CN108915677B - 一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法，具体按照如下步骤实施：步骤1、对岩石进行场地旋转触探测试，获得旋转触探数据；步骤2、对步骤1获得的数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括旋转扭矩的平均值和钻进压力的平均值；步骤3、利用步骤2得到的钻进参数计算出岩石中各地层的切削强度及各地层的抗切削强度指标，采用本发明方法进行基础切削强度，其计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法。
背景技术
快速准确获取各种工程岩体力学参数是各类岩体工程设计与施工的关键问题。当前岩体力学参数的获取主要有两种途径，一是经验类比法；二是现场试验。经验类比法的盲目性、非科学性日益严重，使所得的力学指标严重“失真”；而现有的现场试验方法非常耗时费力且非常昂贵，代表性很差。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法，用以快速准确地测定现场岩石的切削强度及抗切削强度指标。
本发明所采用的技术方案是，一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1、对岩石进行场地旋转触探测试，获得旋转触探数据；
步骤2、对步骤1获得的数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括旋转扭矩的平均值和钻进压力的平均值；
步骤3、利用步骤2得到的钻进参数计算出岩石中各地层的切削强度及各地层的抗切削强度指标。
本发明的特点还在于，
步骤1中，所述场地旋转触探测试包括测试旋转触探钻头匀速贯入地层中随深度连续变化的压力即钻进压力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m；并记录钻头钻进过程中切削接触面积，单位为m2，旋转触探钻头底面半径，单位为m。
步骤2的具体过程如下：
根据步骤1得到的旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探钻进压力和旋转扭矩的测试曲线，并根据测试曲线形态划分地层，判定地层岩性名称，计算出各地层旋转触探钻进参数的平均值，包括：各地层旋转触探钻进压力平均值，单位为MPa；各地层旋转触探钻头旋转扭矩平均值，单位为MN·m。
步骤3中，各地层的切削强度的计算方法为：
式(1)中，S为钻头钻进过程中切削接触面积，P为钻进压力，M为旋转扭矩、R为钻头的底面半径，RM为切削强度；在钻头切削刃完全钻进情况下，针对角片钻头和麻花钻头认为S为圆锥的侧面积，对于角片钻头S＝2000.95mm2；对于麻花钻头S＝1193.29mm2；对于空心钻头认为S为圆环的面积，S＝30.35mm2。
步骤3中，抗切削强度指标的计算方法为：
式(3)中，f为抗切削强度指标，P为钻进压力，M为旋转扭矩，R为钻头的底面半径，L为沿切削线方向切削刃之间的距离，D为钻头直径。
本发明的有益效果是：
本发明的一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法，直接应用旋转触探测试所得结果开展岩石切削强度及抗切削强度指标计算，该方法仅需手工计算，计算过程简单，在不采用经验修正系数情况下，仍具有较高的计算精度，可应用于土木工程领域岩石切削强度计算。采用本发明方法进行基础切削强度，其计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法的流程图；
图2是本发明中抗切削强度与钻进速度的关系图；
图3是本发明中抗切削强度与旋转速度的关系图；
图4是采用本发明的方法测得抗切削强度与实际结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法，该方法主要通过测量三角钻头在钻进岩石过程中的机械参数，包括钻进压力、旋转扭矩、旋转速度和钻进速度，利用相关的理论公式计算岩石的岩石切削强度及抗切削强度指标，达到快速、准确的测量目的。如图1所示，具体按照如下步骤实施：
步骤1、对岩石进行场地旋转触探测试，获得旋转触探数据：
用岩土工程原位旋转触探车，在墩台基础处开展旋转触探场地测试，场地旋转触探测试包括测试旋转触探钻头匀速贯入地层中随深度连续变化的压力即钻进压力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m，并记录钻头钻进过程中切削接触面积S，单位为m2；在钻头切削刃完全钻进情况下，针对角片钻头和麻花钻头认为S为圆锥的侧面积，对于角片钻头S＝2000.95mm2；对于麻花钻头S＝1193.29mm2；对于空心钻头认为S为圆环的面积，S＝30.35mm2；旋转触探钻头底面半径，单位为m。
步骤2、对步骤1获得的数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括旋转扭矩平均值及钻进压力平均值；
根据步骤1得到的旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探钻进压力和旋转扭矩的测试曲线，并根据测试曲线形态划分地层，判定地层岩性名称，计算出各地层旋转触探钻进参数的平均值，包括：各地层旋转触探钻进压力平均值，单位为MPa；各地层旋转触探钻头旋转扭矩平均值，单位为MN·m；各地层旋转触探钻头贯入速度平均值即钻进速度平均值，单位为m/s；各地层旋转触探钻头转速平均值ni，单位为转/s。
步骤3、利用步骤2得到的参数计算岩石中各地层的切削强度及抗切削强度指标；
式(1)中，S为钻头钻进过程中切削接触面积，P为钻进压力，M为旋转扭矩，R为钻头的底面半径，RM为切削强度。在钻头切削刃完全钻进情况下，针对角片钻头和麻花钻头认为S为圆锥的侧面积，对于角片钻头S＝2000.95mm2；对于麻花钻头S＝1193.29mm2；针对空心钻头认为S为圆环的面积，S＝30.35mm2。
定义钻头的旋转扭矩和钻进压力的比值为抗切削强度影响指标，即：
但由于岩石旋切钻进的过程中受到地应力和摩擦等多种因素影响，并不期望岩石抗切削强度与抗切削指标之间会有单值关系。尽管通常理解岩石的强度越高，抵抗切削的能力越强，但是并不能单纯的认为岩石的强度与抵抗切削的能力存在正相关的关系。
因此，抗切削强度指标的计算方法为：
式(3)中，f为抗切削强度指标，P为钻进压力，M为旋转扭矩，R为钻头的底面半径，L为沿切削线方向切削刃之间的距离，D为钻头直径。
由于各地层的钻进速度与转速的不同，会影响到钻进压力和旋转扭矩，进而对各地层的切削强度及抗切削强度指标产生影响，图2是抗切削强度指标与钻进速度的关系图；图3是抗切削强度指标与转速的关系图，从图2和图3中可以看出抗切削强度指标受到钻进速度和旋转速度的影响，当钻进速度越大和旋转速度越小时，它们对抗切削强度指标的影响越大；当钻进速度越小和旋转速度越大时，其对抗切削强度指标的影响越小。
本发明直接应用旋转触探测试所得结果开展岩石切削强度及抗切削强度指标计算，该方法仅需手工计算，计算过程简单，在不采用经验修正系数情况下，仍具有较高的计算精度，可应用于土木工程领域岩石切削强度计算。采用本发明方法进行基础切削强度，其计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，不仅能够在实验室内快速、准确的测量岩石的抗切削强度指标，也可以在野外和工程现场被应用，达到原位测量岩石的抗切削强度指标，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。
图4是采用本发明的方法测得抗切削强度指标与实际结果的对比图，从图4中可以看出，本发明的方法测得抗切削强度指标与实际结果存在很小的误差，误差小于5％，说明本发明方法测得抗切削强度指标是可靠的。
Claims (1)
1.一种岩石切削强度及抗切削强度指标快速确定的方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1、对岩石进行场地旋转触探测试，获得旋转触探数据；
步骤2、对步骤1获得的数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括旋转扭矩的平均值和钻进压力的平均值；
步骤3、利用步骤2得到的钻进参数计算出岩石中各地层的切削强度及各地层的抗切削强度指标；
所述场地旋转触探测试包括测试旋转触探钻头匀速贯入地层中随深度连续变化的压力即钻进压力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m；并记录钻头钻进过程中切削接触面积，单位为m2；旋转触探钻头底面半径，单位为m；
步骤2的具体过程如下：
根据步骤1得到的旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探钻进压力和旋转扭矩的测试曲线，并根据测试曲线形态划分地层，判定地层岩性名称，计算出各地层旋转触探钻进参数的平均值，包括：各地层旋转触探钻进压力平均值，单位为MPa；各地层旋转触探钻头旋转扭矩平均值，单位为MN·m；
步骤3中，各地层的切削强度的计算方法为：
式(1)中，S为钻头钻进过程中切削接触面积，P为钻进压力，M为旋转扭矩、R为钻头的底面半径，RM为切削强度；在钻头切削刃完全钻进情况下，针对角片钻头和麻花钻头认为S为圆锥的侧面积，对于角片钻头S＝2000.95mm2；对于麻花钻头S＝1193.29mm2；对于空心钻头认为S为圆环的面积，S＝30.35mm2；
步骤3中，抗切削强度指标的计算方法为：
式(3)中，f为抗切削强度指标，P为钻进压力，M为旋转扭矩，R为钻头的底面半径，L为沿切削线方向切削刃之间的距离，D为钻头直径。
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