本发明涉及一种考虑软质岩风化程度的点荷载强度等效面积试验方法。
背景技术：
单轴抗压强度是岩石强度分类、岩体风化分带的重要指标，必须通过在实验室进行单轴抗压强度试验获取。而单轴抗压强度的试样通常需要在现场钻取岩芯，再运送到实验室切割打磨；其试样制备过程困难复杂。对于软弱、严重风化、节理发育的岩石，由于不能正常取出完整岩芯或无法加工成标准试样，很难采用标准的岩石试验方法测定强度。
面临这一难题，国际岩石力学学会(isrm)制定了点荷载强度试验的方法，将试样置于点荷载强度试验仪的两加载锥之间，施加集中点荷载使试样破坏，求出岩石的点荷载强度，然后换算为单轴抗压强度。由于所需破坏荷载较小，点荷载强度试验仪体积小、质量轻、携带方便，在室内外或现场均可进行试验。试验对试样的要求也较低，用铁锤对岩块略加修整即可，大大降低了试样的制作成本，提高了试验效率。对标准试验无法进行的岩石强度测定提供了便利，得到了广泛应用。
点荷载强度试验方法的原理为：压应力只分布在试样加载点附近及表面一定深度，大范围内表现为侧向的均匀拉应力，最终呈拉裂破坏。点荷载强度的力学实质为试样在两加载锥之间的单位破坏面积上所能承受的最大拉应力。对于均质规整方块体试样，当试样的厚度d和平均宽度w位于规范限定范围时，在点荷载作用下应沿过两加载点的最小截面破坏，此时实际承受拉应力的面积等于试样的厚度d(两加载锥之间的距离、加载点间距)与该最小截面平均宽度w(最小截面的顶部宽度和底部宽度的平均值)的乘积，从而点荷载强度的计算式为is＝p/(wd)；其中is为点荷载强度，p为破坏荷载(试样破坏时，加载锥上施加的压力)。
对于均质规整方块体，试验的应力集中截面是过两加载点的最小截面，故其实际破坏截面会与最小截面重合；点荷载强度试验得出的点荷载强度是准确和可靠的。但对于软质岩，其实际破坏截面会与过两加载点附近的脆弱截面重合，而脆弱截面往往不与最小截面重合，实际破坏截面通常会偏离最小截面，也即其实际破坏截面积往往大于最小截面积，测得的点荷载强度is的计算值偏大；并且随着风化程度的加重，风化软质岩的这种偏差越大，其测出的点荷载强度is作为岩石强度分类、岩体风化分带的依据不可靠、不准确。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种考虑风化程度的软质岩点荷载强度等效面积试验方法，该方法测出的点荷载强度值与风化软质岩的实际点荷载强度更接近，测试值更可靠、准确，能为岩石强度分类、岩体风化分带提供更可靠、更准确的试验依据。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种考虑风化程度的软质岩点荷载强度等效面积试验方法，包括以下步骤：
a、试样准备：
选取长条状的厚度方向垂直于层理的风化软质岩体作为试样，取试样中心附近的上、下两点作为加载点，测量并记载试样过两加载点的最小截面的平均宽度和加载点间距，测量准确至0.1mm；且加载点间距小于等于15mm，大于等于100mm、加载点间距与平均宽度之比为0.3-1.0；
b、点荷载强度试验：
将a步的试样进行点荷载强度试验，记载破坏荷载；试验后破坏截面贯穿整个试样并通过两加载点的为有效试验；
c、重复a步、b步的操作，直至有效试验数n大于等于10个；
d、试样点荷载强度的计算：
由下式得出第n次有效试验的试样的点荷载强度isn，
isn＝pn/(ψwndn)
式中，下标n表示有效试验的序号，n＝1,2,3,...,n；pn为第n次有效试验的破坏荷载、wn为第n次有效试验的试样过两加载点的最小截面的平均宽度、dn为第n次有效试验的试样的加载点间距；
ψ为等效面积系数，对于有少量风化痕迹，没有疏松物质的微风化软质岩体ψ取1.40；对层理清晰，但节理裂隙明显，裂隙里填充着少量风化物，用镐难以挖掘，用岩芯钻方可钻进的弱风化软质岩体ψ取1.43；对层理不清晰，用镐可以挖掘的强风化软质岩体ψ取1.46；
e、风化软质岩点荷载强度的计算：
将各次有效试验的试样的点荷载强度isn中的最大值、次最大值、最小值、次最小值去掉，再求出剩余的有效试验的试样的点荷载强度isn的平均值，即为不规则软质岩的点荷载强度is。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
申请人研究发现，对于软质岩，点荷载强度试验时，其实际破坏截面不会与最小截面重合，其实际破坏截面积大于最小截面积。并且随着风化程度的加重，这种偏差会加大：对风化程度微、弱和强的软质岩，其实际破坏截面积与最小截面积的比值的期望值分别为1.40、1.43和1.46；或者说不规则软质岩点荷载强度试验的等效面积系数ψ，按岩样的微、弱和强风化程度分别取1.40、1.43和1.46。进而构建出考虑软质岩风化程度的点荷载强度试验的点荷载强度修正表达式is＝p/(ψwd)。使得表达式中的计算面积ψwd更接近于实际破坏截面积，测出的点荷载强度is值更准确，能为岩石强度分类、岩体风化分带提供更可靠、更准确的试验依据。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种考虑风化程度的软质岩点荷载强度等效面积试验方法，包括以下步骤：
a、试样准备：
选取长条状的厚度方向垂直于层理的风化软质岩体作为试样，取试样中心附近的上、下两点作为加载点，测量并记载试样过两加载点的最小截面的平均宽度和加载点间距，测量准确至0.1mm；且加载点间距小于等于15mm，大于等于100mm、加载点间距与平均宽度之比为0.3-1.0；
b、点荷载强度试验：
将a步的试样进行点荷载强度试验，记载破坏荷载；试验后破坏截面贯穿整个试样并通过两加载点的为有效试验；
c、重复a步、b步的操作，直至有效试验数n大于等于10个；
d、试样点荷载强度的计算：
由下式得出第n次有效试验的试样的点荷载强度isn，
isn＝pn/(ψwndn)
式中，下标n表示有效试验的序号，n＝1,2,3,...,n；pn为第n次有效试验的破坏荷载、wn为第n次有效试验的试样过两加载点的最小截面的平均宽度、dn为第n次有效试验的试样的加载点间距；
ψ为等效面积系数，对于有少量风化痕迹，没有疏松物质的微风化软质岩体ψ取1.40；对层理清晰，但节理裂隙明显，裂隙里填充着少量风化物，用镐难以挖掘，用岩芯钻方可钻进的弱风化软质岩体ψ取1.43；对层理不清晰，用镐可以挖掘的强风化软质岩体ψ取1.46；
e、风化软质岩点荷载强度的计算：
将各次有效试验的试样的点荷载强度isn中的最大值、次最大值、最小值、次最小值去掉，再求出剩余的有效试验的试样的点荷载强度isn的平均值，即为不规则软质岩的点荷载强度is。
试验验证
使用微、弱和强风化程度的软质千枚岩试样，按现有的点荷载强度试验方法测出微、弱和强风化程度的软质岩的点荷载强度分别为3.88mpa、2.00mpa、0.85mpa，按本发明方法测得的点荷载强度为1.29mpa、0.76mpa、0.31mpa；同时，对试验后的试样的实际破坏截面积进行精确测量、计算得出其实际破坏截面积值，作为荷载承受面积，得出实际的微、弱和强风化程度软质岩点荷载强度分别为1.31mpa、0.69mpa、0.30mpa。与实际的点荷载强度相比，本发明方法的误差分别为(1.29-1.31)/1.31＝-1.5％、(0.76-0.69)/0.69＝10.1％、(0.31-0.30)/0.30＝3.3％,而现有的点荷载强度试验方法误差分别为(3.88-1.31)/1.31＝196.2％、(2.00-0.69)/0.69＝189.9％、(0.85-0.30)/0.30＝183.3％。可见，本发明方法的误差远低于现有的点荷载强度试验方法。