巖石力學(xué)試驗(yàn)中試樣選擇和抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法分析

夏驪娜

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610000)

巖石力學(xué)試驗(yàn)中試樣選擇和抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法分析

夏驪娜

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610000)

開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是推動(dòng)工程整改效率的必要手段,但現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證結(jié)果往往受到各類現(xiàn)實(shí)因素制約,離散特性全面擴(kuò)散,嚴(yán)重時(shí)與預(yù)期設(shè)定指標(biāo)延展方向完全偏離。設(shè)計(jì)主體決定利用超聲波傳播速度、回彈數(shù)值以及延時(shí)強(qiáng)度作為驗(yàn)證媒介,將過往研究經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)下,主動(dòng)排除一切離散制備因素,真正彰顯室內(nèi)試驗(yàn)的精準(zhǔn)程度。實(shí)踐結(jié)果驗(yàn)證,此類調(diào)試手段適應(yīng)特性優(yōu)良,對(duì)于任何缺陷狀況能夠保留必要的辨識(shí)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(yù)測(cè)巖石整體抗壓強(qiáng)度。所以,此類方案在巖石抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)以及最終試樣選取上積極輔助意義深刻,應(yīng)該得到技術(shù)人員的廣泛重視和有機(jī)應(yīng)用。

超聲波速 回彈技法 缺陷狀況 樣本選擇 強(qiáng)度預(yù)測(cè)

1 前言

針對(duì)巖石力學(xué)機(jī)理進(jìn)行深入解析，是整個(gè)工程開發(fā)活動(dòng)中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，盡管目前科學(xué)計(jì)算以及理論側(cè)重點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)，但是巖石力學(xué)始終對(duì)于當(dāng)中各類安全隱患起著必要的防護(hù)作用，不可輕視。依照國內(nèi)外長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)解析，試驗(yàn)技術(shù)與操作儀器百般變換，試驗(yàn)精度和控制實(shí)效也不可能一成不變;另一方面，大批水電資源開發(fā)活動(dòng)緊密銜接，涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)必然產(chǎn)生全新標(biāo)準(zhǔn)，而非常規(guī)力學(xué)研究也備受關(guān)照。

2 巖石的無損檢測(cè)技術(shù)統(tǒng)籌規(guī)劃

在室內(nèi)開展巖石力學(xué)試驗(yàn)，具體是確定對(duì)應(yīng)巖體參數(shù)，任何細(xì)節(jié)處理不當(dāng)，都將直接影響施工進(jìn)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(yīng)用加工手法，外觀也沒有差別形式，采取相同實(shí)驗(yàn)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(kuò)張開來，在有效加工精度、加載價(jià)值作用下，這方面影響就可透過細(xì)化試驗(yàn)方案、嚴(yán)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(guān)專家研究的動(dòng)機(jī)，就是聯(lián)合現(xiàn)有無損檢測(cè)手段，提出方便的樣本選擇方法，在正式開展實(shí)驗(yàn)工作之前，先盡量將離散元素清除，提高結(jié)果準(zhǔn)確地位，并且將試驗(yàn)程度提升至完美狀態(tài)，將這種方式應(yīng)用在抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)之中。巖石單軸抗壓強(qiáng)度是試件在無側(cè)限條件下受軸力作用破壞時(shí)，單位面積上所承受的荷載，巖石在單軸受壓至破壞時(shí)的壓應(yīng)力值，即巖石抗壓強(qiáng)度，用R表示。巖石抗壓強(qiáng)度是巖石力學(xué)強(qiáng)度中最基本的指標(biāo)之一。在進(jìn)行洞室、巷道、建筑物地基穩(wěn)定計(jì)算、評(píng)價(jià)，以及建筑石材的選擇中，抗壓強(qiáng)度是必不可少的指標(biāo)?？箟簭?qiáng)度在工程上應(yīng)用極為重要和廣泛，與其它物性指標(biāo)，如聲波速度、密度、變形特性有著密切關(guān)系。巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)極其簡(jiǎn)單，計(jì)算非常容易。但是實(shí)際應(yīng)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有很大影響?；驹恚簬r石單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)定，一般采用直接壓壞標(biāo)準(zhǔn)試件的方法，常與巖石靜力變形摸量實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行。另一方面，設(shè)備與材料巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)必須加工標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格試件。

圖1 實(shí)測(cè)、預(yù)測(cè)強(qiáng)度對(duì)比

2.1 超聲波技法

巖石超聲波測(cè)試技術(shù)透過檢測(cè)手段在巖體介質(zhì)中記錄聲學(xué)參數(shù)的變化特征，間接地驗(yàn)證其中蘊(yùn)含的物理力學(xué)特性以及內(nèi)部機(jī)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(guān)信息，可以深度測(cè)量巖石強(qiáng)度績(jī)效，而且可以反映巖石中的缺陷，如若測(cè)試的巖石中間微裂縫以及其余填充物質(zhì)，一旦說到達(dá)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(cè)試技術(shù)應(yīng)用到巖土工程后期，已經(jīng)成功解讀巖體動(dòng)彈作用、質(zhì)量評(píng)價(jià)問題。但超聲波已經(jīng)無法反映巖石的塑性潛質(zhì)，因?yàn)檠芯績(jī)?nèi)容眾多，其間巖石破脆程度復(fù)雜，巖石塑性對(duì)強(qiáng)度影響深刻;在疏密的聲波波速狀況之中，因?yàn)橄拗茥l件眾多，強(qiáng)度反而會(huì)小，單純地運(yùn)用聲波法檢測(cè)強(qiáng)度質(zhì)量，往往會(huì)造成限制性誤差反應(yīng)。

2.2 回彈技藝

其就是主張利用巖石回彈值、強(qiáng)度交互式規(guī)律法則推算強(qiáng)度質(zhì)量效應(yīng)，回彈值反映整個(gè)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(zhǎng)久研究活動(dòng)下來，有關(guān)學(xué)者開始注意這方面內(nèi)容，并運(yùn)用回歸分析手段制定巖石強(qiáng)度、回彈值關(guān)系曲線圖。針對(duì)某項(xiàng)公路內(nèi)部異類隧道掌子面點(diǎn)荷載、回彈數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸驗(yàn)證，證明二者閉合關(guān)系良好。巖石回彈值可以較好呈現(xiàn)邊坡強(qiáng)度、風(fēng)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(qiáng)度檢驗(yàn)工作之中，但是現(xiàn)實(shí)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(dú)使用時(shí)誤差結(jié)果也會(huì)很大。

2.3 綜合技法

應(yīng)用無損檢測(cè)手段將巖石抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)完全，回彈值或者超聲波波速等檢測(cè)值與強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系不是唯一關(guān)注細(xì)節(jié)，具體是其中影響因素眾多，如巖石的礦物成分、風(fēng)化程度以及表面濕度等。對(duì)于巖石本身來講，礦物組成機(jī)理存在空隙，這也是研究強(qiáng)度質(zhì)量的必要突破口，根據(jù)過往研究中單純運(yùn)用回彈值以及超聲波波速預(yù)測(cè)手段觀測(cè)，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(xué)者開始提出綜合解讀設(shè)想，精準(zhǔn)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(duì)于結(jié)構(gòu)特征來講，包括微裂縫識(shí)別能力還是不夠穩(wěn)定的。聯(lián)合過往研究成果進(jìn)行取長(zhǎng)補(bǔ)短，擬定綜合超聲波應(yīng)用方案，進(jìn)而全面開拓各自適應(yīng)優(yōu)勢(shì)，這樣便能確保彈性、塑性工作同步進(jìn)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(qiáng)度。在應(yīng)用試樣選擇活動(dòng)中，對(duì)于批次試樣，能夠運(yùn)用集中、個(gè)別對(duì)比策略，將其分組。另一方面，可以將這種綜合技能應(yīng)用在預(yù)測(cè)巖石強(qiáng)度之中，為了驗(yàn)證其可行功效，選取部分巖石試樣進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)。

3 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用案例研究

此次采樣地點(diǎn)具體設(shè)定在三峽水庫滑坡地帶，其中弱風(fēng)化砂巖廣布，為了將水-巖作用進(jìn)一步拆解清晰，便將試樣大小設(shè)定為50mm*100mm，制備流程具體依照規(guī)范指標(biāo)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?yàn)閹r石樣本結(jié)構(gòu)差異不大，制作完畢的試樣外觀不會(huì)產(chǎn)生過大出入，但在單軸抗壓強(qiáng)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(gè)中原因提煉，盡量杜絕離散跡象，確保試驗(yàn)精準(zhǔn)程度，有關(guān)研究人員提出超聲-回彈綜合驗(yàn)證手法。于是，便采取18個(gè)樣本材料進(jìn)行聲波波速、回彈值以及單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。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(duì)來說較為分散。為了將缺陷特征進(jìn)行科學(xué)判定，采用統(tǒng)一試驗(yàn)流程對(duì)所有樣本進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，其中強(qiáng)度穩(wěn)定在20～21MPa的有4個(gè)，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(duì)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(huì)造成結(jié)果偏差反應(yīng)，因此在采樣中期盡量要在現(xiàn)場(chǎng)鑿取巖塊，過程中試樣損傷結(jié)果不可避免，后期應(yīng)該將各類微裂紋理窺探清楚。根據(jù)國內(nèi)外眾多學(xué)者在各種不同條件下試驗(yàn)研究證明，當(dāng)徑高比大于1時(shí)，強(qiáng)度下降很大，但徑高比達(dá)到一定值時(shí)，其強(qiáng)度減少甚微，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。目前，國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室試件推薦使用Φ/H徑高比為1：2.5-3.0的樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。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(yàn)證了單軸抗壓強(qiáng)度與縱波波速、回彈值相關(guān)性良好，我國部分學(xué)者開始運(yùn)用回歸分析技術(shù)擬合關(guān)聯(lián)探測(cè)曲線，將巖體強(qiáng)度、變形參數(shù)的超聲波預(yù)測(cè)方法提煉，但是現(xiàn)實(shí)狀況中卻是極少人運(yùn)用這等手段。這類手段將聲波、回彈法優(yōu)勢(shì)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(qiáng)度質(zhì)量瞬間呈現(xiàn)。有關(guān)這類手段的計(jì)算公式表現(xiàn)為。其中，Σc1代表試樣單軸抗壓強(qiáng)度;vp作為巖石縱波波速(km/s);R便是巖石個(gè)體回彈數(shù)值;至于a、b、c都是假定經(jīng)驗(yàn)公式內(nèi)部特殊試驗(yàn)調(diào)制系數(shù)。依照對(duì)數(shù)關(guān)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(yīng)用三元線性回歸技巧將系數(shù)解答，并提煉出經(jīng)驗(yàn)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(shí)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行全面預(yù)測(cè)，誤差范圍表現(xiàn)為0.34%～7.15%，預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè)強(qiáng)度值能夠在此條件下得到有機(jī)吻合。對(duì)照過往強(qiáng)度預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，從中選取最優(yōu)對(duì)比分析結(jié)果。

公式中，Σc2、Σc3分別為后續(xù)單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值提供的假定系數(shù)。運(yùn)用線性回歸技術(shù)得到回彈法預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式為：Σc2=3.96R0.619聲波法預(yù)測(cè)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式則為

總結(jié)下來，上述各個(gè)公式強(qiáng)度預(yù)測(cè)值將如圖1所示。

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

4 綜合分析法應(yīng)用細(xì)節(jié)補(bǔ)充

在眾多巖石試樣之中，涉及縱波波速、回彈值、單軸壓縮強(qiáng)度等相關(guān)關(guān)系是眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果襯托的，但部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)中蘊(yùn)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(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，開始建立必要經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式架構(gòu)，同時(shí)在測(cè)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(duì)參數(shù)測(cè)定影響都較為深刻，規(guī)律穩(wěn)固效應(yīng)也會(huì)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(shí)，對(duì)于聲波波速影響就會(huì)減小;當(dāng)裂隙聲波傳播方向保持垂直交接關(guān)系時(shí)，這部分影響效果也就擴(kuò)散開來。所以，本文提出的綜合驗(yàn)證技巧存在一定的局限效應(yīng)，這是毋庸置疑的，其實(shí)就是在某種程度上引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生離散反應(yīng)，如若碰巧試樣在近軸方向存在裂紋時(shí)，預(yù)測(cè)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(jìn)行科學(xué)區(qū)分。具體來講，本文就是在這種方法基礎(chǔ)上，進(jìn)行后期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充，希望能夠?qū)r石力學(xué)研究工作提供些許指導(dǎo)意見，杜絕混亂認(rèn)知跡象的再次衍生。巖石具體抗壓強(qiáng)度與縱波波速有著必要聯(lián)系，依照此種標(biāo)準(zhǔn)建立多元回歸模型。研究結(jié)果證明，在綜合經(jīng)驗(yàn)公式下的預(yù)測(cè)強(qiáng)度值是可以被吸納的，并且比以往經(jīng)驗(yàn)公式精準(zhǔn)程度更高。

需要注意的是，不管是回彈、聲波甚至是綜合預(yù)測(cè)手段，都只能是借助間接途徑實(shí)施，在直接力學(xué)試驗(yàn)工作中還不具備完全實(shí)用功效，其實(shí)際結(jié)果更可以力學(xué)試驗(yàn)參考，為試樣科學(xué)選取以及荷載分級(jí)加載提供方便;特別是在大型試驗(yàn)中，就能更全面地取得工程巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與質(zhì)量驗(yàn)證指標(biāo)，為工程設(shè)計(jì)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(qiáng)度預(yù)測(cè)工作中輔助功效深刻，并且能夠抵抗過去預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式中的不穩(wěn)定計(jì)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?yàn)轭A(yù)測(cè)實(shí)際抗壓強(qiáng)度提供疏導(dǎo)線索，保證相關(guān)工程全面開展，維持特定事業(yè)可持續(xù)發(fā)展績(jī)效。

[1]張振營.巖石抗壓強(qiáng)度點(diǎn)荷試驗(yàn)與回彈試驗(yàn)相關(guān)性研究[J].路基工程,2008,11(05)：102-104.

[2]李小雙.損傷巖石試樣的力學(xué)特性與縱波速度關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,25(03)：58-61.

[3]王耕耀.飽水對(duì)煤系地層巖石力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,11(05)：99-100.

[4]左昌群.椿樹埡隧道圍巖分級(jí)的基本參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)獲取方法研究[J].鐵道建筑,2011,13(11)：127-128.

[5]魯濤.巖石力學(xué)試驗(yàn)中試樣選擇和抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法研究[J].巖土力學(xué),2011,15(11)：56-67.

[6]蔣國斌.海拉爾油田不同巖性動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)模型建立及求解[J].油氣田地面工程,2011,18(10)：55-58.

[7]何曉晴.巖石單軸壓縮試驗(yàn)活動(dòng)承壓板對(duì)變形測(cè)值影響的修正方法[J].土工基礎(chǔ),2014,18(02)：119-127.

夏驪娜(1985—),女,重慶萬州人,中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,助工,主要研究學(xué)士巖石抗壓試驗(yàn)。