CN112129618B - 软岩三轴强度评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的软岩三轴强度评估方法及系统，能捕捉岩石非线性行为、包含独立参数少且参数易于获取、为软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)而导致评估精度高。软岩三轴强度评估方法包括：步骤1.获取待测软岩岩体中关于岩块的岩块单轴强度σci；步骤2.获取待测软岩岩体中关于节理的节理系数f(joint)；步骤3.将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入公式
Figure DDA0002675700950000011
中，计算软岩三轴强度σ1(式中，σ3为最小主应力、σ2为中间主应力，σ*为σ2转折点对应的转折应力，b为无量纲参数，B为用于真三轴计算的无量纲参数)。

Description

软岩三轴强度评估方法及系统
技术领域
本发明属于岩石力学与软岩工程领域，具体涉及软岩三轴强度评估方法及系统。
背景技术
如图1所示，由于单轴试验远比三轴试验简单+单轴强度与三轴强度呈正相关性，出于工程实用性(简单、快速、省钱)考虑，岩石力学界更倾向于使用单轴强度来表征岩石力学特性。然而，这样的简化处理会带来一系列问题：
(1)埋藏于地下的岩石通常处于复杂的三轴受力状态，而非简单的单轴受力状态，将三轴简化为单轴不能完全真实反映岩石受力状态。
(2)对于以往的浅部岩石工程而言，由于围压(最小主应力σ3与中间主应力σ2)较低，将三轴简化为单轴造成的误差，通常能为工程所接受；对于未来的深部岩石工程而言，由于围压较高，上述简化造成的误差，通常不能为工程所接受。
从“评估精度”这个角度考虑，为了准确预测深部岩石工程的力学行为，采用三轴强度指标代替单轴强度指标，很有必要。为此，一些用于评估岩石三轴强度的方法已经被初步提出。
遗憾的是，现有岩石三轴强度评估方法，通常存在两大类缺陷：
(1)以莫尔-库伦准则为代表的线性破坏准则，无法捕捉岩石非线性行为，这导致评估误差有时不能为工程所接受。
(2)以霍克-布朗准则为代表的非线性破坏准则，包含的参数过多(独立参数≥3个)且参数普遍难于获取，同时未建立这些参数与岩石力学现有指标参数之间的关系，这导致其在工程中难以使用。
为此，从“捕捉岩石非线性行为+包含参数”这2个角度考虑，迫切需要发展能捕捉岩石非线性行为、包含独立参数少且参数易于获取的岩石三轴强度评估方法。
此外，由于历史局限性，上述2个最为著名且使用最为广泛的三轴强度评估方法，都不能适用于软岩。具体原因在于：
(1)软岩与硬岩存在显著的差异。软岩表现的更为延性，硬岩表现的更为脆性。为此，适用于硬岩的破坏准则，都不能直接应用于软岩。
(2)与硬岩工程(潜在灾害少，施工难度低)相比，软岩工程(潜在灾害多，施工难度大)出现较晚，所以现有三轴强度评估方法通常为硬岩“量身定制”(仅能覆盖脆性破坏，不能覆盖延性破坏)，而未考虑到能否适用于软岩。这导致现有方法在评估软岩三轴强度时，误差巨大，评估精度不能为工程所接受。
为此，从“适用于软岩”这个角度考虑，迫切需要发展针对软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)的岩石三轴强度评估方法。
此外，现有岩石三轴强度评估方法，通常只涉及最小主应力σ3与最大主应力σ1，而忽略中间主应力σ2。简单说，不考虑中间主应力时(σ1>σ2＝σ3)，为假三轴试验，对应假三轴强度；考虑中间主应力时(σ1>σ2>σ3)，为真三轴试验，对应真三轴强度。越来越多的试验证据表明：与最小主应力σ3相比，中间主应力σ2所起的作用相对较小，但其能否被忽略要根据具体情况而定；对于井壁稳定性分析、地应力测量、深部岩石开挖与支护等涉及3个主应力相差悬殊(σ1>σ2>>σ3)的岩石工程而言，中间主应力σ2所起作用显著，不能被忽略。为此，从“评估精度”这个角度考虑，采用真三轴强度更好。
遗憾的是，截至目前，针对软岩“量身定制”的岩石真三轴强度评估方法，尚未被提出；除了不适用于软岩工程外，现有方法包含的独立参数也过多(普遍大于3个)且参数难于获取。
需要说明的是，现有真三轴方法之所以“不好用”，根源在于：真三轴方法，通常是在假三轴方法的基础上发展而来，为此不同真三轴方法会继承对应假三轴方法的优缺点；由于现有假三轴方法“不好用”(评估精度低、包含参数多且参数难以获取，且不适用于软岩)，所以在其基础上发展而来的真三轴方法，通常也“不好用”。为此，对于任何一种岩石三轴强度评估方法，只有在评估假三轴强度时好用，才有潜力在评估真三轴强度时好用。
考虑到尚未开发的“好岩石”(硬岩)占比越来越低，不得不开发的“坏岩石”(软岩)占比越来越高，深部软岩工程(川藏铁路隧道、千米深井巷道……)大规模开发势在必行。为此，随着深部软岩工程的与日俱增，迫切需要发明能捕捉岩石非线性行为、包含独立参数少且参数易于获取、为软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)的软岩(假+真)三轴强度评估方法。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能捕捉岩石非线性行为、包含独立参数少且参数易于获取、为软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)的软岩(假+真)三轴强度评估方法及系统，能够获得准确、可靠的三轴强度数据。
本发明为了实现上述目的，采用以下方案：
<方法>
本发明提供一种软岩三轴强度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.获取待测软岩岩体中关于岩块的岩块单轴强度σci；
步骤2.获取待测软岩岩体中关于节理的节理系数f(joint)；
步骤3.将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算软岩三轴强度σ1：
Figure BDA0002675700930000031
式中，σ3为最小主应力(自变量)，σ2为中间主应力(自变量)，σ1为最大主应力(因变量，即评估的三轴强度)，σ*为σ2转折点对应的转折应力，b为无量纲参数，B为用于真三轴计算的无量纲参数；岩体包含岩块(完整岩石)和岩块之间的节理。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估方法还可以具有如下特征：在步骤1中，通过对岩块进行单轴试验，直接获取岩块单轴强度σci；或者通过对岩块进行点荷载试验或针贯入仪试验，借助下列转换公式间接获取岩块单轴强度σci：
Figure BDA0002675700930000032
式中，PLI为通过点荷载试验获取的点荷载指数，NPR为通过针贯入仪试验获取的针贯入阻力。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估方法还可以具有如下特征：在步骤2中，节理系数f(joint)取值范围为0～1，可通过下列公式获取：
Figure BDA0002675700930000041
式中，IL为互锁调整系数，Vb为岩块体积；需要说明的是，在岩石工程中，低强度软岩最为常见，构造扰动软岩较为罕见；对于完全破碎的岩体，f(joint)取0；对于不包含任何节理的岩体(即岩块)，f(joint)取1。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估方法还可以具有如下特征：在步骤2中，对于未扰动的非常紧密结构岩体，IL＝1.3；对于未扰动的紧密结构岩体，IL＝1.0；对于扰动后的带角块的岩体，IL＝0.8；对于扰动后的互锁差的岩体，IL＝0.5。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估方法还可以具有如下特征：在步骤3中，无量纲参数b为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，b＝-0.319lnσci+4.097。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估方法还可以具有如下特征：在步骤3中，无量纲参数B的取值范围为0～1(当B＝0时，中间主应力σ2所起的作用被忽略，真三轴退化为假三轴；当B＝1时，σ2所起的作用最大，即σ2与最小主应力σ3所起的作用相等)，为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，B＝0.205ln(σci+0.054)+0.692。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估方法还可以具有如下特征：对于岩块(完整岩石)，由于f(joint)＝1，所以本发明仅包含1个独立参数—σci，即在不就行三轴试验的前提下、仅通过σci就能估算出软岩(假+真)三轴强度；对于岩体，本发明包含2个独立参数—σci与f(joint)，且这2个独立参数物理意义明确、容易获取。
<系统>
进一步，本发明还提供一种软岩三轴强度评估系统，其特征在于，包括：
单轴强度获取部，获取待测软岩岩体中关于岩块的岩块单轴强度σci；
节理系数获取部，获取待测软岩岩体中关于节理的节理系数f(joint)；
软岩三轴强度计算部，与单轴强度获取部和节理系数获取部通信相连，将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算得到软岩三轴强度σ1：
Figure BDA0002675700930000051
式中，σ3为最小主应力、σ2为中间主应力，σ*为σ2转折点对应的转折应力，b为无量纲参数，B为用于真三轴计算的无量纲参数；以及
控制部，与单轴强度获取部、节理系数获取部、软岩三轴强度计算部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估系统，还可以具有如下特征：单轴强度获取部包括：对待测软岩岩体进行单轴强度测试得到单轴强度测试数据的单轴强度测试仪，和对单轴强度测试数据进行处理得到岩块单轴强度σci的单轴强度数据处理器。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估系统，还可以具有如下特征：节理系数获取部包括：对待测软岩岩体进行节理测试得到节理测试数据的节理测试仪，和对节理测试数据进行处理得到节理系数f(joint)的节理数据处理器。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估系统，还可以包括：输入显示部，与单轴强度获取部、节理系数获取部、软岩三轴强度计算部、控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
优选地，本发明提供的软岩三轴强度评估系统，还包括：应力获取部，获取待测软岩岩体中关于岩块的最小主应力σ3和中间主应力σ2。进一步，应力获取部包括：对待测软岩岩体进行地应力测试得到应力测试数据的地应力测试仪，和对应力测试数据进行处理得到自变量σ3、σ2数值的应力数据处理器。
发明的作用与效果
与现有技术相比，本发明提供的软岩三轴强度评估方法，具有5个特点：①能捕捉岩石非线性行为；②包含独立参数少且参数易于获取；③为软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)，评估精度高；④涵盖节理(非连续性)，除单一的岩块外，也适用于岩块+节理组成的岩体；⑤全过程无人为因素干扰，保证了三轴强度评估结果的客观性。
进一步，本发明提供的软岩三轴强度评估系统，通过单轴强度获取部获取待测软岩的岩块单轴强度σci，通过节理系数获取部获取待测软岩的节理系数f(joint)，再由软岩三轴强度计算部将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入公式中，就能够计算得到软岩三轴强度σ1，整个过程无人为因素干扰，自动化程度高，有利于高效、准确地获得软岩三轴强度值，对于软岩工程的安全、高效施工意义重大。
附图说明
图1为背景技术中涉及的单轴试验与三轴试验的示意图；
图2为本发明实施例中涉及的软岩三轴强度评估方法的流程图；
图3为本发明实施例一中涉及的软岩真三轴测量值(图中各实测点值，仅标示出一部分)与评估值(通过本发明方法评估所得各条曲线)的对比图；
图4为本发明实施例一中涉及的软岩真三轴测量值(图中各实测点值，仅标示出一部分)与评估值(通过现有技术莫尔-库伦方法评估所得各条直线)的对比图；
图5为本发明实施例一中涉及的软岩真三轴测量值(图中各实测点值，仅标示出一部分)与评估值(通过现有技术霍克-布朗方法评估所得曲线和直线)的对比图；
图6为本发明实施例二中涉及的软岩假三轴测量值与评估值的对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的软岩三轴强度评估方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
工程背景：埋藏于地下的岩石(软岩或硬岩)，通常处于复杂的三轴受力状态，而非简单的单轴受力状态；为了准确预测处于三轴受力状态的软岩力学行为，需要准确评估软岩真三轴强度；欲获取软岩真三轴强度，最直接的办法就是进行真三轴试验；然而，进行真三轴试验极其费时、费力、费钱，这也是截至目前全球仅进行过不到50组岩石真三轴试验的直接原因；为此，绕过复杂繁琐的真三轴试验，通过简易的方法评估软岩真三轴强度，对于软岩工程的安全、高效施工意义重大；遗憾的是，现有方法由于为硬岩“量身定制”(仅能覆盖脆性破坏，不能覆盖延性破坏)，都不能适用于软岩，且不能捕捉岩石非线性行为、包含参数多；为此，考虑到深部软岩工程的与日俱增，迫切需要采用本实施例中所提供的方法来准确评估软岩真三轴强度。
具体地，如图2所示，本实施例所提供的软岩三轴强度评估方法，包括如下步骤：
步骤1.获取待测岩体(岩块+节理)中关于岩块的岩块单轴强度σci
通过对岩块进行单轴试验，直接获取岩块单轴强度σci；或者通过更为便捷的点荷载试验、针贯入仪试验，借助下列转换公式间接获取岩块单轴强度σci
Figure BDA0002675700930000071
式中，PLI为通过点荷载试验获取的点荷载指数，NPR为通过针贯入仪试验获取的针贯入阻力。
本实施例中，对岩块进行单轴试验，直接获取σci＝23MPa。
步骤2.获取待测岩体中关于节理的节理系数f(joint)
节理系数f(joint)的取值范围为0～1(0对应完全破碎的岩体，1对应不包含任何节理的岩块)；节理系数f(joint)可通过下列公式获取
Figure BDA0002675700930000072
式中，IL为互锁调整系数(对于未扰动的非常紧密结构岩体，IL＝1.3；对于未扰动的紧密结构岩体，IL＝1.0；对于扰动后的带角块的岩体，IL＝0.8；对于扰动后的互锁差的岩体，IL＝0.5)，Vb为岩块体积。
本实施例中，考虑到截至目前没有任何一种方法能直接验证节理(非连续)的有效性，为方便验证本发明的评估效果，本实施例按照岩石力学界通用做法，将试验对象设定为岩块(完整岩石)，即f(joint)＝1；需要说明的是，对于任何一种岩石三轴强度评估方法，只有它能准确评估岩块(完整岩石)，才有潜力能准确评估岩体；同时，f(joint)取任何值，对其他步骤/环节没有任何影响。
步骤3.将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算软岩真三轴强度σ1
Figure BDA0002675700930000081
式中：
σ3、σ2、σ1分别为最小主应力(自变量)、中间主应力(自变量)、最大主应力(因变量，即评估得到的真三轴强度)，见图3、图4、图5；自变量σ3、σ2可通过地应力测试仪获取。
σ*为σ2转折点对应的转折应力，由数据处理软件Origin在计算机上通过最小二乘法自动获取。
σci为岩块单轴强度(独立参数)，如上所述，σci＝23.0MPa。
f(joint)为节理系数(独立参数)，如上所述，f(joint)＝1。
b为无量纲参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，b＝-0.319lnσci+4.097。
B为用于真三轴计算的无量纲参数B，取值范围为0～1(当B＝0时，中间主应力σ2所起的作用被忽略，真三轴退化为假三轴；当B＝1时，σ2所起的作用最大，即σ2与最小主应力σ3所起的作用相等)；B为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，B＝0.205ln(σci+0.054)+0.692。
为验证本发明的拟合精度(评估效果)，图3给出了真三轴测量值与评估值(通过本发明方法评估所得)对比图。
图3中的点、拟合曲线分别对应通过试验测量得到的真实数据、利用本发明评估得到的σ1(真三轴强度)。采用统计学方法，分析图3中的数据，得到反映评估精度的统计指标R2与RMSE(见下表1)，以验证本发明的拟合精度(评估效果)：能否“捕捉岩石非线性行为”、能否“同时覆盖脆性与延续破坏”。
表1反映评估精度的统计指标R2与RMSE
Figure BDA0002675700930000091
备注：R2为统计学中的决定系数(Coefficient of Determination)，取值范围为0～1，该值越接近于1，越说明拟合效果好(评估精度高)；RMSE为统计学中的均方根误差(Root Mean Squared Error)，该值越小，越说明拟合效果好(评估精度高)。
图3中位于左上部的曲线(σ2＝σ3)显示，随着围压(σ2与σ3)的增加，强度(σ1)呈非线性增加：增加幅度越来越低。这意味着，本发明能很好地捕捉岩石非线性行为。而以著名的莫尔-库伦准则(方法)为代表的线性破坏准则，则不能捕捉岩石非线性行为(详见下文)。
图3显示：拟合曲线(利用本发明评估得到的σ1)很好地通过了数据点(通过试验测量得到的真实数据)。表1显示：R2普遍接近于1；RMSE都小于6.1MPa，且普遍在2.5MPa左右。图3与表1都说明：本发明的拟合效果好(评估精度高)。这意味着，本发明能同时覆盖脆性与延续破坏。而以著名的霍克-布朗准则为代表的非线性准则，则不能同时覆盖脆性与延续破坏，最终反映到拟合效果差(评估精度低)(详见下文)。
具体地，如图3至5所示，将本发明与对比现有方法进行比较：
图4(莫尔-库伦方法)中位于左上部的曲线(σ2＝σ3)显示，随着围压(σ2与σ3)的增加，强度(σ1)呈线性增加：增加幅度不变。这意味着，现有莫尔-库伦方法不能捕捉岩石非线性行为。同时，其他曲线(σ3＝0，1，3，5，7MPa)显示，随着中间主应力σ2的增加，强度(σ1)保持不变。这意味着，通过现有莫尔-库伦方法得到的评估值与测量值差异巨大。对比看，本发明(见图3)则拟合效果好(评估精度高)。
相比图4(现有莫尔-库伦方法)，图5(现有霍克-布朗方法)的优点是能捕捉岩石非线性行为，缺点是包含参数多。同时，图5显示，随着围压(σ2与σ3)的增加，强度(σ1)评估值先是“高估”、随后是“低估”。这意味着，现有霍克-布朗方法在做出牺牲参数的前提下(需要说明的是：理论上讲，参数越多，越可能实现拟合效果好(评估精度高)，但一味追求拟合效果，会让一种方法失去实用性)，即使评估软岩假三轴强度(真三轴退化为假三轴)，仍然没有本发明(见图3)的拟合效果好(评估精度高)。对于真三轴，现有霍克-布朗方法与现有莫尔-库伦方法一样，也“不好用”。
通过对比现有方法，本发明方法被进一步证实，可以达到预期效果：①能捕捉岩石非线性行为；②包含独立参数少且参数易于获取；③为软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)，评估精度高；④涵盖节理(非连续性)，除单一的岩块外，也适用于岩块+节理组成的岩体；⑤全过程无人为因素干扰，保证了评估结果的客观性。
<实施例二>
试验背景：由于岩石真三轴试验数据极少(全球少于50组)，关于软岩的真三轴试验数据更少，所以欲通过大量的软岩真三轴试验数据验证本发明的评估效果这条路，走不通；为此，退而求其次，通过大量的假三轴试验数据(软岩数据库，见表2)进一步验证本发明的评估效果，是个不错的选择；事实上，如前面所述，当无量纲参数B＝0时，真三轴退化为假三轴；换言之，假三轴是真三轴的特例。
验证评估效果的软岩数据库，见下表2。
表2软岩数据库信息
Figure BDA0002675700930000101
Figure BDA0002675700930000111
具体地，如图2所示，本实施例所提供的软岩三轴强度评估方法，包括如下步骤：
步骤1.获取待测岩体(岩块+节理)中关于岩块的岩块单轴强度σci
通过对岩块进行单轴试验，直接获取岩块单轴强度σci；或者通过更为便捷的点荷载试验、针贯入仪试验，借助下列转换公式间接获取岩块单轴强度σci
Figure BDA0002675700930000112
式中，PLI为通过点荷载试验获取的点荷载指数，NPR为通过针贯入仪试验获取的针贯入阻力。
本实施例中，从文献中获取42组软岩的σci，取值范围如上表2所示。
步骤2.获取待测岩体(岩块+节理)中关于节理的节理系数f(joint)
节理系数f(joint)的取值范围为0～1(0对应完全破碎的岩体，1对应不包含任何节理的岩块)；节理系数f(joint)可通过下列公式获取
Figure BDA0002675700930000113
式中，IL为互锁调整系数(对于未扰动的非常紧密结构岩体，IL＝1.3；对于未扰动的紧密结构岩体，IL＝1.0；对于扰动后的带角块的岩体，IL＝0.8；对于扰动后的互锁差的岩体，IL＝0.5)，Vb为岩块体积。
本实施例中，考虑到截至目前没有任何一种方法能直接验证节理(非连续)的有效性，为方便验证本发明的评估效果，本实施例按照岩石力学界通用做法，将试验对象设定为岩块(完整岩石)，即f(joint)＝1；需要说明的是，对于任何一种岩石三轴强度评估方法，只有它能准确评估岩块，才有潜力能准确评估岩体。
步骤3.将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算软岩假三轴强度σ1：
Figure BDA0002675700930000121
式中：
σ3、σ2、σ1分别为最小主应力(自变量)、中间主应力(自变量)、最大主应力(因变量，即评估得到的真三轴强度)；自变量σ3、σ2可通过地应力测试装置获取。
σ*为σ2转折点对应的转折应力，由数据处理软件Origin在计算机上通过最小二乘法自动获取。
σci为岩块单轴强度(独立参数)。
f(joint)为节理系数(独立参数)，如上所述，f(joint)＝1。
b为无量纲参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，b＝-0.319lnσci+4.097。
B为用于真三轴计算的无量纲参数B，取值范围为0～1(当B＝0时，中间主应力σ2所起的作用被忽略，真三轴退化为假三轴；当B＝1时，σ2所起的作用最大，即σ2与最小主应力σ3所起的作用相等)；在本实施例二中，令B＝0(真三轴退化为假三轴)。
图6为假三轴强度测量值与评估值的对比图，横坐标、纵坐标分别对应通过试验测量得到的σ1 meas、利用本发明评估得到的σ1 pred。图6中的统计显著性(R2＝0.964)说明，所有的测量值(σ1 meas)与评估值(σ1 pred)都几乎相等。这意味着，本发明的拟合效果好(评估精度高)。需要说明的是，一种方法只有能“捕捉岩石非线性行为”、能“同时覆盖脆性与延续破坏”，才可以实现通过测量得到的σ1 meas≈利用本发明评估得到的σ1 pred。
为此，对于软岩，本发明方法被再一次证实可以达到预期效果：①能捕捉岩石非线性行为；②包含独立参数少且参数易于获取；③为软岩“量身定制”(能同时覆盖脆性与延续破坏)，评估精度高；④涵盖节理(非连续性)，除单一的岩块外，也适用于岩块+节理组成的岩体；⑤全过程无人为因素干扰，保证了评估结果的客观性。
关于“②包含独立参数少且参数易于获取”：对于岩块(完整岩石)，由于f(joint)＝1，所以本发明仅包含1个独立参数—σci，即在不就行三轴试验的前提下、仅通过σci就能估算出软岩真三轴强度；对于岩体，本发明包含2个独立参数—σci与f(joint)，且这2个独立参数物理意义明确、容易获取。
<实施例三>
本实施例三提供一种软岩三轴强度评估系统，能够自动实现实施例一和二所描述的软岩三轴强度评估方法。具体地，软岩三轴强度评估系包括：单轴强度获取部、节理系数获取部、应力获取部、软岩三轴强度计算部、输入显示部以及控制部。
单轴强度获取部能够获取待测软岩岩体中关于岩块的岩块单轴强度σci，它包括单轴强度测试仪和单轴强度数据处理器。单轴强度测试仪能够对待测软岩岩体进行单轴强度测试，得到单轴强度测试数据，单轴强度数据处理器对单轴强度测试数据进行处理，得到岩块单轴强度σci。
节理系数获取部用于获取待测软岩岩体中关于节理的节理系数f(joint)，它包括节理测试仪和节理数据处理器。节理测试仪对待测软岩岩体进行节理测试，得到节理测试数据。节理数据处理器对节理测试数据进行处理，得到节理系数f(joint)。
应力获取部用于获取待测软岩岩体中关于岩块的最小主应力σ3和中间主应力σ2，它包括地应力测试仪和应力数据处理器。地应力测试仪对待测软岩岩体进行地应力测试，得到应力测试数据。应力数据处理器对应力数据测试数据进行处理，得到自变量σ3、σ2数值。
软岩三轴强度计算部与单轴强度获取部、节理系数获取部、应力获取部均通信相连，将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算得到软岩三轴强度σ1：
Figure BDA0002675700930000141
式中，σ3为最小主应力、σ2为中间主应力，σ*为σ2转折点对应的转折应力，b为无量纲参数，B为用于真三轴计算的无量纲参数。
输入显示部与单轴强度获取部、节理系数获取部、应力获取部、软岩三轴强度计算部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。本实施例中，输入显示部能够对单轴强度获取部获取的单轴强度σci、节理系数获取部获取的节理系数f(joint)、应力获取部获取的自变量σ3与σ2数值、软岩三轴强度计算部计算出的软岩三轴强度σ1进行显示，并能够根据指令显示出这些参数之间的关系曲线图。
控制部与单轴强度获取部、节理系数获取部、应力获取部、软岩三轴强度计算部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的软岩三轴强度评估方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种软岩三轴强度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.获取待测软岩岩体中关于岩块的岩块单轴强度σci；
步骤2.获取待测软岩岩体中关于节理的节理系数f(joint)；
步骤3.将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算软岩三轴强度σ1：
Figure FDA0003286206180000011
式中，σ3为最小主应力，σ2为中间主应力，σ*为σ2转折点对应的转折应力，b为无量纲参数，B为用于真三轴计算的无量纲参数；
其中，在步骤2中，节理系数f(joint)通过下列公式获取：
Figure FDA0003286206180000012
式中，IL为互锁调整系数，Vb为岩块体积；
对于未扰动的非常紧密结构岩体，IL＝1.3；对于未扰动的紧密结构岩体，IL＝1.0；对于扰动后的带角块的岩体，IL＝0.8；对于扰动后的互锁差的岩体，IL＝0.5；
在步骤3中，无量纲参数b为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，b＝-0.319lnσci+4.097，无量纲参数B为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，B＝0.205ln(σci+0.054)+0.692。
2.根据权利要求1所述的软岩三轴强度评估方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，通过对岩块进行单轴试验，直接获取岩块单轴强度σci；或者通过对岩块进行点荷载试验或针贯入仪试验，借助下列转换公式间接获取岩块单轴强度σci：
Figure FDA0003286206180000021
式中，PLI为通过点荷载试验获取的点荷载指数，NPR为通过针贯入仪试验获取的针贯入阻力。
3.一种软岩三轴强度评估系统，其特征在于，包括：
单轴强度获取部，获取待测软岩岩体中关于岩块的岩块单轴强度σci；
节理系数获取部，获取待测软岩岩体中关于节理的节理系数f(joint)；
软岩三轴强度计算部，与所述单轴强度获取部和所述节理系数获取部通信相连，将岩块单轴强度σci与节理系数f(joint)代入下列公式中，计算得到软岩三轴强度σ1：
Figure FDA0003286206180000031
式中，σ3为最小主应力、σ2为中间主应力，σ*为σ2转折点对应的转折应力，b为无量纲参数，B为用于真三轴计算的无量纲参数；以及
控制部，与所述单轴强度获取部、所述节理系数获取部、所述软岩三轴强度计算部均通信相连，控制它们的运行；
其中，在所述节理系数获取部中，节理系数f(joint)通过下列公式获取：
Figure FDA0003286206180000032
式中，IL为互锁调整系数，Vb为岩块体积；
对于未扰动的非常紧密结构岩体，IL＝1.3；对于未扰动的紧密结构岩体，IL＝1.0；对于扰动后的带角块的岩体，IL＝0.8；对于扰动后的互锁差的岩体，IL＝0.5；
在所述软岩三轴强度计算部中，无量纲参数b为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，b＝-0.319lnσci+4.097，无量纲参数B为非独立参数，随岩块单轴强度σci变化而变化，B＝0.205ln(σci+0.054)+0.692。
4.根据权利要求3所述的软岩三轴强度评估系统，其特征在于：
其中，所述单轴强度获取部包括：对待测软岩岩体进行单轴强度测试得到单轴强度测试数据的单轴强度测试仪，和对单轴强度测试数据进行处理得到岩块单轴强度σci的单轴强度数据处理器。
5.根据权利要求3所述的软岩三轴强度评估系统，其特征在于：
其中，所述节理系数获取部包括：对待测软岩岩体进行节理测试得到节理测试数据的节理测试仪，和对节理测试数据进行处理得到节理系数f(joint)的节理数据处理器。
6.根据权利要求3所述的软岩三轴强度评估系统，其特征在于，还包括：
输入显示部，与所述单轴强度获取部、所述节理系数获取部、所述软岩三轴强度计算部、所述控制部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
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