巖石強(qiáng)度的回彈測(cè)試研究現(xiàn)狀分析

王凱笛

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009）

回彈儀發(fā)明于瑞士的施密特，具有便攜、簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，起初用來快速檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，關(guān)于巖石回彈試驗(yàn)的開展，自20 世紀(jì)60 年代初開始漸漸普及。巖石回彈的快速發(fā)展，對(duì)于巖土工程的建設(shè)開發(fā)以及巖石力學(xué)的科學(xué)研究都具有重大的意義。通過對(duì)巖石回彈試驗(yàn)估測(cè)巖石強(qiáng)度的現(xiàn)狀分析，巖石回彈試驗(yàn)也存在一些問題，這些問題的解決對(duì)巖土工程建設(shè)的質(zhì)量問題的檢測(cè)有著重要的影響。

1 巖石強(qiáng)度的回彈測(cè)試研究現(xiàn)狀

巖石的種類繁多，不同巖石的致密性和硬度等方面都存在著差異性。利用回彈儀測(cè)量巖石回強(qiáng)度，需要從不同型號(hào)的回彈儀中選出合適的測(cè)量儀器，不同回彈儀標(biāo)稱動(dòng)能不同，有的適合體積較大的試驗(yàn)試樣，有的適合體積小的試驗(yàn)試樣，另外能量大的回彈儀對(duì)硬度小的巖石試樣可能存在損害現(xiàn)象，影響檢測(cè)強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。導(dǎo)致巖石強(qiáng)度的檢測(cè)的影響因素主要包括環(huán)境因素和人為因素，比如巖石試樣的含水率、風(fēng)化程度及致密性等，含水率或風(fēng)化程度越高，回彈測(cè)得巖石強(qiáng)度就越低，致密性越高，檢測(cè)的強(qiáng)度越大。其次是巖石回彈試驗(yàn)時(shí)人為操作不規(guī)范導(dǎo)致，比如巖石回彈試驗(yàn)時(shí)，彈擊桿要與試樣表面垂直，巖石測(cè)量時(shí)應(yīng)放在剛性底座上，不然會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。巖石回彈測(cè)試方法的差異性也是一個(gè)重要的問題，例如，混凝土測(cè)量要求是16 個(gè)點(diǎn)，而巖石的回彈次數(shù)，根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，有測(cè)量10 個(gè)、15 個(gè)點(diǎn)的居多，并且不同機(jī)構(gòu)巖石回彈值的計(jì)算方法也存在差異，不同的測(cè)試方案以及計(jì)算方法對(duì)于試驗(yàn)的結(jié)果存在著一些影響。巖石回彈與巖石力學(xué)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系換算也存在著不足之處，巖石試樣的種類差別較大，不同的換算關(guān)系可能存在著一些差異，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方案，對(duì)于巖石強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果可能不是很準(zhǔn)確。

2 巖石強(qiáng)度的回彈測(cè)試研究應(yīng)用分析

2.1 不同型號(hào)回彈儀的差異性

回彈儀根據(jù)標(biāo)稱能量分為輕型回彈儀、中型回彈儀、中重型回彈儀和重型回彈儀，目前實(shí)驗(yàn)室常用的是輕型回彈儀和中型回彈儀，兩種回彈儀能量有一定的差別，選擇合適的回彈儀對(duì)于巖石的質(zhì)量評(píng)價(jià)具有一定的保障，巖石的種類很好，有的巖石硬度較大，有的硬度極小，能量大的回彈儀適合體積大、硬度高的巖石，能量小的回彈儀適合體積小、硬度低的巖石試樣，根據(jù)研究巖石試樣的不同，合理的選擇適宜的回彈儀，對(duì)于巖石強(qiáng)度的估測(cè)的準(zhǔn)確度具有一定的可靠性。另外，回彈儀也要滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在洛氏硬度為一定值的鋼砧上的率定值應(yīng)滿足要求，否則回彈儀不具備實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行檢修。

2.2 控制好試驗(yàn)過程中的不利因素

巖石回彈試驗(yàn)存在的影響因素主要包括環(huán)境因素和人為因素，環(huán)境因素包括含水率、風(fēng)化程度等因素，根據(jù)試驗(yàn)開展的要求進(jìn)行分析，有些試驗(yàn)需要在巖石干燥的狀態(tài)下進(jìn)行，有些是在巖石含水飽和的狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該控制好巖石的含水率，否則影響試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于巖石風(fēng)化程度的影響，根據(jù)自身試驗(yàn)的要求，盡可能的排除實(shí)驗(yàn)過程中不利因素的影響，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的可靠性具有重要的意義。人為因素主要包括試樣的人為損壞，進(jìn)行巖石回彈試驗(yàn)時(shí)，操作不規(guī)范導(dǎo)致，對(duì)巖石試樣的取放應(yīng)當(dāng)合理，盡量輕拿輕放，放置巖石破損或者出現(xiàn)內(nèi)部裂紋等情況，肉眼可能難檢測(cè)這種問題，將會(huì)影響試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，在進(jìn)行巖石回彈試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)待測(cè)巖石的表面特性，主要有平面和曲面兩種類別，回彈儀的彈擊桿應(yīng)當(dāng)與待測(cè)試樣表面垂直，否則會(huì)導(dǎo)致回彈的結(jié)果不準(zhǔn)確，存在一定的偏差。這部分因素主要包括準(zhǔn)備工作和試驗(yàn)開展階段，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，確保試驗(yàn)的開展的順利性和準(zhǔn)確性。

分類 標(biāo)稱能量/J 型號(hào) 9.800 H980 5.500 H550 重型 4.500 H450 中型 2.207 M225 0.735 HT75 輕型 0.196 HT20

2.3 巖石回彈試驗(yàn)的測(cè)試方法

巖石回彈試驗(yàn)的測(cè)試方法根據(jù)巖石的形狀、尺寸、以及硬度等級(jí)不同而存在著差異，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室試樣體積較小，若待測(cè)巖石的硬度等級(jí)較低，則不適合采用同一測(cè)點(diǎn)連續(xù)撞擊的方法，對(duì)巖石的損害較大，可能會(huì)使得巖石產(chǎn)生微細(xì)裂紋或者崩壞，影響試驗(yàn)的順利進(jìn)行。巖石試樣上測(cè)點(diǎn)的劃分也存在著差異，根據(jù)巖石試樣的形狀尺寸，圓柱體試樣有的在上下地面進(jìn)行回彈試驗(yàn)、有的在側(cè)面進(jìn)行回彈試驗(yàn)，測(cè)區(qū)分布的情況不同，測(cè)點(diǎn)根據(jù)測(cè)區(qū)的不同而存在差異，對(duì)于長方體的待測(cè)巖石試樣，試驗(yàn)過程相對(duì)簡單，測(cè)點(diǎn)測(cè)區(qū)均分布在各個(gè)面上，例如混凝土的測(cè)區(qū)分布情況。對(duì)于測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，國際上主要有回彈10次、回彈15 次和回彈20 次，混凝土規(guī)范則是回彈16 次，根據(jù)待測(cè)試樣的種類存在差異性，回彈次數(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考慮。對(duì)于巖石回彈值的計(jì)算方法，混凝土采用的計(jì)算方法是回彈16 次，去掉3 個(gè)最大值和3 個(gè)最小值，剩余的回彈值求平均數(shù)為巖石回彈值，而國際巖石力學(xué)研究學(xué)對(duì)于巖石的研究采用的方法是某個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)記錄20 個(gè)回彈值，每兩個(gè)回彈點(diǎn)間距不小于彈擊桿直徑，然后取10 個(gè)較大值平均值為回彈值，美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)采用的方法是某個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)記錄10 個(gè)回彈值，每兩個(gè)回彈點(diǎn)間距不小于彈擊桿直徑，然后取10 個(gè)值的平均值，對(duì)于10 個(gè)數(shù)據(jù)中若有數(shù)據(jù)比平均值大7 個(gè)點(diǎn)便舍去，然后對(duì)剩下的值求平均值為回彈值，美國墾務(wù)局采用的計(jì)算方法是在每個(gè)表面不同位置記錄10 個(gè)回彈值，去掉五個(gè)最低值然后取平均值為回彈值，還有其他學(xué)者或者權(quán)威機(jī)構(gòu)采用的計(jì)算方法，這些計(jì)算方法存在著差異性，試驗(yàn)的開展需要驗(yàn)證這些方法的可行性。對(duì)于巖石回彈試驗(yàn)的測(cè)試方法，主要包括彈擊桿撞擊次數(shù)、測(cè)區(qū)劃分、以及計(jì)算方法等，試驗(yàn)的開展應(yīng)當(dāng)將這些方面進(jìn)行綜合考慮，確保試驗(yàn)的可靠性。

2.4 巖石回彈試驗(yàn)相關(guān)擬合曲線

巖石回彈主要測(cè)量巖石的強(qiáng)度，對(duì)于一些常見的巖石力學(xué)基本參數(shù)，包括單軸抗壓強(qiáng)度值、點(diǎn)荷載等之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確立，對(duì)于巖石力學(xué)的研究具有重要的意義。自回彈儀用于檢測(cè)巖石強(qiáng)度以來，眾多學(xué)者均具有一定的研究成果，國外學(xué)者首先提出了巖石回彈和巖石的抗壓強(qiáng)度相關(guān)具有相關(guān)性，之后部分學(xué)者對(duì)巖石回彈值與楊氏模量的相關(guān)性進(jìn)行研究，證明了兩者具有很高的相關(guān)系數(shù)，部分學(xué)者利用施密特?cái)?shù)計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，并驗(yàn)證了它的可行性，對(duì)于巖石回彈值與其他巖石指標(biāo)性質(zhì)之間的相關(guān)性的分析研究的到了很好的開展，后來也有學(xué)者對(duì)回彈數(shù)與沖擊強(qiáng)度指數(shù)、耐久性指數(shù)和p波速的關(guān)系研究進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了其可靠性，對(duì)巖石回彈值和點(diǎn)荷載之間的關(guān)系研究，并擬合經(jīng)驗(yàn)公式曲線，驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性。國內(nèi)部分學(xué)者采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和灰色系統(tǒng)理論關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)巖石回彈試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分布特征進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)巖石鉆速進(jìn)行可分析，證實(shí)了回彈值與巖石鉆速有著良好的關(guān)系。后來部分學(xué)者研究了并得出了用回彈值與巖石完整性系數(shù)來評(píng)價(jià)巖石質(zhì)量的關(guān)系公式，并驗(yàn)證了其可靠性。部分學(xué)者采用采用聲波- 回彈綜合法對(duì)巖石缺陷進(jìn)行檢測(cè)，證實(shí)了該方法具有可行性，且測(cè)試方便、快速，對(duì)試樣無損傷，得到較為可靠的測(cè)強(qiáng)曲線。對(duì)于巖石回彈值與單軸抗壓強(qiáng)度值的經(jīng)驗(yàn)公式主要有線性關(guān)系、指數(shù)關(guān)系兩種類別，試驗(yàn)過程中巖石種類的差異性是導(dǎo)致結(jié)果不同的主要因素之一。

3 結(jié)論

利用巖石回彈試驗(yàn)測(cè)試方法來估算巖石的強(qiáng)度值對(duì)于巖土工程的科學(xué)研究具有重要意義。巖石回彈試驗(yàn)的開展包含眾多環(huán)節(jié)，包括巖石試樣種類的選取與加工、巖石回彈測(cè)試方法的制定、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法等，每一環(huán)節(jié)得到的試驗(yàn)結(jié)論都應(yīng)當(dāng)多角度的進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

巖石試驗(yàn)過程中不利因素的影響較多，試驗(yàn)的開展盡量避免這些因素的影響，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有一定的實(shí)際意義。試驗(yàn)根據(jù)自身研究試樣的特性，選擇合適的回彈儀是試驗(yàn)進(jìn)行順利的基礎(chǔ)，另外要根據(jù)試樣的尺寸特點(diǎn)，制定合適的測(cè)試方法，確保測(cè)得結(jié)果離散型低，回彈值可靠的優(yōu)點(diǎn)。巖石回彈試驗(yàn)的開展，我們?nèi)孕枰贫ǜ由钊?、更加完善的方案去開展研究。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，用于巖石強(qiáng)度估測(cè)的新工具、新技術(shù)和新方法將會(huì)被采用，巖石強(qiáng)度的估測(cè)也將更加準(zhǔn)確可靠，科學(xué)的創(chuàng)新與進(jìn)步將會(huì)推動(dòng)巖土工程建設(shè)的飛速發(fā)展。