单轴抗压强度UCS(Unconfined Compressive Strength)的取值考虑

1 引言

岩石的单轴抗压强度是岩体工程分类和稳定性分析必须输入的原始参数. 理想的状况是每个工程项目至少做一组单轴抗压强度试验, 并且钻孔穿过所有受影响的地层(开挖区域和围岩), 但是在现实中, 由于各种因素的限制不可能每个项目都做单轴抗压强度试验, 除非一些非常重要的边坡工程项目. 这个笔记简要讨论了单轴抗压强度sigmac(UCS)的取值方法. 

2 什么时候不做UCS试验

在讨论UCS的取值方法之前, 让我们首先我们逆向思考一下, 什么时候不需要做或者做不了UCS试验. 总的来说, 以下四种情形不做UCS试验:

(1) 工程状况简单, 岩石性质单一或者岩体极其破碎, 在这种情况下可以根据先前的经验进行类比获取UCS值;

(2) 缺少试验资金, 大多数工程项目遇到的是这种情况, 由于没有足够的经费预算, 不能进行UCS试验;

(3) 时间仓促,  项目要求时间紧, 没有足够的时间去完成试验;

(4) 不具备取样条件. 在某些极端情况下, 特别是在一些遥远的山区, 由于没有道路, 钻机不能开进去, 无法进行试验. 以前也曾遇到过使用直升机运输钻机进行钻探的项目, 但这是例外, 不是一般项目能承担得起的. 

3 获取UCS的间接方法

(1) 当不具备标准的UCS试验条件时, 工程师必须依靠经验来估算UCS值. 在文章[IMASS---FLAC3D和3DEC新的本构模型(1)] 中总结了三大类岩石的单轴抗压强度经验估计. 

(2) 另一种获取UCS的简便方法是使用Schmidt hammer, 也称作Rebound Hardness Test, 这种试验设备类似于现场测试土试样的笔式贯入仪. 此外, 点载荷试验(Point Load Test)也能近似代替标准的UCS试验.

(3) 英国的一些工程手册,例如BS5930曾提出过在现场使用地质锤锤击岩石来回归UCS值(类似于土力学中判别土坚硬程度的方法), 但在我的印象中, 北美的工程实践好像不建议这么做. 

4 UCS试验的局限性

反过来说, 即使我们有条件做UCS试验, 做出来的值也不一定代表岩石的真实值. 第一个可能出现的误差因素是取样质量. 当我们做试验时, 总是选择一些具有"代表性"的试样, 这些试样至少能满足进行正常压力测试的要求, 这无疑忽视了真实岩石的差异性; 第二个可能出现的误差因素是试样中可能包含着不连续, 一般来说岩石试件的高度是10cm, 有时试件中正好包含着小的不连续, 这将会导致UCS值出现误差; 第三个可能出现的误差因素是方向性, 如果完整的岩石表现出各向异性，那么测量的完整岩石强度取决于取样的方向。

5 岩体强度

岩体具有强烈的尺寸效应, 随着岩体试件尺寸的增大, UCS会逐渐降低. 在岩石工程中, 最广泛使用的岩体强度估算方法是Hoek-Brown准则. Zhang and Einstein (2004) 提出使用RQD估算岩体的单轴抗压强度和变形模量，但在实践中必须非常小心地使用这些关系式。[(Deere's RQD---现代岩体工程分类方法的基石 (Part II); 基于RQD的岩石地基允许承载力估算]

6 数值试验? 

合成岩体(Synthetic Rock Mass)是近年来发展起来的数值模拟技术, SRM是Bonded Particle Model 与 Smooth-Joints的结合, 使用线性平行粘结模型创建粘结颗粒模型，使用平滑节理模型模拟节理和裂隙。这种把DFN内嵌到原岩模型的方法，能够真实地模拟岩体内节理的力学行为, 理论上可以直接获取岩体的强度. 不过, 这个过程耗时太长, 而且在很大程度取决于模拟者的水平, 因此在实践的边坡工程中, 岩体强度值仍然通过经验近似估算. 对岩体强度校正的一种手段是数值反分析, 通过监测边坡位移通过反分析来获得相对准确的岩体强度参数, 参看[数值反分析(Numerical Back-Analysis)].