不同温度条件下花岗岩的点荷载强度特征试验研究.pdf

不同温度条件下花岗岩的点荷载强度特征试验研究黄 遂孙 润徐琪超吴建范(广西柳工机械股份有限公司广西 柳州)摘 要:对于不同海拔地区矿山工程机械作业优化仿真研究需要准确确定不同海拔高度处的工程岩石受温度影响的力学参数值 本文以矿山工程常见的花岗岩为研究对象在广西柳工机械股份有限公司全球研发中心的高低温试验室中开展不同温度下花岗岩的点荷载试验 基于三维扫描设备.量级精度的图像识别能力精确确定破坏试样的三维破坏面积进而准确确定花岗岩点荷载强度 分析发现花岗岩点荷载强度满足正态分布函数取其均值作为该温度下花岗岩的点荷载强度 研究结果表明花岗岩点荷载强度随着温度的升高而波动下降 本研究结果为硬岩受温度影响的力学机制研究提供了参考和依据并为不同海拔地区矿山工程机械作业优化仿真研究提供支撑关键词:点荷载试验花岗岩强度温度中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 黄 遂()男四川遂宁人高级工程师硕士研究方向:设备状态监测与故障诊断基金项目 极地级低温环境作业装备研发平台建设(桂科)引 言随着我国基建工程投入不断加大岩石力学参数的准确选取对于工程设计、安全评价及运维显得愈发重要 单轴抗压强度值是所有岩石力学参数中最基本的参数常用于开展岩石强度分类和岩体风化程度判定 然而单轴抗压强度测定常需在室内针对标准尺寸试样开展这样费事、费力和费钱并且工程现场表面常常都是风化岩石很难获取到规整的试样 因此国际岩石力学学会()建议通过现场点荷载试验得到点荷载强度间接获得岩石单轴抗压强度 因为点荷载仪便携且操作简单直接在工程现场中拾取合适尺寸的岩石试样进行试验即可以获得相应的点荷载强度 这种方法由于试验成本低、可操作性强和适用性广被工程界广泛采用林军等采用试验方法证实类岩石材料的点荷载指标具有尺寸效应通过绘制 关系曲线将不规则样品的点荷载指标统一到标准等效尺寸并基于统计分析方法获得了点荷载指标和单轴抗压强度之间的高相关系数线性方程沐兴旺等基于点荷载试验确定巷道围岩强度指标为快速制定相应支护措施提供了依据 姚家李等基于点荷载试验确定了各向异性片麻岩点荷载强度 周哲等基于点荷载试验研究了含水率对点荷载强度软化规律的影响 王飞基于试验得出点荷载强度应用于水电工程的适用性代领等研究了常见的试样形状(圆柱体、方块体、不规则块体)对点荷载强度的影响 张国锋等基于点荷载试验确定用点荷载方法测试易风化泥质岩强度的可靠性前人的研究具有重要的参考价值但对于考虑温度因素影响的工程岩石强度参数研究却鲜有报道 为了开展不同海拔地区矿山工程机械作业优化仿真研究需要获得不同海拔高度处的工程岩石力学参数值 本文通过在广西柳工机械股份有限公司的高低温试验室进行不同温度下花岗岩点.工程与试验 .荷载强度试验获得花岗岩点荷载强度随温度变化的规律为不同海拔矿山工程机械作业优化仿真提供试验支撑 试验原理及方案.试验设备.三维扫描设备采用北京天远三维科技有限公司研制生产的 便携式非接触三维扫描设备(如图 所示)对点载荷试验破坏岩石试样断面尺寸进行测量 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号经被测样品表面漫反射后传回到仪器的接收器从而获取到目标物的距离和角度图 便携式非接触三维扫描设备在三维激光扫描仪内部一般都有 个相互垂直的 轴和 轴而激光测距光束就是以这 个轴系为旋转轴进行旋转测量的 两旋转轴的交点为内部坐标系的原点即激光测距光束发射位置 处于水平面时扫描仪的法向方向为 轴初始转动轴为 轴 轴处于与 平面相垂直的方向共同构成一个右手坐标系(如图 所示)图 三维点云坐标确定示意图依据图 中的信息可推算出测试物品表面任意位置 点坐标的计算公式:()为保证获取的岩石样品断面数据的准确性选取设备最高扫描精度()完成试验具体扫描流程如图 所示对设备进行标定将破坏试样固定并在试样四周布设一定数量的标志点完成扫描前的准备工作 通过手持式扫描手柄对破坏试样进行多角度重复扫描直至所有的破坏试样表面特征都在电脑屏幕上呈现出来完成破坏试样的扫描图 岩石破裂面三维形态扫描流程图 扫描得到的破坏试样表面点云数据需用专用软件依次进行过滤点云和点云抽稀工作从而得到破坏试样表面的精细点云数 据 选 取 破 坏 试 样 表 面 作 为 统 计 区 域 通 过 软件自动统计点云数据并计算统计区域的面积根据选取的点云数据构建平面选取岩石样品上两端点载荷加载点附近的点云数据构建截面并与岩石样品破坏面完成布尔运算获得岩石样品受点载荷破坏发生时两加载点的真实空间曲线并通过三维绘图软件(如、等)对曲线尺寸进行求解获取岩石样品破坏时两端加载点的真实距离 和整个破坏面的三维表面积.点荷载仪器点荷载试验采用苏州拓测仪器设备有限公司研制生产的 数显岩石点荷载试验仪如图 所示 该设备的最大荷载达、力值精度达到 、分辨率 试验时注意让接触点尽量处于试样中心位置且保证加载点间距大于/倍最小宽度平稳地施加垂直方向荷载使试件在 内破坏记录最大破坏荷载试验时将试样放在试验仪下压盘的中心位置然后调.支座.压杆.油压千斤顶.加载头.柱式传感器.智能数显图 数显岩石点荷载试验仪整压头高度使试件上下表面与试验仪上下压盘刚好接触控制进油速率使压头以 /速率对试件施加荷载直.黄 遂等:不同温度条件下花岗岩的点荷载强度特征试验研究至破坏记录荷载和位移变化值点荷载试验在广西柳工机械股份有限公司全球研发中心高低温试验室中进行环境仓温度为 高低温试验室内温度偏差值小于 确保在设定的温度下开展点荷载试验避免温度抖动对试验结果的影响.试验方案本文中所用的试样为矿山工程普遍存在的花岗岩在广西柳工机械股份有限公司料场挑选合适尺寸和性质的试样(如图 所示)选取的花岗岩试样尺寸和形状均满足工程岩体试验方法标准(/)的要求且均要保证试样表面无肉眼可见的裂隙、形状系数为 且优先选取形状系数为 的花岗岩 为了研究不同温度下花岗岩的强度特征分别在、进行点荷载试验 试验前确保试样在设定温度后的高低温试验室中放置超过 点荷载试验的全过程均在高低温试验室中进行图 挑选尺寸及形状符合条件的花岗岩.试验原理岩石点荷载强度确定方法是基于国际岩石力学学会()推荐的方法(最小截面法)推荐的标准点荷载强度计算如下:()()式中 为破坏面的最小截面面积()为破坏发生时两加载点的距离()为断裂面宽度()为破坏时的峰值荷载()为岩石的等效岩芯直径()为未修正点荷载强度()基于向桂馥和梁虹、朱江江等人的建议对传统的点荷载试验理论公式和试样破坏形态进行了分析和探索试样破坏并不一定会沿着最小截面发生 认为点荷载强度可以用两点间压力 与实际破坏截面面积 两个变量来确定这种方法叫做“破坏面积法”这种方法实际上只需要统计每个破坏试样的破坏面积和两点间破坏荷载即可以得到破坏试样的点荷载强度式()的关系式可以表达如下:()()然而破坏面往往是不规则的很难通过尺子来确定所量尺寸为平均长度和平均宽度进而难以精准确定破坏面的长和宽 同时该方法统计的点荷载破坏试样的破坏面常常是二维面积 而真实的破坏面是三维形态(三维面积)因此上述方法所得的点荷载强度均偏大 本文利用三维扫描技术确定破坏面的三维面积 所获取的点荷载强度值更准确式()的关系式可以表达如下:()()试验结果与分析.花岗岩点荷载试验结果数据分析本文针对不同海拔地区花岗岩的强度特征进行研究通过高低温试验室模拟花岗岩所处的不同温度环境展开了点荷载试验确定花岗岩的点荷载强度随温度变化的特征本次试验共计对 块试样进行了试验观察不同温度下花岗岩的破坏面发现其基本有平整、锯齿状、凹凸不平、中间凹陷、边缘突起、波浪状等几种形式点荷载试验中花岗岩的选取、荷载作用点的选取等都有可能导致试验过程中出现异常的极大值和极小值 因此有必要对试验结果进行甄别和筛选得到真实有效的不同温度下的点荷载强度值 按照工程岩体试验方法标准(/)中建议将试验结果中的极大值与极小值数据视为错误数值予以排除.试验结果分析和讨论将剔除错误数值后的点荷载强度值进行统计得到不同温度下花岗岩的点荷载直方图如图 所示 以 下花岗岩点荷载试验为对象 个点荷载强度标准值作为一个样本通过计算可以得出样本均值 .样本方差 离散系数为 当置信度取值 时由查 表 知 分 布 的 双 侧 分 位 数 值 为 根 据 公 式()()得到样本置信区间为 因此可以得出此次试验数据变化相对平稳差异较小在置信度较高的情况下置信区间仍接近样本均值说明试验结果准确合理 从图 可以看到不同温度下花岗岩点荷载强度值基本上符合正态分布可以用正态分布函数进行描述()时的岩样()时的岩样工程与试验 .()时的岩样()时的岩样()时的岩样()时的岩样()时的岩样()时的岩样()时的岩样()时的岩样图 不同温度下花岗岩点荷载强度直方图 为探讨花岗岩点荷载强度随温度变化的规律计算获得了不同温度下花岗岩点荷载强度的中位数和平均值如表 和图 所示 可以看出随着温度升高花岗岩的点荷载强度呈降低趋势 以常温()为基准当温度为 时花岗岩的平均点荷载强度值降低 当温度为时花岗岩的平均点荷载强度值增大 由于试样样本数量有限及试样的离散性导致试验结果中花岗岩点荷载强度值随温度增大而波动性下降.黄 遂等:不同温度条件下花岗岩的点荷载强度特征试验研究表 不同温度下花岗岩点荷载强度中位数和平均值指 标温度/中位数 平均值 图 不同温度下花岗岩点荷载强度中位数和平均值 结 论()基于传统方法的点荷载破坏面均偏小所得的点荷载强度均偏大 本文利用三维扫描技术精准确定破坏面的三维面积 所获取的点荷载强度值更准确()不同温度下花岗岩点荷载强度标准值基本符合正态分布其离散程度较小试验结果比较准确、合理()随着温度升高花岗岩的点荷载强度逐渐降低 以常温()为基准当温度为 时花岗岩的平均点荷载强度值降低 当温度为时花岗岩的平均点荷载强度值增大 参考文献朱江江罗强詹学启等.非规则软质千枚岩点荷载强度评价的等效面积法.岩石力学与工程学报():.郭曼丽.试论岩石点荷载试验的适用性.岩土力学():.林军沙鹏伍法权等.基于尺寸效应的类岩石材料点荷载指标与单轴抗压强度对应关系研究.长江科学院院报():.沐兴旺唐琳孙承超等.基于点荷载试验确定巷道围岩强度指标的效果分析.采矿技术():.姚家李姚华彦代领等.各向异性片麻岩点荷载与单轴压缩力学特性研究.地下空间与工程学报():.周哲陈善雄戴张俊等.基于点荷载试验的新生代红砂岩强度软化规律研究.岩土力学():.王飞.点荷载强度试验在水电工程中的应用.工程与试验():.代领姚华彦张飞阳等.不同形状红砂岩的点荷载强度试验研究.科学技术与工程():.张国锋刘志双陈显坤等.点荷载法测试易风化泥质岩强度的可靠性分析.岩土力学():.董可高全臣矫伟刚等.点荷载仪在软岩工程中的应用.煤炭技术():.向桂馥梁虹.岩石点荷载试验资料的统计分析及强度计算公式的探讨.岩石力学与工程学报():.(上接第 页)施、统计理论得到的结论可以看出成功设计的飞机大多有延寿的潜力 应该根据飞机设计和验证阶段试验的统计分析、服役经验和老龄飞机的拆毁检查结果分析尤其是老龄飞机结构的疲劳试验验证确定老龄飞机延寿的期限 我国多型飞机就是按照上述方法进行了老龄飞机的全机疲劳试验验证延长了寿命参考文献戚燕杰吕志刚刘马宝等.寿命无极限:飞机寿命管理新理念.中国民航大学学报():.贺小帆董彦民刘文珽.结构和载荷谱分散性分离的疲劳寿命可靠性.航空学报():.张福泽.使用载荷下的重谱能降低寿命不能降低疲劳分散系数.航空学报():.何宇廷高潮张腾等.飞机结构疲劳/耐久性安全寿命延寿方法.空军工程大学学报(自然科学版)():.美国交通部联邦航空局.咨询通报 .结构损伤容限和疲劳评定.关文关岭.飞机 延寿项目研究.民航学报():.中国飞机强度研究所.军用飞机结构耐久性/损伤容限分析和设计指南.陶梅贞孙秦宋笔锋.现代飞机结构设计.西安:西北工业大学出版社:.杨俊王建祁圣英.疲劳寿命分散系数的确定与应用研究.航空发动机():.李予彤周晓光张萌.浅议装备的延寿与可靠性维修性增长工作.中国军转民():.宋笔锋冯蕴雯刘晓东.飞行器可