基于數(shù)字鉆探測試技術的巖石力學參數(shù)測定方法研究.pdf

1、近年來，我國地下工程建設速度和建設規(guī)模得到了空前發(fā)展，相應的復雜條件地下工程逐年增加，對圍巖穩(wěn)定性控制以及施工安全造成了極大的挑戰(zhàn)。針對現(xiàn)場圍巖體結構及力學參數(shù)進行快速、有效預測是進行地下工程合理支護設計，保證地下工程安全、高效施工的前提，因此發(fā)展針對巖石力學參數(shù)進行快速有效測定的方法顯得尤為重要。而目前存在的對巖石單軸抗壓強度(UCS)、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ等巖石力學參數(shù)進行測試的方法，普遍存在過程繁瑣、周期長、成本高、測試滯后、應用

2、范圍局限等不足，因此亟需建立一種針對現(xiàn)場圍巖體結構及力學參數(shù)進行快速有效預測的方法?；诖?，本文圍繞巖石力學參數(shù)的快速測定方法，通過力學分析及數(shù)學統(tǒng)計方法，結合室內(nèi)巖石鉆進試驗開展相關研究，并取得了以下成果:
　　(1)隨鉆參數(shù)之間及隨鉆參數(shù)與巖石力學參數(shù)之間的相關性研究
　　自主研發(fā)了多功能數(shù)字鉆探試驗系統(tǒng)，研制了新型聚晶金剛石復合片鉆頭，開展了花崗巖、石灰?guī)r、砂巖以及砂漿試件的鉆進試驗，揭示了巖石鉆進過程中隨鉆參數(shù)之間以

3、及隨鉆參數(shù)與巖石力學參數(shù)之間的相關性，并驗證了數(shù)字鉆探試驗系統(tǒng)結構的合理性和有效性。
　　巖石鉆進過程中，隨鉆參數(shù)之間以及隨鉆參數(shù)與巖石力學參數(shù)之間均具有顯著的相關性。隨著鉆進速度的增大，鉆進扭矩與鉆進壓力均呈逐漸增大的非線性變化趨勢，增大速度逐漸加快;隨著轉速的增大，鉆進扭矩及鉆進壓力均呈逐漸減小的非線性變化趨勢，減小速度明顯減慢。
　　(2)基于數(shù)字鉆探的巖石UCS測定方法
　　基于能量分析法推導了巖石單位切削能η

4、c，通過數(shù)字鉆探試驗系統(tǒng)開展了巖石室內(nèi)鉆進試驗和單軸壓縮試驗，獲取了不同強度巖石試件的隨鉆參數(shù)與力學參數(shù)。在此基礎上，利用SVM方法建立了隨鉆參數(shù)與巖石UCS的關系模型，通過巖石鉆進試驗評價了基于SVM方法建立的隨鉆參數(shù)與UCS關系模型的表現(xiàn)性能，形成了基于數(shù)字鉆探的巖石UCS測定方法。
　　巖石鉆進試驗與單軸壓縮試驗對比分析表明，驗證集中關系模型預測的UCS和單軸壓縮試驗測得的UCS比較接近，證明基于SVM方法建立的隨鉆參數(shù)與U

5、CS關系模型在巖石UCS預測方面取得了較好的效果，也為建立具有普適性的隨鉆參數(shù)與UCS關系模型提供了新的思路。
　　(3)基于數(shù)字鉆探的巖石c-φ參數(shù)測定方法
　　考慮巖石切削破壞特征，提出了巖石切削上限法分析力學模型，基于虛功原理推導了巖石的極限切削力，建立了隨鉆參數(shù)與巖石c-φ參數(shù)關系式。系統(tǒng)開展了不同方案下石灰?guī)r試件的鉆進試驗，對比分析鉆進試驗的隨鉆參數(shù)與理論計算的對應參數(shù)，石灰?guī)r各方案平均差異率ξ均低于10％，驗證了

6、隨鉆參數(shù)與巖石c-φ參數(shù)關系式的合理性和有效性。
　　基于建立的隨鉆參數(shù)與巖石c-φ參數(shù)關系式，結合得到的巖石UCS數(shù)字鉆探測定方法，提出了巖石c-φ參數(shù)的數(shù)字鉆探測定方法。該方法操作簡單，可同時對地下工程巖石UCS和c-φ參數(shù)進行快速、有效測定，實現(xiàn)了巖石力學參數(shù)的“隨鉆隨測，準確全面”。
　　通過對數(shù)字鉆探測定方法與傳統(tǒng)三軸壓縮試驗方法測定的巖石力學參數(shù)進行對比分析，驗證了本文提出的巖石c-φ參數(shù)數(shù)字測定方法的有效性和可