CN106644728A - 一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法 - Google Patents

一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法包括以下步骤：获取掌子面开挖断面面积S；根据隧道开挖断面面积S的不同，在掌子面施工现场附近采取不规则岩石块体N＝S/2块；在施工现场对不规则岩石进行点荷载试验；根据工程岩体试验方法标准计算得出Is(50)对步骤(4)中得到的Is(50)按照规范进行换算，得到N个Rc；做柱状图，横坐标为步骤(5)点荷载试验换算得到的Rc，根据极差大小合理确定柱状图的宽度，纵坐标为对应Rc值出现的频率；根据步骤(6)得到的柱状图，进行多峰正态分布拟合，得到M个正态峰，并得到M个峰值所对应的Rc值；根据步骤(7)中Rc值确定不同的围岩硬度指标，确定超大断面隧道的围岩分级。

Description

一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法。
背景技术
超大断面隧道沿线地质条件比较复杂，在隧道施工期间，现场掌子面所揭露的围岩级别与设计阶段围岩分级不完全吻合，所以需要对施工阶段掌子面所揭露的围岩情况进行分析，确定施工阶段围岩分级的各项指标。施工阶段围岩分级时的地质参数可以直接从掌子面获得，这样得到的参数是最直接、最客观的，以此参数进行的围岩分级也是最合理的。
对公路隧道施工阶段进行围岩分级时需要得到岩石的坚硬程度指标，在超大断面隧道施工时经常遇到土岩结合，上软下硬，或含有破碎带的复杂掌子面，难以加工成常规单轴抗压试验试样，并且室内岩石单轴饱和抗压强度试验并不适合于公路隧道施工阶段围岩级别指标快速的获取。由于点荷载仪测试的实验设备小型轻便，可用岩芯，方块体和不规则岩块进行试验，试验成本低，周期短，方便快捷，因此在施工阶段经常采取现场的试样，应用点荷载测试法。并且换算得到的岩石单轴饱和抗压强度Rc，与室内试验获得的强度值相比具有良好的相关性。目前，隧道开挖断面越来越大，围岩情况复杂，掌子面可能同时出现不同级别围岩级别特征，既有的点荷载试验得出的Rc离散度较大，无法精确确定大断面隧道的围岩等级。
因此希望有一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法来克服现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，所述点荷载试验分析方法包括以下步骤：
(1)获取掌子面开挖断面面积S；
(2)根据隧道开挖断面面积S不同，在掌子面施工现场附近采取不规则岩石块体N＝S/2块；
(3)在施工现场对不规则岩石进行点荷载试验；
(4)根据工程岩体试验方法标准计算得出Is(50)
(5)对步骤(4)中得到的Is(50)按照规范进行换算，得到N个Rc；
(6)做柱状图，横坐标为步骤(5)点荷载试验换算得到的Rc，根据极差大小合理确定柱状图的宽度，纵坐标为对应Rc值出现的频率；
(7)根据步骤(6)得到的柱状图，进行多峰正态分布拟合，得到M个正态峰，并得到M个峰值所对应的Rc值；
(8)根据步骤(7)中Rc值确定不同的围岩硬度指标，确定超大断面隧道的围岩分级。
优选地，所述步骤(3)中对不规则岩石进行点荷载试验，不规则块体试件加荷两点间距为30～50mm；加荷两点间距与加荷处平均宽度之比为0.3～1.0，试件长度大于等于加荷两点间距。
优选地，所述步骤(3)点荷载试验过程包括：将所述不规则块体试件放入水槽，先注水至所述不规则块体试件高度的1/4处，以后每隔2小时分别注水至所述不规则块体试件高度的1/2和3/4处，6小时后浸没试件，所述不规则块体试件在水中自由吸水48小时后，取出所述不规则块体试件并沾去表面水分；选择所述不规则块体的最小尺寸方向为加荷方向；将所述不规则块体试件放入球端圆锥之间，使上下锥端位于所述不规则块体试件中心处并与所述不规则块体试件紧密接触；量测加荷点间距及通过两加荷点最小截面的宽度或平均宽度；接触点距所述不规则块体试件自由端的距离不应小于加荷点间距的0.5；稳定地施加荷载，使所述不规则块体试件在10～80s内破坏，记录破坏荷载；试验结束后，应描述所述不规则块体试件的破坏形态；破坏面贯穿整个所述不规则块体试件并通过两加荷点为有效试验。
优选地，所述步骤(4)按下列公式计算岩石点荷载强度
式中Is为未经修正的岩石点荷载强度(MPa)；P为破坏荷载(N)；De—等价岩芯直径(mm)；
轴向、方块体或不规则块体试验时，应按下列公式计算等价岩芯直径De
式中D为加荷点间距(mm)；W为通过两加荷点最小截面的宽度或平均宽度(mm)；
当加荷两点间距不等于50mm时，应对计算值进行修正，当其试验数据较多，且同一组试件中的等价岩心直径具有多种尺寸，而加荷两点间距不等于50mm时，应根据试验结果，绘制与破坏荷载P的关系曲线，并在曲线上查找 对应的P50值，按下列公式计算岩石点荷载强度
式中Is(50)为经尺寸修正后的岩石点荷载强度(MPa)；P50为根据与P关系曲线，为2500mm时的P值(MPa)。
优选地，所述步骤(5)利用修正BQ法对隧道掌子面各分区进行围岩分级，获取岩石单轴饱和抗压强度Rc，若无Rc实测值，可利用点荷载试验进行换算确定，公式：
式中：Is(50)为岩石点荷载强度指数；Rc为岩石单轴饱和抗压强度。
本发明提供的基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法用于精确判定超大断面隧道围岩特征，根据不同隧道断面面积的大小采取相应的试验试样，通过点荷载试验规范换算得到岩石单轴饱和抗压强度，运用相应软件进项数据的多峰正态拟合的到不同峰值对应的不同Rc值，并最终得到不同Rc值对应的围岩等级，可以精确得出隧道围岩的等级特征，有较高的准确度和可信度。
本发明所述方法解决了现有点荷载试验对围岩分级模糊，概略的局限性，提高了围岩分级的准确性，将超大掌子面分区可以将复杂的围岩情况简单化，得到掌子面的的围岩等级特征，对隧道的支护及施工优化有很高的指导意义。
附图说明
图1是本发明岩石单轴饱和抗压强度图；
图2是本发明基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1和2所示，一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，所述点荷载试验分析方法包括以下步骤：
(1)获取掌子面开挖断面面积S；
(2)根据隧道开挖断面面积S不同，在掌子面施工现场附近采取不规则岩石块体N＝S/2块；
(3)在施工现场对不规则岩石进行点荷载试验；
(4)根据工程岩体试验方法标准计算得出Is(50)
(5)对步骤(4)中得到的Is(50)按照规范进行换算，得到N个Rc；
(6)做柱状图，横坐标为步骤(5)点荷载试验换算得到的Rc，根据极差大小合理确定柱状图的宽度，纵坐标为对应Rc值出现的频率；
(7)根据步骤(6)得到的柱状图，进行多峰正态分布拟合，得到M个正态峰，并得到M个峰值所对应的Rc值；
(8)根据步骤(7)中Rc值确定不同的围岩硬度指标，确定超大断面隧道的围岩分级。
所述步骤(3)中对不规则岩石进行点荷载试验，不规则块体试件加荷两点间距为30～50mm；加荷两点间距与加荷处平均宽度之比为0.3～1.0，试件长度大于等于加荷两点间距。
所述步骤(3)点荷载试验过程包括：将所述不规则块体试件放入水槽，先注水至所述不规则块体试件高度的1/4处，以后每隔2小时分别注水至所述不规则块体试件高度的1/2和3/4处，6小时后浸没试件，所述不规则块体试件在水中自由吸水48小时后，取出所述不规则块体试件并沾去表面水分；选择所述不规则块体的最小尺寸方向为加荷方向；将所述不规则块体试件放入球端圆锥之间，使上下锥端位于所述不规则块体试件中心处并与所述不规则块体试件紧密接触；量测加荷点间距及通过两加荷点最小截面的宽度或平均宽度；接触点距所述不规则块体试件自由端的距离不应小于加荷点间距的0.5；稳定地施加荷载，使所述不规则块体试件在10～80s内破坏，记录破坏荷载；试验结束后，应描述所述不规则块体试件的破坏形态；破坏面贯穿整个所述不规则块体试件并通过两加荷点为有效试验。
所述步骤(4)按下列公式计算岩石点荷载强度
式中Is为未经修正的岩石点荷载强度(MPa)；P为破坏荷载(N)；De—等价岩芯直径(mm)；
轴向、方块体或不规则块体试验时，应按下列公式计算等价岩芯直径De
式中D为加荷点间距(mm)；W为通过两加荷点最小截面的宽度或平均宽度(mm)；
当加荷两点间距不等于50mm时，应对计算值进行修正，当其试验数据较多，且同一组试件中的等价岩心直径具有多种尺寸，而加荷两点间距不等于50mm时，应根据试验结果，绘制与破坏荷载P的关系曲线，并在曲线上查找 对应的P50值，按下列公式计算岩石点荷载强度
式中Is(50)为经尺寸修正后的岩石点荷载强度(MPa)；P50为根据与P关系曲线，为2500mm时的P值(MPa)。
所述步骤(5)利用修正BQ法对隧道掌子面各分区进行围岩分级，获取岩石单轴饱和抗压强度Rc，若无Rc实测值，可利用点荷载试验进行换算确定，公式：
式中：Is(50)为岩石点荷载强度指数；Rc为岩石单轴饱和抗压强度。
本发明提供的基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法用于精确判定超大断面隧道围岩特征，根据不同隧道断面面积的大小采取相应的试验试样，通过点荷载试验规范换算得到岩石单轴饱和抗压强度，运用相应软件进项数据的多峰正态拟合的到不同峰值对应的不同Rc值，并最终得到不同Rc值对应的围岩等级，可以精确得出隧道围岩的等级特征，有较高的准确度和可信度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，其特征在于，所述点荷载试验分析方法包括以下步骤：
(1)获取掌子面开挖断面面积S；
(2)根据隧道开挖断面面积S的不同，在掌子面施工现场附近采取不规则岩石块体N＝S/2块；
(3)在施工现场对不规则岩石进行点荷载试验；
(4)根据工程岩体试验方法标准计算得出Is(50)
(5)对步骤(4)中得到的Is(50)按照规范进行换算，得到N个Rc；
(6)做柱状图，横坐标为步骤(5)点荷载试验换算得到的Rc，根据极差大小合理确定柱状图的宽度，纵坐标为对应Rc值出现的频率；
(7)根据步骤(6)得到的柱状图，进行多峰正态分布拟合，得到M个正态峰，并得到M个峰值所对应的Rc值；
(8)根据步骤(7)中Rc值确定不同的围岩硬度指标，确定超大断面隧道的围岩分级。
2.如权利要求1所述的基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中对不规则岩石进行点荷载试验，不规则块体试件加荷两点间距为30～50mm；加荷两点间距与加荷处平均宽度之比为0.3～1.0，试件长度大于等于加荷两点间距。
3.如权利要求2所述的基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，其特征在于：所述步骤(3)点荷载试验过程包括：将所述不规则块体试件放入水槽，先注水至所述不规则块体试件高度的1/4处，以后每隔2小时分别注水至所述不规则块体试件高度的1/2和3/4处，6小时后浸没试件，所述不规则块体试件在水中自由吸水48小时后，取出所述不规则块体试件并沾去表面水分；选择所述不规则块体的最小尺寸方向为加荷方向；将所述不规则块体试件放入球端圆锥之间，使上下锥端位于所述不规则块体试件中心处并与所述不规则块体试件紧密接触；量测加荷点间距及通过两加荷点最小截面的宽度或平均宽度；接触点距所述不规则块体试件自由端的距离不应小于加荷点间距的0.5；稳定地施加荷载，使所述不规则块体试件在10～80s内破坏，记录破坏荷载；试验结束后，应描述所述不规则块体试件的破坏形态；破坏面贯穿整个所述不规则块体试件并通过两加荷点为有效试验。
4.如权利要求1所述的基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，其特征在于：所述步骤(4)按下列公式计算岩石点荷载强度
I s = P D e 2
式中Is为未经修正的岩石点荷载强度(MPa)；P为破坏荷载(N)；De—等价岩芯直径(mm)；
轴向、方块体或不规则块体试验时，应按下列公式计算等价岩芯直径De
D e 2 = 4 W D π
式中D为加荷点间距(mm)；W为通过两加荷点最小截面的宽度或平均宽度(mm)；
当加荷两点间距不等于50mm时，应对计算值进行修正，当其试验数据较多，且同一组试件中的等价岩心直径具有多种尺寸，而加荷两点间距不等于50mm时，应根据试验结果，绘制与破坏荷载P的关系曲线，并在曲线上查找 对应的P50值，按下列公式计算岩石点荷载强度
I s ( 50 ) = P 50 2500
式中Is(50)为经尺寸修正后的岩石点荷载强度(MPa)；P50为根据与P关系曲线，为2500mm时的P值(MPa)。
5.如权利要求1所述的基于超大断面隧道围岩分级的点荷载试验分析方法，其特征在于：所述步骤(5)利用修正BQ法对隧道掌子面各分区进行围岩分级，获取岩石单轴饱和抗压强度Rc，若无Rc实测值，可利用点荷载试验进行换算确定，公式：
R c = 22.82 I S ( 50 ) 0.75
式中：Is(50)为岩石点荷载强度指数；Rc为岩石单轴饱和抗压强度。
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