用于估计岩石性能的机械冲击压入试验
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关键词 ：微 型隧道 、掘进机 、岩石 、可钻性
１ 简介
冲击压人试验 ，期初意图提供一个直接的方 法来测 试在圆盘刀具上的正常负荷 ，在六十年代 末 被 发 展 为提 供 直 接 的实 验 室 方 法 来 调 查 岩 石 在 压 头 下 的 变 形 （Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ，１９７０）。 自从 它 初 级 发展 ，其测试过程和数据评估经过 了大量 的重大 修 改 和 改 造 （Ｈａｍｉｌｔｏｎ ａｎｄ Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ，１９７１；Ｓｚｗｅｄｚ ｉｃｋ，１９９８；Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ等 人 ．，１９９８；Ｙａｇｉｚ，２００２１Ｃｏｐｕｒ 等 人 ．，２００３；Ｙａｇｉｚ等 人 ．，２００８；Ｙａｇｉｚ，２００９）。Ｓｚｗｅｄｚｉｃｋ （１９９８）采用试验测量岩石硬度 ，并表示这种方法可 以被 用来 预测 岩石 的切 削加 工性 。Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ（１９９８） 等人 表明 ，冲击压人试验为研究在压头下 的岩石 变 形 提 供 定 性 数 据 ；然 而 ，他 没 有 创 立 任 何 量 化 岩石韧性 、脆 性或 硬度 的方 法。Ｙａｇｉｚ ｆ２００２）使 用 测 试 结 果 ， 脆 性 指 数 一 一 改 性 ＣＳＭ 模 型 的 输 人 参 数之 一 ，来 估计 ＴＢＭ掘 进 。Ｃｏｐｕｒ等 人 （２００３）介绍 了冲击压人（压痕 ）试验 的脆性指数 ， 该 指 数基 于 冲击 力增 长 至减 少 的速 率 。后 来 ， Ｙａｇｉｚ（２００９）也表 示 ，冲击压 人试验 可 以被 直 接 应 用 于测量 岩 石脆 性 ，该 实 验拥 有估 计 隧道 掘进 机 钻进 速 率 的 巨大 潜 力 。此 外 ，Ｙａｇｉｚ和 Ｒｏｓｔａｍｉ（２０１２）指 出 ，观 察 到 曲 线 的锯 齿 形 变 化 和监 测 到力学 上 的增 加 和突 然下 降 ，这 是岩 石 脆性 的一个好 的代表 。
第 ２期
１２
２０１６年 ４月
非 开 挖 技 术
Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１６
用于估计岩石 性能 的机械 冲击压入试 验
Ｓａｆｆｅｔ Ｙａｇｉｚ 著 迪娜 ·木拉提 译
摘 要 ：本文回顾 了冲击压入试验作为一种 实验 室试验方法的历 史，该方法可 以对完整岩石样品进行 机械压入 速率测试 ，例如 隧道掘进机 （ＴＢＭ ）和微 型隧道掘进机 （ＭＴＢＭ ）压入岩体 。文章讨 论 了一些 方 法，这些方法 以各种 目的被 用来评估测试结果 ，以及这 些测试是如何被 用来评估某种确定的岩石性质 ， 如硬度 、脆性 、韧性等。本文表 明的结果是 ，压入试验 可被 用来作 为一种 实验 室工具 来评价岩石可钻性 ， 并且具有成 为一 个标 准测试 以指 导测量岩石脆性 的可能性 ，也 可以被 用来预测机械性 能。
２试验程序
冲击 压入 试 验是 通 过利 用 不 同 的评 价 技 术 研 究 各 种 岩 石 特 性 的方 法 之一 ，特 性 如 脆 性 、韧 性 、 硬 度 和 可 钻 性 （Ｈａｍｉｌｔｏｎ 和 Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ，１９７１； Ｓｚｗｅｄｚｉｃｋｉ，１９９８；Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ 等 人 １．１９９８；Ｙａｇｉｚ 和 Ｏｚｄｅｍｉｒ ２００１，Ｙａｇｉｚ，２００２；Ｃｏｐｕｒ等 人 ，２００３；Ｙａｇｉｚ， ２００８）。这种 评 价 由测 试 结 果 得 到 的 冲击 力 一压 入 深 度 曲线 图是 十 分 关 键 的 ，因 为 测 试 结 果 描 述 了 各种岩石 的特性 。第一个试验装置被设计 ，测试 程序 由 Ｈａｍｉｌｔｏｎ和 Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ ｆ１９７１）在一个论文里 给 出。 此 后 ，这 种 测 试 被 用 于 不 同的 目的 ，且 不 指定 某 种 确定 岩 石性 质 （Ｓｚｗｅｄｚｉｃｋｉ，１９９８；Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ 等人 ．，１９９８；Ｙａｇｉｚ，２００２；Ｃｏｐｕｒ等人 ．，２００３）。最 早 的方 法 ，这种 测试 通 过 冲击 力 一压 人深 度 图 （图 １）的最佳拟合 曲线 的斜率进行了岩石可钻性检测 。
ａｎｄ Ｄａｓ，１ ９７４；Ｇｏｋｔａｎ １ ９９ １；Ｅｖａｎｓ ａｎｄ Ｐｏｍｅｒｏｙ，
１９９６；Ｋａｈｒａｍａｎａｎｄ Ａｈｉｎｄａｇ，２００４）间接 地确 定脆 性 通 过 采 用 几 种 方 法 。Ｓｃｈｗａａｚ（１９６４）对 印 度 石 灰 石 完整岩石样品进行了一系列的三轴测试。他定义 ， 从脆 性 到韧性 变形 的转 化 出现在 主应 力 比约 为 ４－３。 Ｈａｔｅｎｙｉ（１９６６）将 脆 性 定 义 为 延 展 性 不 足 。Ｒａｍｓａｙ （１９６７）说 由于岩石 内部凝聚力被破坏 ，岩石可以被 认 为是 胞 ｌ生。Ｈｕｃｋａ ａｎｄ Ｄａｓ（１９７４１推荐 低 的伸长 率 ， 断 裂失 效 ，更 大 的内摩擦 角 ，压 痕处裂 纹 的形成 ， 更高的单轴压缩强度 与巴西抗拉强度之 比表明更 高 的脆性值 。Ｇｏｋｔａｎ（１９９１）说 明，脆性 岩石应 该 有 一 个 比更 脆 的岩 石 更 低 的 比 能。Ａｌｔｉｎｄａｇ（２００３） 推荐 了一个脆性 间接测量值 ，该值从岩石单轴压 缩强度 （ＵＣＳ）和巴西抗拉强度 （ＢＴＳ）中获得 。 Ｅｖａｎｓ ａｎｄ Ｐｏｍｅｒｏｙ（１９９６）发 现 ，刀具选 择 的 冲击 能 量 与 脆 性 成 反 比 。在 文 献 中 ，岩 石 大 多 数 的脆 性 值 通 过 各 种 单 轴 压 缩 强 度 与 巴西 抗 拉 强 度 之 比计 算 。因 此 ，冲击 压 人 测 试 是 仅 有 的在 实 验 室 环 境 直接测量岩石脆性 的测试 ，这种测试也可 以被用 来估算岩体 的机械提升。
脆 性—— 是 几个 岩 石性 质 的组 合 而不 是 只 一 个 岩 石 性 质 ，是 对 岩 石 力 学 应 用 如 机 械 隧 道 的 ，最 关 键 的 岩 石参 数 。尽 管 如 此 ，岩 石 力 学 界 并没有约定统一 的描述或测量脆性 。许多研究者 （Ｓｃｈｗａｒｔｚ，１９６４；Ｈａｔｅｎｙｉ １９６６；Ｒａｍｓａｙ １９６７；Ｈｕｃｋａ
第 ２期
Ｓａｆｆｅｔ Ｙａຫໍສະໝຸດ ｉｚ 著 迪娜 ·木拉提 译 ：用 于估计 岩石 性能的机械冲击压入试 验
１３
在 这 项 研 究 中 ，通 过 用 冲击 压 人试 验 而 发 展 的岩石 脆性指数 ，和微 型隧道机 （ＴＢＭ）掘进 ， 这两者之 间的相互作用通过各种隧道过程而被检 验 。脆 性指 数 （ＢＩ）和机 械钻 速 （ＲＯＰ）之 间 的联 系被讨论 ，并且 测试 程序和数据分析方法从岩体 微型隧道的规模角度得到评估 。
１ 简介
冲击压人试验 ，期初意图提供一个直接的方 法来测 试在圆盘刀具上的正常负荷 ，在六十年代 末 被 发 展 为提 供 直 接 的实 验 室 方 法 来 调 查 岩 石 在 压 头 下 的 变 形 （Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ，１９７０）。 自从 它 初 级 发展 ，其测试过程和数据评估经过 了大量 的重大 修 改 和 改 造 （Ｈａｍｉｌｔｏｎ ａｎｄ Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ，１９７１；Ｓｚｗｅｄｚ ｉｃｋ，１９９８；Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ等 人 ．，１９９８；Ｙａｇｉｚ，２００２１Ｃｏｐｕｒ 等 人 ．，２００３；Ｙａｇｉｚ等 人 ．，２００８；Ｙａｇｉｚ，２００９）。Ｓｚｗｅｄｚｉｃｋ （１９９８）采用试验测量岩石硬度 ，并表示这种方法可 以被 用来 预测 岩石 的切 削加 工性 。Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ（１９９８） 等人 表明 ，冲击压人试验为研究在压头下 的岩石 变 形 提 供 定 性 数 据 ；然 而 ，他 没 有 创 立 任 何 量 化 岩石韧性 、脆 性或 硬度 的方 法。Ｙａｇｉｚ ｆ２００２）使 用 测 试 结 果 ， 脆 性 指 数 一 一 改 性 ＣＳＭ 模 型 的 输 人 参 数之 一 ，来 估计 ＴＢＭ掘 进 。Ｃｏｐｕｒ等 人 （２００３）介绍 了冲击压人（压痕 ）试验 的脆性指数 ， 该 指 数基 于 冲击 力增 长 至减 少 的速 率 。后 来 ， Ｙａｇｉｚ（２００９）也表 示 ，冲击压 人试验 可 以被 直 接 应 用 于测量 岩 石脆 性 ，该 实 验拥 有估 计 隧道 掘进 机 钻进 速 率 的 巨大 潜 力 。此 外 ，Ｙａｇｉｚ和 Ｒｏｓｔａｍｉ（２０１２）指 出 ，观 察 到 曲 线 的锯 齿 形 变 化 和监 测 到力学 上 的增 加 和突 然下 降 ，这 是岩 石 脆性 的一个好 的代表 。
第 ２期
１２
２０１６年 ４月
非 开 挖 技 术
Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１６
用于估计岩石 性能 的机械 冲击压入试 验
Ｓａｆｆｅｔ Ｙａｇｉｚ 著 迪娜 ·木拉提 译
摘 要 ：本文回顾 了冲击压入试验作为一种 实验 室试验方法的历 史，该方法可 以对完整岩石样品进行 机械压入 速率测试 ，例如 隧道掘进机 （ＴＢＭ ）和微 型隧道掘进机 （ＭＴＢＭ ）压入岩体 。文章讨 论 了一些 方 法，这些方法 以各种 目的被 用来评估测试结果 ，以及这 些测试是如何被 用来评估某种确定的岩石性质 ， 如硬度 、脆性 、韧性等。本文表 明的结果是 ，压入试验 可被 用来作 为一种 实验 室工具 来评价岩石可钻性 ， 并且具有成 为一 个标 准测试 以指 导测量岩石脆性 的可能性 ，也 可以被 用来预测机械性 能。
２试验程序
冲击 压入 试 验是 通 过利 用 不 同 的评 价 技 术 研 究 各 种 岩 石 特 性 的方 法 之一 ，特 性 如 脆 性 、韧 性 、 硬 度 和 可 钻 性 （Ｈａｍｉｌｔｏｎ 和 Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ，１９７１； Ｓｚｗｅｄｚｉｃｋｉ，１９９８；Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ 等 人 １．１９９８；Ｙａｇｉｚ 和 Ｏｚｄｅｍｉｒ ２００１，Ｙａｇｉｚ，２００２；Ｃｏｐｕｒ等 人 ，２００３；Ｙａｇｉｚ， ２００８）。这种 评 价 由测 试 结 果 得 到 的 冲击 力 一压 入 深 度 曲线 图是 十 分 关 键 的 ，因 为 测 试 结 果 描 述 了 各种岩石 的特性 。第一个试验装置被设计 ，测试 程序 由 Ｈａｍｉｌｔｏｎ和 Ｈａｎｄｅｗｉｔｈ ｆ１９７１）在一个论文里 给 出。 此 后 ，这 种 测 试 被 用 于 不 同的 目的 ，且 不 指定 某 种 确定 岩 石性 质 （Ｓｚｗｅｄｚｉｃｋｉ，１９９８；Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ 等人 ．，１９９８；Ｙａｇｉｚ，２００２；Ｃｏｐｕｒ等人 ．，２００３）。最 早 的方 法 ，这种 测试 通 过 冲击 力 一压 人深 度 图 （图 １）的最佳拟合 曲线 的斜率进行了岩石可钻性检测 。
ａｎｄ Ｄａｓ，１ ９７４；Ｇｏｋｔａｎ １ ９９ １；Ｅｖａｎｓ ａｎｄ Ｐｏｍｅｒｏｙ，
１９９６；Ｋａｈｒａｍａｎａｎｄ Ａｈｉｎｄａｇ，２００４）间接 地确 定脆 性 通 过 采 用 几 种 方 法 。Ｓｃｈｗａａｚ（１９６４）对 印 度 石 灰 石 完整岩石样品进行了一系列的三轴测试。他定义 ， 从脆 性 到韧性 变形 的转 化 出现在 主应 力 比约 为 ４－３。 Ｈａｔｅｎｙｉ（１９６６）将 脆 性 定 义 为 延 展 性 不 足 。Ｒａｍｓａｙ （１９６７）说 由于岩石 内部凝聚力被破坏 ，岩石可以被 认 为是 胞 ｌ生。Ｈｕｃｋａ ａｎｄ Ｄａｓ（１９７４１推荐 低 的伸长 率 ， 断 裂失 效 ，更 大 的内摩擦 角 ，压 痕处裂 纹 的形成 ， 更高的单轴压缩强度 与巴西抗拉强度之 比表明更 高 的脆性值 。Ｇｏｋｔａｎ（１９９１）说 明，脆性 岩石应 该 有 一 个 比更 脆 的岩 石 更 低 的 比 能。Ａｌｔｉｎｄａｇ（２００３） 推荐 了一个脆性 间接测量值 ，该值从岩石单轴压 缩强度 （ＵＣＳ）和巴西抗拉强度 （ＢＴＳ）中获得 。 Ｅｖａｎｓ ａｎｄ Ｐｏｍｅｒｏｙ（１９９６）发 现 ，刀具选 择 的 冲击 能 量 与 脆 性 成 反 比 。在 文 献 中 ，岩 石 大 多 数 的脆 性 值 通 过 各 种 单 轴 压 缩 强 度 与 巴西 抗 拉 强 度 之 比计 算 。因 此 ，冲击 压 人 测 试 是 仅 有 的在 实 验 室 环 境 直接测量岩石脆性 的测试 ，这种测试也可 以被用 来估算岩体 的机械提升。
脆 性—— 是 几个 岩 石性 质 的组 合 而不 是 只 一 个 岩 石 性 质 ，是 对 岩 石 力 学 应 用 如 机 械 隧 道 的 ，最 关 键 的 岩 石参 数 。尽 管 如 此 ，岩 石 力 学 界 并没有约定统一 的描述或测量脆性 。许多研究者 （Ｓｃｈｗａｒｔｚ，１９６４；Ｈａｔｅｎｙｉ １９６６；Ｒａｍｓａｙ １９６７；Ｈｕｃｋａ
第 ２期
Ｓａｆｆｅｔ Ｙａຫໍສະໝຸດ ｉｚ 著 迪娜 ·木拉提 译 ：用 于估计 岩石 性能的机械冲击压入试 验
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在 这 项 研 究 中 ，通 过 用 冲击 压 人试 验 而 发 展 的岩石 脆性指数 ，和微 型隧道机 （ＴＢＭ）掘进 ， 这两者之 间的相互作用通过各种隧道过程而被检 验 。脆 性指 数 （ＢＩ）和机 械钻 速 （ＲＯＰ）之 间 的联 系被讨论 ，并且 测试 程序和数据分析方法从岩体 微型隧道的规模角度得到评估 。