巖芯回彈測試方法

袁廣祥，王朋姣，李建勇，黃志全，趙 菲

（華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045）

巖芯回彈測試方法

袁廣祥，王朋姣，李建勇，黃志全，趙 菲

（華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045）

為利用回彈儀快速確定巖芯強(qiáng)度，根據(jù)回彈儀的原理和巖芯的特征，對巖芯回彈測試方法進(jìn)行研究。在選擇回彈儀型號時，輕型為宜，0.735J的最佳；為保證回彈儀垂直沖擊巖芯表面，且在沖擊過程中巖芯不發(fā)生回彈，應(yīng)使用輔助裝置，包括鋼基座和導(dǎo)向管；測點(diǎn)均勻布置在某一橫斷面的圓周上，間隔90°，每個測點(diǎn)錘擊1次，記錄回彈值。由于巖芯回彈測試垂直向下錘擊，應(yīng)對回彈值進(jìn)行修正，然后再取4個測點(diǎn)回彈修正值的平均值作為巖芯在這一斷面處的回彈值。通過回彈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用這種方法獲取巖芯的回彈值，效果較好。

巖芯；回彈儀；測試方法；回彈值

0 引 言

回彈檢測法因其不損壞構(gòu)件、儀器構(gòu)造簡單、操作方便、試驗(yàn)費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土的強(qiáng)度檢測方面得到廣泛應(yīng)用[1-4]。由于回彈法測出的回彈值與材料的強(qiáng)度具有明顯的相關(guān)性，該方法于20世紀(jì)60年代早期開始應(yīng)用于巖石力學(xué)實(shí)踐中[5-7]，用于評價巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，并且把它作為一種重要的巖石材料表征指標(biāo)。一些學(xué)者通過大量的試驗(yàn)，得出了巖石單軸抗壓強(qiáng)度與回彈值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[8-9]，如表1所示，表中UCS為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；ρ為密度，g/cm3；RL和RN分別為L型和N型回彈儀測得回彈值。

表1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度與回彈值之間的關(guān)系[8-9]

巖石的力學(xué)性質(zhì)直接影響巖體質(zhì)量評價結(jié)果，并對巖體的穩(wěn)定性起著重要作用，進(jìn)而影響巖體工程的設(shè)計、施工和支護(hù)，因此準(zhǔn)確獲取巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)至關(guān)重要。獲取目標(biāo)深度巖石力學(xué)性質(zhì)最直接、最準(zhǔn)確的方法為巖芯力學(xué)試驗(yàn)。首先要進(jìn)行取樣、制樣等，不但需要大量的時間，要獲得足夠多的力學(xué)數(shù)據(jù)也必須開展大量的試驗(yàn)，需要很大的經(jīng)濟(jì)成本。此外，巖石力學(xué)試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后巖樣無法再用，這對于深部巖體寶貴的巖樣來說，也是一種浪費(fèi)。基于此，利用回彈方法測出巖芯的回彈值，通過回彈值-強(qiáng)度關(guān)系換算出巖石的強(qiáng)度，不僅能快速獲取巖芯足夠多的力學(xué)參數(shù)，而且能在鉆孔現(xiàn)場進(jìn)行測試，無須制樣，對巖芯也無損傷，不影響巖芯的其他用途。但是，和混凝土及巖體測試不同之處在于，巖芯比較小，且呈圓柱形，與回彈儀彈桿接觸部分為曲面，很難固定。國際巖石力學(xué)學(xué)會規(guī)定在做回彈試驗(yàn)時必須保持試樣穩(wěn)固，且要求彈桿垂直于測試面[10]。但目前卻沒有一個成熟的方法指導(dǎo)巖芯回彈試驗(yàn)?；诖?，本文根據(jù)回彈儀的原理和巖芯的特征，對巖芯回彈測試方法進(jìn)行探討，以獲得較為準(zhǔn)確的回彈值。

1 回彈儀

1.1 回彈儀原理

回彈法是利用回彈儀檢測混凝土或巖石強(qiáng)度的一種非破損方法，回彈儀的基本原理是由彈擊桿以恒定的動能垂直地對混凝土或巖石表面進(jìn)行撞擊，而彈擊桿是由彈擊拉簧驅(qū)動彈擊錘來進(jìn)行撞擊，這樣被彈擊混凝土或巖石表面的位置發(fā)生形變，并且對這部分能量進(jìn)行吸收，而另外一部分就轉(zhuǎn)換成彈擊錘的反彈動能，勢能驅(qū)動彈擊錘反彈達(dá)到最大距離，而這部分勢能是由彈擊錘的反彈動能全部轉(zhuǎn)化成的。如圖1所示，拉力彈簧的起始拉伸長度為l（定值），重錘彈回時彈簧的拉伸長度為x，則回彈值為

圖1 回彈儀工作原理示意圖［11］

1.2 回彈儀類型選擇

根據(jù)其沖擊能量，回彈儀分為6種規(guī)格：9.800，5.500，4.500，2.207，0.735，0.196J[12]。對于一個給定的沖頭直徑和曲率半徑，回彈儀的沖擊能量決定了它的適用范圍。因此，這種限制也決定了選擇回彈儀的類型。中型、中重型和重型回彈儀相對于輕型回彈儀來說沖擊能量更高，沖擊力更強(qiáng)，適合于探測體積較大的材料，在現(xiàn)場試驗(yàn)中可優(yōu)先考慮使用。而在巖芯回彈測試時，巖芯直徑一般為幾厘米，體積小，能量大的回彈儀在回彈測試時易破壞巖芯，因此應(yīng)選用沖擊能量小的輕型回彈儀。0.196J的回彈儀主要用于砂漿回彈值的測定，能量很小，對于巖石，尤其是堅硬巖來說，其沖擊力太小。因此，在進(jìn)行巖芯回彈測試時，宜選用沖擊能量為0.735J的輕型回彈儀。

1.3 回彈儀的校準(zhǔn)

試驗(yàn)之前應(yīng)根據(jù)JJG 817——2011《回彈儀檢定規(guī)程》對回彈儀進(jìn)行校驗(yàn)和率定[13]。首先對回彈儀進(jìn)行校驗(yàn)，彈擊錘與彈擊桿碰撞瞬間，彈擊彈簧應(yīng)處于自由狀態(tài)；其次用回彈儀檢定裝置來檢定回彈儀的鋼砧率定值，即在洛氏硬度為（60±2）HRC的鋼砧上測量回彈儀的回彈值是否符合要求，率定時鋼砧應(yīng)穩(wěn)固地平放在剛度大的物體上，測定回彈值時，取連續(xù)向下彈擊不低于3次的穩(wěn)定回彈值的平均值。彈擊桿分4個方向進(jìn)行，每次旋轉(zhuǎn)90°，每旋轉(zhuǎn)一次的率定平均值應(yīng)為74±2。

2 回彈儀非水平方向錘擊的修正

由于回彈試驗(yàn)中沿非水平方向沖擊的回彈值受到重力的影響，所以為了抵消這些影響，非水平方向沖擊的回彈值必須參照水平方向進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為此，Basu等[14]提出了對回彈儀非水平方向錘擊的回彈值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化修正。根據(jù)能量守恒定律，在水平方向上進(jìn)行回彈測試時，回彈錘沖擊混凝土或巖體之前瞬時的動能與回彈錘起始狀態(tài)下所具有的勢能相等，即：

式中：m——回彈錘的質(zhì)量，kg；

ν1——回彈錘沖擊之前瞬時速度，m/s；

k——彈簧的剛度系數(shù)，N/m；

l——彈簧的起始拉伸長度，m。

同理，回彈錘沖擊之后瞬間動能與被彈回到x位置的勢能相等，即：

式中ν2為回彈錘沖擊后瞬時速度，m/s。

由式（2）和式（3）可知，回彈值也可表示為回彈錘沖擊后與沖擊前瞬時速度之比，即：

回彈儀沿非水平方向沖擊時，受重力影響，根據(jù)能量守恒定律，沖擊之前的瞬時動能為

式中：θ——回彈儀沖擊方向與水平方向的夾角，（°），向下為正，向上為負(fù)（圖2）；

ν1θ——沿傾角θ方向沖擊之前回彈錘的瞬時速度，m/s。

圖2 相對于水平方向的錘擊方向的定義［14］

沖擊之后的瞬時動能為

式中：ν2θ——沿傾角θ方向沖擊之后回彈錘的瞬時速度，m/s；

xθ——沿傾角θ方向沖擊之后回彈錘返回的距離，m。

測得的回彈值為

由式（4）可知，回彈儀沿非水平方向沖擊時，其回彈值為

根據(jù)式（5）～式（7），可得：

式中，m、k、l已知，由回彈儀的類型確定；θ在測試時可以量測。

巖芯回彈測試時，一般垂直向下（θ=90°）。由式（9）可知，修正后的回彈值為

巖芯測試時，一般選用0.735J的回彈儀，其參數(shù)為 m=0.1406kg；k=275.85N/m；l=0.073m，代入式（10），可得實(shí)測回彈值R測與修正后回彈值R之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 實(shí)測回彈值R測與修正后回彈值R之間的關(guān)系

3 巖芯回彈測試的輔助裝置

圖4 Aydin和Basu使用的具有導(dǎo)向管的巖芯回彈測試裝置［8］

圖5 Karaman和Kesimal使用的巖芯回彈測試裝置［9］

對巖芯進(jìn)行回彈測試時由于巖芯的形狀和尺寸，主要存在兩個方面的問題。一是巖芯呈圓柱狀，直接測試時很難保證回彈儀彈桿垂直錘擊巖芯的表面，出現(xiàn)傾斜沖擊或彈桿的偏心接觸引起的回彈值誤差。二是由于巖芯體積很小，如果把巖芯直接放置在地板或桌面上，在回彈時會導(dǎo)致巖芯與地板或桌面之間的反彈，造成沖擊能量的損失而使測得的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映巖芯的回彈值。

為保證回彈儀彈桿垂直沖擊巖芯表面，Aydin和Basu制備了一種導(dǎo)向管，測試時回彈儀垂直向下穿入導(dǎo)向管[8]（見圖 4）；Karaman等[9]將固定回彈儀的半弧形凹槽垂直連接在弧形槽的底板上（見圖5）。

國際巖石力學(xué)學(xué)會[15]和美國材料試驗(yàn)學(xué)會[16]建議巖樣應(yīng)該被穩(wěn)穩(wěn)地固定在置于堅實(shí)和平坦地面的剛性基座上，并且不同型號的回彈儀對剛性基礎(chǔ)的質(zhì)量要求也不一樣，輕型回彈儀所需剛基質(zhì)量至少為20 kg。在鋼性基座上加工圓弧或V形槽以放置巖芯（見圖6），但較軟的巖石應(yīng)放置在圓弧凹槽上[10]。

使用半圓形凹槽能夠很好地固定巖芯，但只適用于一種直徑。對于堅硬的巖芯，采用V形槽，角度為60°，既能滿足巖芯的側(cè)向約束，又適用多種尺寸的巖芯。筆者在對花崗巖巖芯進(jìn)行回彈測試時，采用0.735 J的輕型回彈儀，設(shè)計一個質(zhì)量為20 kg的長方體鋼基座（25cm×23cm×10cm），上面嵌帶一個寬度為5cm，角度為60°的V型插槽，巖芯放入V形槽中，將巖芯卡緊；固定回彈儀的裝置則利用與回彈儀尺寸相當(dāng)?shù)囊粋€導(dǎo)向管，導(dǎo)向管下面連接一個小的V形底座，使得導(dǎo)向管穩(wěn)定地放置在巖芯表面，并垂直于巖芯兩端面圓心的連線，且導(dǎo)向管兩側(cè)標(biāo)注刻度值，保證回彈試驗(yàn)操作人員準(zhǔn)確而快速地定位待測回彈點(diǎn)（見圖 7）。

圖6 鋼基座剖面（圓弧槽和V形槽）［10］

圖7 自制巖芯回彈測試裝置

表2 部分回彈測試方法

4 技術(shù)要求及測試方法

對巖體進(jìn)行回彈儀測試，回彈點(diǎn)布置、回彈次數(shù)及回彈值計算，不同的規(guī)范和不同學(xué)者采用不同的算法（見表2）。但在同一個測點(diǎn)，需重復(fù)多次錘擊，因?yàn)槎啻五N擊的回彈值既具有統(tǒng)計意義，也比單次錘擊的回彈值更可靠[17-18]。

上述方法主要是針對現(xiàn)場巖體進(jìn)行的回彈測試。對于巖芯，Deere等[29]在一段NX巖芯的3個斷面上進(jìn)行回彈測試，每個斷面上測試8個點(diǎn)（間角45°），共計24個回彈值，取其平均值，即為這段巖芯的回彈值（不考慮異常值）。Aydin和Basu針對每一個樣品，在10個不同點(diǎn)進(jìn)行回彈測試，要求試樣表面相當(dāng)光滑且無可見裂隙，每次回彈點(diǎn)都是獨(dú)立的，且至少間隔2倍回彈桿直徑的距離，取其10個回彈值的平均值，即為該樣品的回彈值[8]。Karaman和Kesimal認(rèn)為對樣品進(jìn)行6次獨(dú)立的回彈測試，每次回彈點(diǎn)的間距至少為1倍回彈桿的直徑，取6次回彈值的平均值作為樣品的回彈值，效果較好[9]。

針對巖芯的特征（尺寸較小，且為圓柱形）和回彈測試特點(diǎn)，筆者針對某花崗巖鉆孔巖芯進(jìn)行了回彈測試，按照每個斷面4個觀測點(diǎn)（其間角為90°）進(jìn)行布置，每個測點(diǎn)錘擊1次（出現(xiàn)失誤或明顯誤差重新測試），取4個測點(diǎn)回彈值的平均值作為該巖芯在這一斷面處的回彈值，其結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯粩嗝嫔细鳒y點(diǎn)之間的回彈值相差較小，因此無需布置更多的測點(diǎn)。若布置點(diǎn)數(shù)較多，兩個測試點(diǎn)之間的距離太小，會產(chǎn)生影響。

表3 某巖芯回彈測試結(jié)果

如果巖芯較長，需布置多個回彈斷面，但兩個回彈斷面之間的距離不小于回彈桿的直徑。同時需要注意以下3點(diǎn)：

1）在進(jìn)行回彈測試時，首先要保證巖芯表面的光滑，因?yàn)槿舯砻姘纪共黄酵沟脹_頭到達(dá)主表面時會造成額外的能量損失，顯著影響其回彈值[27]。一般巖芯表面都比較光滑，但遇到表面掉塊或磨損現(xiàn)象，應(yīng)避開這些位置。其次，錘擊點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離邊界，至少是巖芯直徑一半的距離，避免由于強(qiáng)烈沖擊產(chǎn)生的能量耗散而出現(xiàn)異常低值[30]。

2）在進(jìn)行回彈測試時，要保證回彈儀垂直錘擊巖芯表面。利用圖7所示裝置時，回彈儀要垂直向下，錘擊方向穿過巖芯軸線。這樣才能利用圖3對回彈值進(jìn)行修正。

3）回彈測試應(yīng)注意異?，F(xiàn)象。一方面回彈值的變化反應(yīng)了巖石的各向異性[31]。另一方面，較低的回彈值可能是反應(yīng)了巖石固有的薄弱部分，而不僅僅是測試缺陷的影響，如果去除大量的低數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致結(jié)果錯誤[32]。

5 結(jié)束語

對巖石進(jìn)行回彈測試，錘擊能力越大，其效果越好，回彈值越能反映巖石強(qiáng)度。但由于巖芯尺寸較小，錘擊能力較大時會損壞巖芯，反而結(jié)果不準(zhǔn)確，因此選用0.735J的回彈儀。

回彈儀錘擊方向水平時，其回彈值準(zhǔn)確，對于巖芯回彈，其錘擊方向?yàn)榇怪毕蛳拢貜椖芰坎粌H有回彈儀中彈簧的彈性勢能，也包括回彈錘的重力勢能，因此需要對其進(jìn)行修正。

為消除回彈時巖芯與地面作用是消耗能量帶來的誤差，需要剛性基座放置巖芯。同時為保證回彈方向垂直巖芯表面，即穿過巖芯軸線，需要導(dǎo)向管固定回彈儀。

巖芯回彈測試，應(yīng)在某一橫斷面的圓周上布置4個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)錘擊1次，然后再取4個測點(diǎn)回彈值的平均值作為巖芯在這一斷面處的回彈值。

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（編輯：李妮）

Schmidt hammer test methods for rock core

YUAN Guangxiang， WANG Pengjiao， LI Jianyong， HUANG Zhiquan， ZHAO Fei
（School of Resources and Environment，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

In order to quickly determine the rock core strength by using Schmidt hammer，a new Schmidt hammer test method for rock core was studied according to the principle of Schmidt hammer and core’s characteristics.When selecting Schmidt hammer model， L-type was appropriate，and the best is 0.735 J.In order to ensure that the Schmidt hammer vertically impact the core surface without rebound in the impact process，the auxiliary device should be used，including the steel base and the guide pipe.Measuring points were uniformly distributed on circumference of a certain cross section with interval of 90°and each measuring point was hammered for one time and the rebound values were recorded.Vertically downward hammering was carried out during rock core rebound test，thus rebound value should be corrected， and then the average value of corrected rebound values of four measuring points should be taken as the rebound value of cross section of the rock core.The Schmidt hammer test shows that the rebound values of rock core obtained in this method are trusted.

rock core； Schmidt hammer； test methods； rebound value

A

1674-5124（2017）09-0035-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.007

2017-03-29；

2017-04-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41402269）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃（2015GGJS105）；河南省科技創(chuàng)新人才計劃（154100510006）；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102210111）

袁廣祥（1981-），男，河南周口市人，副教授，博士，主要從事工程地質(zhì)、巖石力學(xué)方面的科研與教學(xué)工作。