基于數(shù)字鉆探測(cè)試技術(shù)的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)地下工程建設(shè)速度和建設(shè)規(guī)模得到了空前發(fā)展，相應(yīng)的復(fù)雜條件地下工程逐年增加，對(duì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)進(jìn)行快速、有效預(yù)測(cè)是進(jìn)行地下工程合理支護(hù)設(shè)計(jì)，保證地下工程安全、高效施工的前提，因此發(fā)展針對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行快速有效測(cè)定的方法顯得尤為重要。而目前存在的對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ等巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的方法，普遍存在過(guò)程繁瑣、周期長(zhǎng)、成本高、測(cè)試滯后、應(yīng)用

2、范圍局限等不足，因此亟需建立一種針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖體結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)進(jìn)行快速有效預(yù)測(cè)的方法。基于此，本文圍繞巖石力學(xué)參數(shù)的快速測(cè)定方法，通過(guò)力學(xué)分析及數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合室內(nèi)巖石鉆進(jìn)試驗(yàn)開(kāi)展相關(guān)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(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性研究
　　自主研發(fā)了多功能數(shù)字鉆探試驗(yàn)系統(tǒng)，研制了新型聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，開(kāi)展了花崗巖、石灰?guī)r、砂巖以及砂漿試件的鉆進(jìn)試驗(yàn)，揭示了巖石鉆進(jìn)過(guò)程中隨鉆參數(shù)之間以

3、及隨鉆參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性，并驗(yàn)證了數(shù)字鉆探試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性和有效性。
　　巖石鉆進(jìn)過(guò)程中，隨鉆參數(shù)之間以及隨鉆參數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間均具有顯著的相關(guān)性。隨著鉆進(jìn)速度的增大，鉆進(jìn)扭矩與鉆進(jìn)壓力均呈逐漸增大的非線性變化趨勢(shì)，增大速度逐漸加快;隨著轉(zhuǎn)速的增大，鉆進(jìn)扭矩及鉆進(jìn)壓力均呈逐漸減小的非線性變化趨勢(shì)，減小速度明顯減慢。
　　(2)基于數(shù)字鉆探的巖石UCS測(cè)定方法
　　基于能量分析法推導(dǎo)了巖石單位切削能η

4、c，通過(guò)數(shù)字鉆探試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了巖石室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，獲取了不同強(qiáng)度巖石試件的隨鉆參數(shù)與力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用SVM方法建立了隨鉆參數(shù)與巖石UCS的關(guān)系模型，通過(guò)巖石鉆進(jìn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了基于SVM方法建立的隨鉆參數(shù)與UCS關(guān)系模型的表現(xiàn)性能，形成了基于數(shù)字鉆探的巖石UCS測(cè)定方法。
　　巖石鉆進(jìn)試驗(yàn)與單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)比分析表明，驗(yàn)證集中關(guān)系模型預(yù)測(cè)的UCS和單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)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(guān)系模型在巖石UCS預(yù)測(cè)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(guān)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(cè)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(xué)模型，基于虛功原理推導(dǎo)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(guān)系式。系統(tǒng)開(kāi)展了不同方案下石灰?guī)r試件的鉆進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)比分析鉆進(jìn)試驗(yàn)的隨鉆參數(shù)與理論計(jì)算的對(duì)應(yīng)參數(shù)，石灰?guī)r各方案平均差異率ξ均低于10％，驗(yàn)證了

6、隨鉆參數(shù)與巖石c-φ參數(shù)關(guān)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(guān)系式，結(jié)合得到的巖石UCS數(shù)字鉆探測(cè)定方法，提出了巖石c-φ參數(shù)的數(shù)字鉆探測(cè)定方法。該方法操作簡(jiǎn)單，可同時(shí)對(duì)地下工程巖石UCS和c-φ參數(shù)進(jìn)行快速、有效測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了巖石力學(xué)參數(shù)的“隨鉆隨測(cè)，準(zhǔn)確全面”。
　　通過(guò)對(duì)數(shù)字鉆探測(cè)定方法與傳統(tǒng)三軸壓縮試驗(yàn)方法測(cè)定的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文提出的巖石c-φ參數(shù)數(shù)字測(cè)定方法的有效性和可