2 耐磨性和UCS 隧道岩石耐磨性与岩石强度的相关性研究

第1卷第6期四川联合大学学报(工程科学版)Vol.1No.6 1997年11月JOURNA L O F SICHUA N U NION UN IVERSIT Y(ENGINEERING SCIENCE EDIT ION)Nov.1997

隧道岩石耐磨性与岩石强度

的相关性研究

王　磊

(西南交通大学环境与地质工程系　成都610031)

摘　要　本文用试验和数理统计方法对岩石耐磨性与岩石强度的关系进行了研究,

在洞室内分段布点采集岩石耐磨试验样品和岩石力学指标试验样品,并在相应的采

集位置进行岩石回弹测试,然后分别进行了岩石力学室内试验和岩石耐磨性试验,在

计算分析试验数据的基础上,建立了岩石耐磨性与岩石单轴抗压强度(Ab- c),岩

石耐磨性与岩石回弹值(Ab-R)之间的数学关系模型。

关键词　岩石耐磨性;岩石回顶值;岩石单轴抗压强度;相关性

分类号　P551

岩石强度测试一般要经过现场采样、室内制样和试验几个环节。这种试验方法周期长、投资大,特别是要求试样的坚硬完整。因此,对于隧道这样的工程,由于洞室埋深大,隧道通过复杂变质岩区、岩石构造复杂、结构面发育、岩石破碎,使用常规岩石强度试验方法十分困难。因此通过对现场岩石回弹强度的测定,通过建立岩石单轴抗压强度与岩石回弹强度的数学关系模型,就可以在隧道施工的掘进过程中,通过岩石回弹强度值测定,迅速反馈掌子面岩石强度指标和岩石耐磨性指标。

1　实验部分

我们用自行研制的岩石耐磨试验仪,进行岩耐磨性试验,采用Liez高倍显微镜,45号合金钢针(直径为6m m),其洛氏硬度为34,近似强度为107kg(1048p),针尖锥角60°;并应用了岩石单轴抗压强度试验用150吨压力机及自动函数记录仪。

1.1　试验程序

1.1.1岩石耐磨性试验程序

1)试样要求未加工过的毛样,最好选用有平面的标本,以便于试验时钢针的前进,样

收稿日期　1997-06-02

尺寸20×15cm。

2)试验前应标定所用钢针针尖的直径,测量精度应为0.01mm。

3)安装上钢针,加上所需砝码,在保持整个装置相对稳定的情况下,开始在手柄上施加水平力使横柄沿水平方向移动1cm。

4)在显微镜下观测试样导致钢针磨损部分的直径,记录单位为 1/10mm,精度0. 01m m。

5)试样每一种岩类最好不少于五块,由于岩石有各向同性与各向异性之分,故对每一个试样都应该选择近似相邻的三面来作为划痕面,每下面上划痕两次,并且两处划痕方向相互正交,取其平均值作为每一面的耐磨值,最后再对三个面的耐磨值取平均值,作为该岩样的耐磨值。

1.1.2　岩石单轴抗压强度试验程序

1)试样要求为整齐的圆柱形,直径大致为50m m。其高与直径之比为2.0～2.5,试样直径与岩石内颗粒尺寸的比值至少是10∶1。

2)试样端面平整到0.02m m,对于试样轴的垂直度不超过0.001mm,弧度不超过0. 05m m。

3)试件周边应该光滑而平整,试件全部长度上平整到0.3m m,端平面用机械抛光。

4)试件直径的测量在试件的上部、中部、下部分别测量两个相互正交的直径,其平均值的精度为0.1mm,用平均值计算横截面积,试件高度的测量精度为1.0mmm。

5)施加在试件上的荷载要始终保持一定的压力速度,使破坏过程发生在加载的5～10分钟内,亦即加载在速度在0.5～1.0mpa/s的限度内。

6)试样保管期不超过30天,应尽可能保持天然含水量,并使试验在这种环境下进行。

7)试件的最大载荷记录用牛顿(N)为单位,精度为1%。

8)试件每组为三块,在加载前,为减小端面约束效应的影响,在岩样上下两个端面涂少量黄油,并在承压板与试样面间加垫片。

1.2　岩样采集

我们在隧道进口端DK64+840～DK68+400范围内采集耐磨试验样8组,在出口端DK78+960～DK82+566范围内采集耐磨试验样10组,岩样的位置依据岩性变化特点而定,取样点数为18个,并对每组岩样采集点进行了岩石回弹强度测试。岩性分为以下三类:

混合片磨岩的主要矿物成分为:长石60%～70%、石英10%～35%、黑云母5～10%,少量角闪石、绿泥石。

混合花岗岩的主要矿物成分为:长石60%～70%、石英20%～35%、黑云母5～10%,其中肉红色混合花岗岩钾长石晶体占1～3%,含绿色矿物的混合花岗岩绿泥石占1～3%。

20%～30%、黑云母5～10%,其中

27王　磊 隧道岩石耐磨性与岩石强度的相关性研究

表1

岩　样采集处岩石名称

钢针磨损直径

(1/10mm)

岩石回弹值

(R1)

岩石回弹值

(R2)

岩石单轴抗压

强度( c)M Pa

实测值模拟值实测值模拟值实测值模拟值

DK64+840混合片麻岩 4.1938.032.938.032.1148.2116.9 DK65+250混合片麻岩 5.8233.347.332.546.6116.6157.3 DK65+800条带状混合片麻岩 4.5430.635.530.034.8111.5124.4 DK66+353条带状混合片麻岩 5.2633.541.732.841.1104.6141.1 DK66+817混合片麻岩 4.9836.539.235.738.5123.3134.3 DK67+010条带状混合片麻岩 4.4633.034.932.434.2120.7122.7 DK67+625混合片麻岩 5.0034.839.434.338.7130.1134.8 DK68+400灰白色混合片麻岩 3.5537.728.537.527.7102.4104.5 DK78+960肉红色花岗质混合岩 3.2023.026.322.025.698.598.3 DK79+010灰绿色肉红色条带状混合岩 4.4231.434.629.933.9122.0122.2 DK79+280灰绿色灰白色条带状片麻岩 4.4637.934.937.034.2117.0122.6 DK79+890肉红色混合花岗岩 3.2326.026.525.325.8170.098.8 DK80+480肉红色混合花岗岩 3.3026.226.925.326.2126.0100.1 DK81+035含绿色矿物混合花岗岩 5.2942.542.041.541.3141.65139.6 DK81+490灰黑色混合岩 5.4150.043.149.242.5143.3144.9 DK81+945含绿色矿物混合花岗岩 5.8046.247.145.646.4136.5155.1 DK82+235灰绿色混合岩 4.8538.038.137.537.3117.6131.3 DK82+560灰白色混合岩 3.8458.030.457.629.6217.5110.4

注:表中R1表示每组回弹值中去掉一个最小值的平均值;R2表示每组回弹值中去掉一个最小值和一个最大值的平均值。

2　数据处理和结果讨论

采用数理统计的方法,分别对岩石单轴抗压强度(c)、岩石回弹值(R)、钢针磨损直径()的关系进行了分析,现在对回弹值的研究中已建立起了岩石回弹强度与单轴抗压强度的函数关系(蒋爵光等,1989)

对HT225型回弹仪 c=100.8167+0.01947R(M Pa)

对HX100型回弹仪 c=100.9442+0.01657R(M Pa)

对HX75型回弹仪 c=100.8762+0.0208R(M Pa)

通过对隧道不同地段的岩石试件的室内岩石耐磨性试验,野外现场回弹强度试验和室内岩石强度试验,获取不同地段相对应的岩石单轴抗压强度( c)、岩石回弹强度(R)和岩石耐磨性指标(Ab)。对其进行数值拟合。依据表1,对其进行三次样条指数回归分析得28四川联合大学学报(工程科学版) 第1卷第6期

到以下数学关系模型。图1、图2、图3

表示岩石强度与岩石耐磨性关系模型。

图1　岩石耐磨性与岩石 图2　岩石耐磨性与岩石 图3　岩石耐磨性与岩石单轴

回弹值数据拟合模型 回弹值数据拟合模型

抗压强度数据拟合模型

岩石耐磨性与岩石回弹值数学关系模型为

　R 1=ex p (0.223058×Ab )×12.9023 (r =0.79)

　R 2=ex p (0.229031×Ab )×12.2991 (r =0.78)岩石耐磨性与岩石单轴抗压强度数学关系模型为 c=exp(0.175566×Ab)×56.0386 (r=0.80)

通过对隧道不同里程的岩石耐磨性(Ab)以及不同里程的岩石回弹强度(R1和R2)分析,在隧道中不同地段由于岩性不同,岩石耐磨性和回弹强度也不同。由上可知,岩石的抗磨性主要受硬大的粒状和柱状矿物的影响,如石英、长石、角闪石等,如有绿泥石这样的硬度小的片状矿物存在,则岩石的抗磨性就会降低。

影响岩石强度的因素,可以概括为四个方面,即岩石本身的性质(矿物组成及矿物强度,颗粒大小和形状、风化强度、颗粒之间的连结力、空隙性等)、应力状态(抗拉、抗压、单轴、三轴等)、环境因素(温度、湿度、空隙压力等)及测试条件(试样大小和形状、端面接触条件、加载速度等)。就岩石本身性质来说,矿物组成及强度、颗粒之间的连结力以及空隙性(特别是裂隙空隙性)是控制岩石强度的直接因素,也是最主要的内在因素。一般来说,岩石中含硬度大的粒状、柱状矿物,如石英、长石、角闪石等愈多,岩石的强度愈高;含硬度小的片状矿物,如云母、绿泥石、叶腊石等愈多,岩石的强度也就愈低。因此,组成岩石的矿物强度越大、矿物颗粒大小越均匀,颗粒之间的连结力越强、风化程度越低、空隙性越小,则岩石的强度越高,抗磨性也越好。得出结论:岩石单轴抗压强度( c )越大,岩石的回弹值越高,相应的岩石耐磨值越大。

参　考　文　献

1　郑雨天,傅冰骏,卢世宗等译.岩石力学试验建设方法(上集).北京:煤炭工业出版社.

1982.46～78

2　丁文魁,余平编.T U RBO BA SIC 语言程序设计.北京:电子工业出版社.1989.27～86

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王　磊 隧道岩石耐磨性与岩石强度的相关性研究

30四川联合大学学报(工程科学版) 第1卷第6期

3　肖树芳,杨淑碧编.岩石力学.北京:地质出版社.1989.78～87

4　邱柱国主编.矿相学.北京:地质出版社.1982.74～96

(编辑　胡菊华)

A research for the Correlativity Between Rock

Abrastivity and Rock Compression Strength of Tunnel

W ang L ei

ABSTRAC T

The relationship betw een rock abrasivity and ro ck co mpression strength of tunnel w as studied by mathematical statics and ex prim ent.Ro ck samples have been sampled in the tunnel.We treated them in labo ratory and obtained the paramers of rock abr asivity, co mpr ession streng th and co efficient o f resilience Fyrtherly,w e have get the r eg ressio n funcy io n betw een ro ck abrasivity com pression str ength and coefficient of resilince.

Key Words:r ock abrasivity,rock compression streng th,sm ith hammer str ength, corr elation