是回彈、聲波甚至是綜合預測手段，都只能是借助間接途徑實施，在直接力學試驗工作中還不具備完全實用功效，其實際結(jié)果更可以力學試驗參考，為試樣科學選取以及荷載分級加載提供方便;特別是在大型試驗中，就能更全面地取得工程巖石力學性質(zhì)參數(shù)與質(zhì)量驗證指標，為工程設計提供有效依據(jù)。

5 結(jié)語

按照上述內(nèi)容陳述，綜合法在巖石強度預測工作中輔助功效深刻，并且能夠抵抗過去預測經(jīng)驗公式中的不穩(wěn)定計算狀況;證明在特別試樣支撐條件下，涉及回彈值以及聲波元素規(guī)整得還是比較完全的，能夠為預測實際抗壓強度提供疏導線索，保證相關工程全面開展，維持特定事業(yè)可持續(xù)發(fā)展績效。

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夏驪娜(1985—),女,重慶萬州人,中國電建集團成都勘測設計研究院,助工,主要研究學士巖石抗壓試驗。