岩石点荷载强度与单轴抗压强度之间的关系

ChinaWaterTransportVol.18SeptemberNo.92018

岩石点荷载强度与单轴抗压强度之间的关系

黄

摘

斌，侯克鹏

（昆明理工大学国土资源学院，云南昆明650032）

要：对于取样面积巨大的区域，利用点荷载强度值预估单轴抗压强度值，可以全面掌握整个区域的岩石力学性

质，具有经济优势且测试便捷、快速。国内外研究者用数理统计、微积分推导、数值模拟等方法给出经验公式，其转化因子取决于不同岩石种类。本文整理国内外部分经验公式，并对矽卡岩、大理岩、灰岩、大理岩化灰岩进行点荷载和单轴抗压强度实验，部分样品送至昆明市某实验室做对比实验，目的是检验校内实验的准确性。本文研究得出的拟合方程的相关性系数为：0.9247，对比大量文献资料，其满足工程需要。

关键词：点荷载强度；单轴抗压强度；岩石特性中图分类号：TD313一、引言

点荷载实验相对常规力学实验（剪切、压缩实验）具有快速测定、经济便捷的特点，但数据离散性大，需大量数据才能保证换算结果满足工程需要。而常规力学实验能较准确地得出泊松比、弹性模量等值，但费用高、周期长、试件要求高，对于取样面积巨大、区域岩性各异的分析对象（如边坡）不适宜。常规力学实验可用来对换算结果进行校核。

国际岩石力学学会（1985）（InternationalSocietyforRockMechanics，ISRM）提出ISRM法

[1]

文献标识码：A文章编号：1006-7973（2018）09-0246-03

雄等给出天然、饱和状态间的转换式[11]；赵奎等[12]通过对某矿山安山岩进行了点荷载实验和单轴抗压实验，并检验实验数据正态分布特性，置信区间为（3.2~4.3MPa），置信度95%；王茹[13]指出试件满足以D=50mm、均匀分布时，可以用Is平均值确定Is（50），不必修正；张宇[14]等基于武当山岩群绢（白）云钠长石英片岩实验结果，得出全风化、强风化、中等风化岩石转换公式；苏承东[15]等对煤样进行实验，指出非规则试样测定点荷载实验结果离散程度偏大，规则试样（平行或垂直层理）测定结果相同；付志亮[16]等对粉砂岩、细砂岩、中砂岩等分别进行点荷载实验（轴向、径向），单轴抗拉压实验，得出较为详细和可靠的经验换算公式，相关系数均在0.9以上；张国锋[17]等对软岩（泥岩）采用传统法、ISRM法、工程分级法进行点荷载强度计算，用F和T检验法对计算结果的随机误差、系统误差检验，得出ISRM法更适宜作为软岩分级评价时的重要指标；S.Kahraman[18]总结19~2013年的相关经验公式，对火山岩（干燥、干饱和、饱和状态下）进行了实验，对比文献资料，发现幂函数相关性最好；张建明[2]等收集文献中岩浆岩类岩石的点荷载实验数据，样本数量至少为570个，来自土耳其、、日本、印度、西班牙等，建议采用二次函数估算单轴抗压强度，公式的适用范围为0.0MPa<50Is<15.0MPa；RobinaH.C.

[19]

：点荷载强度

同单轴抗压强度之间只有近似的关系，抗拉（单轴或巴西）强度、单轴抗压强度分别是Is（50）的1.25倍和20~25倍，然而不同类型的岩石，此比值变化在15和50之间，尤其是各向异性岩石。国内外学者对不同地区、不同岩性给出的换算公式有幂函数、指数、二次函数、多项式、对数等，具有较强的地域性，公式相差较大，缺乏代表性，得到的成果也多与ISRM建议的取值相差较大[2]。

D，Andrea[3]利用线性回归模型得到点荷载实验和单轴抗压强度实验之间的关系UCS=15.34Is（50）+16.3；MISHRADA[4]基于回归分析和模糊推理得火山岩单轴抗压强度指数；Bieniawski[5]结合工程实践，研究满足工程需求的换算因子；ISRM（1985）规范了点荷载实验，提出标准样品尺寸D=50mm，给出建议公式；向桂馥[6]等于1986年研究发现试样尺寸、形状对点载荷实验有不可忽略的影响，并定义点荷载强度PLS=P/Af，P为破坏载荷。公式包含所有影响因素，且此比值趋于常数，所以不论破坏面积Af多大无需修正；Shakoor[7]用不同方法预测抗压强度的相关方程及其置信限；Ghosh，D.K.[8]研究喜马拉雅花岗岩UCS和PL间的转化关系；我国相关标准在ISRM基础上建议使用转换因子22.82[9]；谭国焕指出使用公式时需用当地岩石特性数据验证，查看地质变化影响，才可确保结论正确[10]；曾伟

对不规则块体的径向和轴向点荷载、单轴压缩实验进行研

究，得出与ISRM方法一致的经验公式；RobinaH.C.Wong[20]研究不规则火山岩样块，给出拟合公式：UCS=3.49Is（50）+24.84；H.Ozturk[21]（2017）发现针对天然碱的研究极少，结合PFC软件模拟不同类型建模（开挖、水力压裂等），通过实验得出UCS=14.24Is（50）。

本文通过对露天矿山常见岩石（矽卡岩、大理岩、灰岩、大理岩化灰岩）样品进行点荷载实验和单轴抗压实验，用实验数据拟合经验公式，并与文献中的结论进行对比分析，为

收稿日期：2018-04-04作者简介：黄

斌（1990-），男，云南人，昆明理工大学在读硕士研究生，研究方向为安全工程。

，男，河南人，昆明理工大学，教授。通讯作者：侯克鹏（1966-）

第9期

黄斌等：岩石点荷载强度与单轴抗压强度之间的关系

247

广大研究者提供参考。

表1UCS与PL之间的关系

研究者

岩性

关系式相关性

D'Andrea（19）

UCS=15.34Is5016.3

MISHRADA（2013）

火山岩

UCS=14.63Is500.938

Bieniawski（1975）粗玄岩；粗粒玄武岩，辉绿岩

UCS=23Is50ISRM1985沉积岩

UCS=2025Is50

Cargill（1990）砂岩、石灰岩、大理岩UCS=23Is5013Ghosh，D.K.（1991）

花岗岩（喜马拉雅西部）

UCS=16Is50

岩体分级标准UCS=22.82I0.75s50谭国焕（1999）花岗岩、石灰岩、大理（）

UCS=24Is50曾伟雄等（2003）天然、饱和状态间转化

UCS=mI0.75

sKdKDd赵奎等（2005）安山岩

UCS=21.14Is50王茹等[12]

（2008）绿泥石英片岩、石膏

UCS=20Is50张宇等（2012）长石英片岩

UCS=21.56Is50苏承东（2012）

煤

UCS=33.75Is50UCS=7.201+14.074Is50；轴向

0.985粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗

UCS=13.938+17.529Is50；径向

0.971付志亮

[16]

（2013）

砂岩、砂质泥岩、泥岩

Rt=1.345+0.682Is50；轴向

0.987Rt=1.669+0.851Is50；径向

0.976

张国锋[17]

（2013）

软岩、泥岩

UCS22I、

s(50)

UCS=22.82I0.75

s50UCS=2.68e0.93IsS.Kahraman[18]

（2014）

火山岩

UCS=2.27e1.04IsUCS1.99e0.93IS张建明[2]

（2015）岩浆岩、花岗岩、安山岩UCS=0.66I2s50+21.15Is50RobinaH.C.（2017）

径向、轴向、不规则块体UCS=21.622.26Is50RobinaH.C

[19]

不规则火山岩样块

UCS=3.49Is50+24.84

H.Ozturk[20]

（2017）天然碱

UCS=14.24Is50

二、样品、数据分析表2

岩石块力学性质实验成果表（（D=48mm））

岩性平均容重平均抗压强度软化系数弹性模量（g/cm3

）（MPa）（104

MPa）

泊松比矽卡岩3.2699.210.49--大理岩2.6866.480.6.750.342灰岩2.6966.0.765.90.207大理岩化灰岩

2.66

67.57

0.84

7.7

0.287

表3

岩石点荷载和单轴压缩实验数据

序号Is50抗压强度（MPa）序号

Is50抗压强度（MPa）序号

Is50抗压强度（MPa）14.8190.72197.08.35373.9562.9324.1568.81209.36132.01383.9461.6234.3467.66217.65109.56394.3066.6345.1486.16225.3583.20405.9392.04.2173.15238.19103.713.2755.40.3460.02244.09.09424.2067.8273.8570.79255.0972.30433.9466.018

3.84

67.03

26

4.28

65.52

44

4.19

68.34

续表3

序号

Is50抗压强度（MPa）序号

Is50抗压强度（MPa）序号

Is50抗压强度（MPa）94.2363.45274.4768.0.0666.3210

4.6974.98284.2963.814.0865.3211

3.5857.92293.8657.774.3468.76122.6743.25303.9159.28484.0668.23132.4240.30314.1771.01494.27.2014

2.6755.30323.0350.504.9877.55157.43105.72334.7372.35514.9973.25166.41108.32344.6769.30523.9862.35178.14117.853.0267.5653

3.63

57.36

18

8.35

140.11

36

6.19

94.55

图1

岩石的点荷载强度指数与单轴压缩强度的关系

三、结果分析与评价

本文对某露天矿边坡常见岩石取样，分组进行点荷载实验和单轴抗压强度实验，保证数据可靠性的前提下进行经验公式拟合，根据相关系数最大化的原则采用幂函数，如图1所示，拟合函数为：UCS=20.085×（Is（50））0.8417相关系数R2为0.924。对比文献中相同岩石类型，其转换因子变化范围在16~50之间，可见不同区域岩石差异性巨大。

四、结论

（1）岩石点荷载强度值与单轴抗压强度值之间难于找出确切的对应关系，但是它们之间的相关性较强；

（2）使用经验函数时必须结合本地区岩石特性数据、地质变化，才能保证公式正确性，达到工程要求的精度；

（3）根据相关性系数最大原则，建议采用幂函数，指数函数拟合方程，ISRM法在针对大多数岩石（点荷载强度值在10以内），结果偏大。

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compressivestrengthconversionfactoroftronaandinterbedsfrom

point

load

tests

and

numerical

modeling[J].

InInternationalJournalofRockMechanics&MiningSciences，2017，93：307-315

with

uniaxial

compressive

strength[J].

Int.J.TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，2017，

（上接第245页）造型与传统的农村居民木框架融为一体，极大的改善了视觉效果，符合“修旧如旧”的原则。

4．节点加固

本次节点加固所使用的是昆明理工大学自主研发的一款粘弹性阻尼器[4]，其良好的抗震性能已在振动台试验之中得到证明[5]，这款粘弹性阻尼器施工方便不影响美观，可以根据后期的需要最大化的改造为与户主户型相匹配的造型。

四、结语

本文根据笔者在元谋县十个乡镇所做加固经验总结了几种快速、便捷、有效的农村C，D级危房加固改造方法，给广大农村危房加固改造工作人员提供一些参考，我们应当努力为广大农村群众普及地震、抗震、在后应急方面的常识，让地震来临的时候最大可能的降低伤亡。。

参考文献

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图10

加固示意图

59-68.

[5]高永林，陶忠，叶燎原等.带有粘弹性阻尼器穿斗木结构

振动台试验[J].振动与冲击，2017，（26）：241-260.

相对于传统的铁件加固，该粘弹性阻尼器除了在抗震方面优越于传统的铁件加固，也可通过贴图，夹板的形式让其