一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)及表征巖體特性的試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)及表征巖體特性的試驗(yàn)方法，該方法對(duì)同一試件上多個(gè)鉆孔各自取出巖芯，分別對(duì)這些巖芯實(shí)施單軸試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，得出多組力學(xué)性質(zhì)參，根據(jù)可直接測(cè)量出隨鉆參數(shù)的真三軸巖石鉆探測(cè)試儀得出多組隨鉆參數(shù)，建立力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與隨鉆參數(shù)之間的關(guān)系式，通過該關(guān)系式只需對(duì)巖體探測(cè)隨鉆參數(shù)即可得出巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。本發(fā)明以多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試儀為預(yù)設(shè)試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)儀具備對(duì)試件進(jìn)行真三軸加載的功能，能模擬試件在地下工程中三向圍壓狀態(tài)下鉆機(jī)鉆進(jìn)過程；本發(fā)明可建立不同圍壓下試件的隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)特性的相關(guān)關(guān)系等目標(biāo)，提供了從試件制備到數(shù)據(jù)處理詳盡的試驗(yàn)方法。
【專利說明】
一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)及表征巖體特性的試驗(yàn) 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程勘察技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系 統(tǒng)及表征巖體特性的試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，基礎(chǔ)性建設(shè)快速發(fā)展，在修建隧道、 地鐵或巷道時(shí)，需要對(duì)隧道、地鐵或巷道進(jìn)行支護(hù)，保證地下工程的穩(wěn)定，防止事故的發(fā)生， 而地下工程支護(hù)形式、支護(hù)強(qiáng)度需要根據(jù)地下工程圍巖的力學(xué)性質(zhì)確定，而目前對(duì)于圍巖 力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的獲取，仍采用在現(xiàn)場鉆取巖芯，并將巖芯在室內(nèi)進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)等常規(guī) 的方法，缺少一種快速有效的測(cè)試圍巖力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)方法。
[0003] 現(xiàn)有的圍巖力學(xué)性質(zhì)探測(cè)方法主要存在以下不足：
[0004] -、現(xiàn)有鉆探裝置為靜力觸探，其探頭的探入方式是直接壓入式的，對(duì)粉土、砂土 和軟巖可以直接鉆探，而對(duì)于較硬的巖土層不易鉆探。
[0005] 二、所考慮的鉆探影響因素相對(duì)比較單一，不能考慮三向應(yīng)力對(duì)鉆探過程的影響。
[0006] 三、如利用巖芯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的方法，巖芯脫離原環(huán)境，其 測(cè)得的圍巖力學(xué)參數(shù)與真實(shí)的力學(xué)參數(shù)存在一定誤差。
[0007] 因此，急需建立一種科學(xué)的基于多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試儀的圍巖力學(xué)性質(zhì)試 驗(yàn)方法，探索三向壓力狀態(tài)下隨鉆參數(shù)與圍巖力學(xué)參數(shù)、巖體完整性參數(shù)的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了提供一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，可以完成多向圍 壓條件下鉆機(jī)鉆進(jìn)和鉆進(jìn)過程中的鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。
[0009] 還提供了一種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法利用鉆 機(jī)隨鉆參數(shù)(鉆進(jìn)速率、扭矩、轉(zhuǎn)速、軸壓力、鉆進(jìn)比功)來表征巖體特性，可用于建立隨鉆參 數(shù)與巖體力學(xué)性質(zhì)(單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量）、巖體完整性參數(shù)RQD的關(guān) 系，為探測(cè)巖體的性能提供一定的方便性，可節(jié)約對(duì)巖芯進(jìn)行三軸試驗(yàn)和單軸試驗(yàn)的時(shí)間。
[0010] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] 本發(fā)明提供的第一個(gè)方案是：一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，包括壓力加 載裝置、鉆機(jī)單元、監(jiān)測(cè)控制單元和液壓栗，其中，所述液壓栗向壓力加載裝置提供動(dòng)力，所 述壓力加載裝置對(duì)放置于其中的巖石試件施加圍壓；
[0012] 所述鉆機(jī)單元設(shè)置于壓力加載裝置上端，對(duì)三向圍壓加載下的巖石試件進(jìn)行鉆 進(jìn)；
[0013] 所述監(jiān)測(cè)控制單元控制壓力加載裝置施加壓力，同時(shí)控制鉆機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速、軸 壓和位移兩組值中的任一個(gè)。
[0014] 所述壓力加載裝置，包括壓力室，所述壓力室外側(cè)設(shè)置有圍壓加載裝置，對(duì)巖石試 件施加圍壓。
[0015] 所述反力架下固定連接有平臺(tái)板，平臺(tái)板直接與巖石試件接觸，平臺(tái)板和反力架 中部設(shè)置預(yù)留孔，使鉆機(jī)鉆桿通過。
[0016] 所述壓力室下端為承載其與巖石試件的試件平臺(tái)，所述試件平臺(tái)下中部位置焊接 有方形框卡槽，其內(nèi)尺寸與軸向加載板尺寸一致，活塞桿推動(dòng)軸向加載板卡入試件平臺(tái)下 的方形框卡槽內(nèi)，防止試件與試件平臺(tái)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
[0017] 進(jìn)一步的，所述圍壓加載裝置，包括兩組垂直設(shè)置的側(cè)向加載板組，每組側(cè)向加載 板組包括兩個(gè)相對(duì)、平行布設(shè)的側(cè)向加載板，兩組側(cè)向加載板組形成矩形加載架構(gòu)，以包圍 住壓力室。
[0018] 所述兩組側(cè)向加載板組的施加壓力不同或相同。
[0019] 所述圍壓加載裝置，還包括側(cè)向液壓油缸，液壓油缸驅(qū)動(dòng)活塞桿推動(dòng)側(cè)向加載板 給試件施加水平向壓力，所述側(cè)向液壓油缸外側(cè)設(shè)置有側(cè)向反力板。
[0020] 所述側(cè)向液壓油缸嵌固于支撐立板中，側(cè)向液壓油缸端部頂住側(cè)向反力板，側(cè)向 反力板與支撐立板固接，四個(gè)支撐立板固接與側(cè)向反力板一起組成圍壓加載支撐框架，為 側(cè)向液壓油缸提供支撐反力。
[0021 ]所述鉆機(jī)單元，包括鉆機(jī)，所述鉆機(jī)嵌入鉆機(jī)滑軌中，鉆機(jī)沿鉆機(jī)滑軌沿軸向上下 移動(dòng)，鉆機(jī)滑軌通過鉆機(jī)滑軌固定板固定于試件頂部的反力架上，鉆機(jī)與鉆機(jī)伺服電機(jī)固 接在一起，在上部液壓桿的推動(dòng)或拉動(dòng)下，向下或者向上運(yùn)動(dòng)。
[0022]所述鉆機(jī)伺服電機(jī)為鉆機(jī)提供旋轉(zhuǎn)力，液壓桿為鉆機(jī)提供向下的壓力，鉆機(jī)鉆頭 鉆桿通過試件頂部的反力架和加載板的預(yù)留孔，與試件接觸，發(fā)生鉆進(jìn)作用。
[0023 ]所述監(jiān)測(cè)控制單元，包括監(jiān)測(cè)單元，具體包括檢測(cè)四個(gè)方向上側(cè)向圍壓大小的側(cè) 向圍壓傳感器、檢測(cè)側(cè)向加載板移動(dòng)距離的側(cè)向位移傳感器、檢測(cè)鉆機(jī)扭矩的鉆機(jī)扭矩傳 感器、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的鉆機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、鉆機(jī)向下施加壓力大小的鉆機(jī)壓力傳感器和鉆機(jī)上下 移動(dòng)距離的鉆機(jī)位移傳感器。
[0024] 所述監(jiān)測(cè)控制單元，包括控制單元，具體包括邏輯控制器、功率放大器和伺服電 機(jī)，所述邏輯控制器接受傳感器的信號(hào)，與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，并發(fā)出電壓指令，經(jīng)過功率放 大器，控制伺服電機(jī)工作，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制圍壓以及鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速、軸壓和位移兩 組值中的任一個(gè)。
[0025] 優(yōu)選的，所述側(cè)向加載板內(nèi)側(cè)放置特制鋼材加熱板，加熱板內(nèi)部設(shè)有彎形管路，在 加熱板一側(cè)面上端焊接管路入口，與之相對(duì)的側(cè)面下端焊接管路出口，使水蒸汽或者高溫 液體在管路中通過，從而對(duì)試件進(jìn)行加熱，而后進(jìn)行熱力耦合作用下試件力學(xué)性能的研究。
[0026] 所述鉆機(jī)為旋切式鉆機(jī)或沖擊式鉆機(jī)。旋切式鉆機(jī)的鉆頭可設(shè)置為取芯鉆頭也可 設(shè)置為不取芯鉆頭。
[0027] 本發(fā)明提供的另一個(gè)方案是：一種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方 法，利用多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試件實(shí)施鉆進(jìn)試驗(yàn)，得到試件的各隨鉆參數(shù)，再 在試件鉆進(jìn)試驗(yàn)鉆孔周邊，取出數(shù)組巖芯。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌瑢?duì)巖芯處理方法不同。
[0028] (1)測(cè)定巖芯的巖體完整性參數(shù)RQD值，建立巖體RQD值與隨鉆參數(shù)的關(guān)系式；
[0029] (2)分別對(duì)這些巖芯實(shí)施單軸試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，得出該試件力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，建立巖 體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與隨鉆參數(shù)之間的關(guān)系式。
[0030] 通過上述關(guān)系式只需通過巖體探測(cè)隨鉆參數(shù)即可得出巖體的完整性參數(shù)RQD值和 力學(xué)性質(zhì)參數(shù)；當(dāng)然，該關(guān)系式的曲線最好能存儲(chǔ)在真三軸巖石鉆探測(cè)試儀的監(jiān)測(cè)控制系 統(tǒng)內(nèi)，可實(shí)時(shí)根據(jù)關(guān)系式得出巖體的完整性參數(shù)和力學(xué)性能，簡單方便。
[0031] 進(jìn)一步地，為了測(cè)定巖芯試件力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，對(duì)所述的巖芯從上到下以IOOmm高度 的標(biāo)準(zhǔn)分為多段，即切割打磨并制作成巖石標(biāo)準(zhǔn)試件，分別得出各段的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。
[0032] 進(jìn)一步地，建立巖體完整性參數(shù)RQD值與隨鉆參數(shù)的關(guān)系式時(shí)，所用試件為破碎巖 體試件。
[0033] 進(jìn)一步地，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，具體步驟如下：
[0034]步驟1)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，確定影響三向圍壓加載鉆探的巖體基本因素，設(shè)計(jì)合理的 試驗(yàn)方案；
[0035]步驟2)根據(jù)試驗(yàn)方案，制備相應(yīng)的試驗(yàn)試件；
[0036] 步驟3)對(duì)制備的試件進(jìn)行三向圍壓鉆探試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，采集試件鉆探過程 中隨鉆參數(shù)，并取得試件的巖芯；
[0037] 根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康模襟E4)將分為兩種情況：
[0038]步驟4a)對(duì)試件巖芯的取芯率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)定試件的完整性參數(shù)RQD值；
[0039]步驟4b)對(duì)從試件中所取得巖芯進(jìn)行切割打磨，制作數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試件，并進(jìn)行三 軸試驗(yàn)和單軸試驗(yàn)，測(cè)定試件材料的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)；
[0040] 步驟5)對(duì)采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，然后建立處理后的數(shù)據(jù)與同深度巖石力學(xué)性 質(zhì)、巖體完整性參數(shù)的關(guān)系。
[0041] 進(jìn)一步地，所述隨鉆參數(shù)包括鉆機(jī)鉆進(jìn)速率、扭矩、轉(zhuǎn)速、軸壓和推導(dǎo)得出的鉆進(jìn) 比功;所述巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比、內(nèi)摩擦角、彈性模量;所述巖體 完整性參數(shù)用RQD值表示。
[0042] 步驟1)中所述試驗(yàn)?zāi)康?，包括A.建立不同圍壓下試件的隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)特性 的關(guān)系，B.建立巖體完整性參數(shù)RQD值與隨鉆參數(shù)的關(guān)系；
[0043]步驟2)中，針對(duì)建立不同圍壓下試件的隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)特性的關(guān)系試驗(yàn)，所 述試驗(yàn)試件可為完整巖體試件、裂隙巖體試件；
[0044] 所述完整巖體試件指不同類型天然巖石按照多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)試 件尺寸要求進(jìn)行切割并打磨而制成；
[0045] 所述完整巖體試件指按照多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)試件尺寸要求，制作不 同強(qiáng)度的混凝土或者砂漿試件；
[0046] 所述裂隙巖體試件，根據(jù)試驗(yàn)方案中巖體中裂隙參數(shù)的要求，分別將不同角度、不 同厚度、不同間距的聚乙烯片預(yù)埋在巖體相似材料中，待初凝后將聚乙烯片從相似材料中 取出，待試樣凝固后脫模并放入特定環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。
[0047] 步驟1)中，針對(duì)建立巖體完整性參數(shù)RQD值與隨鉆參數(shù)的關(guān)系試驗(yàn)，所用試件為破 碎巖體試件，為將橫截面為300 X 300mm、上下面水平光滑的巖石與砂或者碎石層交替放置 于壓力室內(nèi)，并循環(huán)數(shù)層，每層巖石層和砂或者碎石層高度可根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行變化。 [0048]步驟3)中，所述巖芯，巖芯直徑為50mm，鉆探試驗(yàn)完成后，將試件取出，再用取芯鉆 機(jī)在試驗(yàn)孔周邊鉆取3~4個(gè)鉆孔，鉆孔編號(hào)k(k= 1，2，3···)。
[0049]步驟4a)中，所述對(duì)試件巖芯的取芯率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)定試件的RQD值，指先統(tǒng)計(jì)每個(gè) 鉆孔的RQD值，然后將每個(gè)鉆孔的RQD值的平均值作為試件的RQD值，所述每個(gè)鉆孔R(shí)QD值為， 每個(gè)鉆孔所取巖芯中大于IOcm的巖芯累計(jì)長度與鉆孔進(jìn)尺長度之比的百分?jǐn)?shù)。
[0050]步驟4b)中，所述測(cè)定試件材料的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，為將每個(gè)鉆孔的巖芯切割成 IOOmm高度的標(biāo)準(zhǔn)試件，從試件上部的標(biāo)準(zhǔn)試件到底端的標(biāo)準(zhǔn)試件依次標(biāo)號(hào)i，則第k孔第i 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件所代表在試件中的深度為l〇〇(i-l)~IOOi毫米，并且將同一標(biāo)號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)試件分 為一組，例如所有孔第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為第i組，對(duì)將第i組標(biāo)準(zhǔn)試件實(shí)施單軸試驗(yàn)和三軸試 驗(yàn)，得到第i組的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(單軸抗壓強(qiáng)度R。、粘聚力c、內(nèi)摩擦角Φ、彈性模量E)，作為 100(i-l)~IOOi毫米深度試件的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。
[0051 ]步驟5)中，針對(duì)建立巖體完整性參數(shù)RQD值與隨鉆參數(shù)的關(guān)系試驗(yàn)，對(duì)采集的數(shù)據(jù) 先進(jìn)行預(yù)處理，為將對(duì)巖體破碎程度敏感的轉(zhuǎn)速V和扭矩n/進(jìn)行處理，得到扭矩顯著率綴 和轉(zhuǎn)速顯著率F,得到扭矩破碎指標(biāo)QD m和轉(zhuǎn)速破碎指標(biāo)QDr。
[0052] 所述扭矩顯著率癒:和轉(zhuǎn)速顯著率f
[0053]
[0054]
[0055]式中k表示數(shù)據(jù)第k個(gè)采集點(diǎn)。
[0056] 所怵和鉭破硿指烷QFL和鮮逋破硿指標(biāo)QDr
[0057；
[0058；
[0059] 式中，Ilf表示某一個(gè)鉆孔中扭矩顯著率爾小于臨界值的第i段長度，^表示扭矩顯 著率指標(biāo)小于臨界值段之間且長度小于IOmm的段中編號(hào)j的段長度。Iif表示某一個(gè)鉆孔中 轉(zhuǎn)速顯著率纖大于臨界值的第i段長度，!|表示轉(zhuǎn)速兩顯著率指標(biāo)大于臨界值段之間且長 度小于IOmm的段中編號(hào)j的段長度，H為某一鉆孔的總長度。所述扭矩顯著率臨界值和轉(zhuǎn)速 顯著率臨界值為根據(jù)試驗(yàn)得到的，扭矩顯著率和轉(zhuǎn)速顯著率大于某一固定值時(shí)，判別到的 破碎巖體的保證率在95%，那么該固定值就是臨界值。
[0060] 步驟5)中，針對(duì)建立巖體完整性參數(shù)RQD值與隨鉆參數(shù)的關(guān)系試驗(yàn)，所述建立處理 后的數(shù)據(jù)與巖體完整性參數(shù)RQD的關(guān)系，為在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將試件的RQD值與扭 矩破碎指標(biāo)QDdP轉(zhuǎn)速破碎指標(biāo)QD r利用多元線性回歸的方法進(jìn)行公式擬合，最終擬合公式 的形式為：
[0061] RQD = e〇+0iQDm+^2QDr
[0062] 其中^、^、說都為回歸系數(shù)。
[0063] 步驟5)中，針對(duì)建立不同圍壓下試件的隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)特性的關(guān)系試驗(yàn)，所 述對(duì)采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，指將采集到的試件鉆進(jìn)速率/、扭矩n/、轉(zhuǎn)速V、軸壓Y和 推知的鉆進(jìn)比功V數(shù)據(jù)從試件上部到底部按IOOmm分段，第i段代表試件深度為100(i-l)~ IOOi毫米，將該段各指標(biāo)的算術(shù)平均值作為該段的代表值(鉆進(jìn)速率v、扭矩m、轉(zhuǎn)速r、軸壓η 和推知的鉆進(jìn)比功w)。
[0064] 步驟5)中所述建立處理后的數(shù)據(jù)與同深度巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，指通過逐步回歸 的方法分別回歸隨鉆參數(shù)代表值與巖石各個(gè)力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的最優(yōu)關(guān)系式，包括擬合單軸抗 壓強(qiáng)度R。與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式、擬合粘聚力c與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式、 擬合內(nèi)摩擦角Φ與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式和擬合彈性模量E與隨鉆參數(shù)代表值的最 優(yōu)關(guān)系式。上述四種關(guān)系式擬合方法和操作步驟相同，以擬合內(nèi)摩擦角Φ與隨鉆參數(shù)代表值 的最優(yōu)關(guān)系式為例，進(jìn)行說明，包括以下幾個(gè)步驟：
[0065] (1)明確自變量和因變量，計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，此步驟包括4個(gè)小步驟。
[0066] A.自變量為扭矩X1、轉(zhuǎn)速X2、軸壓力X3、鉆進(jìn)速率X4和鉆進(jìn)比功X 5因變量為內(nèi)摩擦角
yi，5兀Ip丨丨口招*刑豐1 *
[0067]
[0068] B.計(jì)算各變量的平均值
[0069] 對(duì)于自變量和因變量根據(jù)大量現(xiàn)場試驗(yàn)有η組數(shù)據(jù)，則各變量平均數(shù)
[0070]
[0071]
[0072] Xki表示第k次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，Xi的值。
[0073] C.計(jì)算離差陣
[0074]自變量平方和為SSi，自變量間及其因變量乘積和為SPij和SPiy
[0078] 于是得到正規(guī)方程組
[0075]
[0076]
[0077]
[0079]
[0080] D.計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣
[0081 ]在逐步回歸中為便于表達(dá)和計(jì)算，通常將離差陣化為相關(guān)陣，計(jì)算公式為
[0082] riy = SPij/(SSiSSj)0·5
[0083] 式中，i，j = l，2,3,4,5，riy為xi、X2、X3、X4、X5、y之間的相關(guān)系數(shù);相關(guān)系數(shù)矩陣為
[0084]
[0085]于是相關(guān)系數(shù)矩陣為
[0086] R(0) = [rij(0)]
[0087] 式中0代表原始相關(guān)系數(shù)。
[0088] (2)確定顯著性的F檢驗(yàn)水準(zhǔn)
[0089] 本試驗(yàn)樣本觀察數(shù)η遠(yuǎn)大于自變量個(gè)數(shù)m，則m個(gè)自變量被引入的個(gè)數(shù)對(duì)剩余自變 量自由度影響不大，此時(shí)選定一個(gè)固定F檢驗(yàn)值，不用更換，顯著水準(zhǔn)α不宜過小，如可選Q = 0.1A為顯著性水平為α?xí)r的F值，可查F檢驗(yàn)臨界值表得到。
[0090] (3)選取第1個(gè)自變量
[0091] Α.對(duì)5個(gè)自變量計(jì)算偏回歸平方和m
[0092] Ui = Tiy2/Γ?(? = 1,2,3,4,5)
[0093] m值越大表示該自變量被引入回歸方程后對(duì)方差的貢獻(xiàn)越大，該自變量最先引入 回歸方程，如將Xk引入回歸方程。
[0094] Β.引入自變量壯后，相關(guān)系數(shù)陣R(1)經(jīng)過下列公式變化，轉(zhuǎn)換為R(1+1)。
[0095]
[0096] (4)選取第2個(gè)自變量
[0097] A.計(jì)算各自變量回歸平方和
[0098] m⑵=[riy⑴]2/rii⑴（i = l，2,3,4,5)
[0099] 取除了已經(jīng)引用的Xk外，將其與自變量中Up中最大的自變量引入回歸方程，假如 為xu
[0100] B.對(duì)引入的自變量?進(jìn)行F檢驗(yàn)
[0101 ] Fi = U5 ⑵/[ (I-Uk ⑴-Ui⑵)/(η_2_1)]
[0102] 若Fi>Fa則引入XI，否則不引入。
[0103] C.引入Xi后，按R(1+1)公式進(jìn)行變化，將R(1)變化為R (2)。
[0104] D.對(duì)引入a和?進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)
[0105] 先計(jì)算出各偏回歸平方和及剩余平方和
[0106] m⑶=[riy⑵]Vrii⑵（i = l，2,3,4,5)
[0107] ^
，則XiJPx1都顯著并保留，否則剔除xk。
[0108] (5)重復(fù)第(4)步，直至取完所有自變量
[0109] (6)建立最優(yōu)回歸方程
[0110] 在逐步回歸分析中采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的量，即由相關(guān)系數(shù)求得的解P1為標(biāo)準(zhǔn)回歸系 數(shù)，再將其轉(zhuǎn)換為偏回歸系數(shù)bi，
[0111]
[0112] 假設(shè)Xk^i和χζ為被選自變量，bi、bk、bz為自變量相應(yīng)的偏回歸系數(shù)；
[0113]
[0114]
[0115]
[0116] 利用真三軸巖石鉆探測(cè)試儀進(jìn)行步驟3)中所述的鉆探試驗(yàn)，包括以下幾步：
[0117] 步驟A:將試驗(yàn)試件，放入到施加圍壓的側(cè)向加載板組成的壓力室內(nèi)，然后將試件 平臺(tái)推入試驗(yàn)臺(tái)的中央。
[0118] 步驟B:在與邏輯控制器配套的計(jì)算機(jī)軟件中輸入設(shè)定的圍壓值，邏輯控制器控制 液壓栗站工作，液壓油進(jìn)入四側(cè)向液壓油缸，推動(dòng)側(cè)面加載板為試件施加側(cè)向壓力，側(cè)向圍 壓傳感器時(shí)刻接收側(cè)向液壓油缸壓力信號(hào)，并與邏輯控制器一起動(dòng)態(tài)維持圍壓。
[0119] 步驟C:在軟件中輸入設(shè)定的軸壓值，軸向液壓油缸帶動(dòng)軸向加載板舉升試件平臺(tái) 和試件，與頂部反力架底部的平臺(tái)板接觸并互相擠壓，產(chǎn)生軸力作用，軸壓傳感器與邏輯控 制器一起動(dòng)態(tài)維持軸壓。
[0120] 步驟D:在軟件中設(shè)定取芯鉆機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，邏輯控制器控制液壓栗站的伺服電機(jī) 和鉆機(jī)伺服電機(jī)，進(jìn)而控制液壓桿和鉆機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，持續(xù)鉆進(jìn)，鉆機(jī)位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感 器時(shí)刻監(jiān)測(cè)鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)速率和轉(zhuǎn)速，并與邏輯控制器、功率放大器、鉆機(jī)中的伺 服電機(jī)和減速器共同作用，使鉆機(jī)在設(shè)定的參數(shù)下工作直至完成鉆進(jìn)。
[0121] 本發(fā)明的有益效果是：
[0122] 1)本發(fā)明以多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試儀為預(yù)設(shè)試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)儀具備對(duì)試件 進(jìn)行真三軸加載的功能，能模擬試件在地下工程中三向圍壓狀態(tài)下鉆機(jī)鉆進(jìn)過程。
[0123] 2)本發(fā)明可建立不同圍壓下試件的隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)特性的相關(guān)關(guān)系等目標(biāo)， 提供了從試件制備到數(shù)據(jù)處理詳盡的試驗(yàn)方法。
[0124] 3)利用多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試儀和本發(fā)明提出的試驗(yàn)方法，建立隨鉆參數(shù)與 巖體力學(xué)性質(zhì)和裂隙分界情況，代替了現(xiàn)場取芯、室內(nèi)試驗(yàn)這一步驟，既節(jié)省了從現(xiàn)場取芯 到得出試驗(yàn)報(bào)告的時(shí)間，又避免了所取巖芯已經(jīng)脫離了原始的環(huán)境應(yīng)力、溫度等約束條件， 不能很好的代表巖體本身強(qiáng)度的問題，解決了在軟弱破碎的復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)巖芯采取率和 完整性難以保證，從而無法得出當(dāng)?shù)貛r層的物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)這一難題，使得所測(cè)得的 圍巖強(qiáng)度更科學(xué)可靠。
[0125] 4)本發(fā)明提供的鉆探測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)定鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的位移、鉆進(jìn)速率、轉(zhuǎn)速、扭 矩、沖擊壓力參數(shù)，并可設(shè)定鉆進(jìn)速率和轉(zhuǎn)速或者設(shè)定鉆進(jìn)速率和扭矩，實(shí)現(xiàn)恒位移鉆進(jìn)， 還可設(shè)定軸壓和轉(zhuǎn)速或者設(shè)定軸壓和扭矩實(shí)現(xiàn)恒壓鉆進(jìn)。
【附圖說明】
[0126] 圖1是本發(fā)明多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試儀的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0127] 圖2是本發(fā)明多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試儀的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0128] 圖3是本發(fā)明裝置中的圍壓施加裝置和試件平臺(tái)剖面示意圖。
[0129] 圖4是本發(fā)明裝置中的液壓桿結(jié)構(gòu)示意圖。
[0130] 圖5是本發(fā)明裝置中的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)原理框圖。
[0131] 圖6是本發(fā)明裝置中的加熱板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0132] 圖中，1、試驗(yàn)臺(tái)；2、軸向液壓油缸;3、密封塞;4、軸向加載板;5、支撐立板;6、側(cè)向 液壓油缸;7、側(cè)向反力板;8、側(cè)向加載板;9、頂部反力架；10、鐵軌；11、試件平臺(tái)；12、鉆桿； 13、鉆機(jī)；14、鉆機(jī)伺服電機(jī)；15、液壓桿；16、支撐立柱；17、方形框卡槽；18、試件；19、平臺(tái) 板;20、車輪;21、活塞桿;22、車輪軸承;23、側(cè)向液壓油缸進(jìn)油口； 24、側(cè)向液壓油缸出油口； 25、試件基座;26、液壓桿活塞;27、液壓桿進(jìn)油口； 28、液壓桿出油口； 29、鉆機(jī)滑軌;30、鉆機(jī) 滑軌固定板;31、壓力室;32、預(yù)留孔;33、軸壓傳感器;34、軸向位移傳感器;35、側(cè)向圍壓傳 感器;36、側(cè)向位移傳感器;37、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器;38、鉆機(jī)扭矩傳感器;39、鉆機(jī)壓力傳感器； 40、鉆機(jī)位移傳感器;41、邏輯控制器;42、功率放大器;43、液壓栗伺服電機(jī);44、加熱板;45、 管路入口；46、管路;47、管路出口。
【具體實(shí)施方式】
[0133] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整的描述。
[0134] 真三軸巖石鉆探測(cè)試儀包括頂部設(shè)有反力架的支撐框架，在支撐框架內(nèi)設(shè)置用于 放置試件的試件平臺(tái)11，在試件平臺(tái)11的周側(cè)設(shè)置圍巖加載裝置，在試件平臺(tái)11的底部設(shè) 置可將試件的上部與反力架接觸的軸壓加載裝置，在反力架9的上部設(shè)置可升降可旋轉(zhuǎn)的 鉆機(jī)13,該鉆探測(cè)試儀還包括用于測(cè)量試件隨鉆參數(shù)的傳感器和與傳感器連接的監(jiān)測(cè)控制 系統(tǒng)。
[0135] 所述的傳感器包括設(shè)于所述試件平臺(tái)底部的軸向位移傳感器34、設(shè)于鉆機(jī)13上的 鉆機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器36和鉆機(jī)扭矩傳感器37和設(shè)于所述圍巖加載裝置上的側(cè)向圍壓傳感器35。
[0136] 所述支撐框架底部支撐與試驗(yàn)臺(tái)1上，四個(gè)支撐立柱16豎立并固定于試驗(yàn)臺(tái)1，上 部有反力架9與四個(gè)支撐立柱16相連，反力架9開有鉆桿通過的預(yù)留孔32。試驗(yàn)臺(tái)1中部為一 圓柱形凹孔，軸向液壓油缸放置在該凹孔內(nèi)，活塞桿21從軸向液壓油缸2頂部伸出，活塞桿 21固接于軸向加載板4,活塞桿21與試驗(yàn)臺(tái)1之間用密封塞密封，試件18放于試件平臺(tái)11上， 試件18頂部為頂部反力架9。
[0137] 軸向加載裝置的工作原理是:液壓栗將液壓油推入軸向液壓油缸2中，進(jìn)而推動(dòng)液 壓油缸內(nèi)活塞桿21向上運(yùn)動(dòng)，上移一段距離后，軸向加載板4嵌入試件平臺(tái)11中，推動(dòng)試件 18向上運(yùn)動(dòng)，并與頂部的反力架9接觸施加軸力。
[0138] 所述變截面活塞桿21底部為圓形截面，從下到上圓形活塞桿21截面增大數(shù)次，活 塞桿21頂部與一正方體鋼制軸向加載板4固接。
[0139 ]所述試件平臺(tái)11下中部位置焊接有方形框卡槽17，其內(nèi)尺寸與軸向加載板4尺寸 一致，活塞桿推動(dòng)軸向加載板4卡入試件平臺(tái)下的方形框卡槽17內(nèi)，防止試件18與試件平臺(tái) 11發(fā)生扭轉(zhuǎn)。試件平臺(tái)11下方設(shè)置四個(gè)車輪20,車輪20在鐵軌10上移動(dòng)，鐵軌10固定在試驗(yàn) 臺(tái)1上。
[0140]所述頂部反力架9下固接平臺(tái)板19,平臺(tái)板19直接與試件接觸，平臺(tái)板19和反力架 9中部設(shè)置預(yù)留孔，使鉆機(jī)13鉆桿通過。
[0141] 圍壓加載裝置，試件每側(cè)面設(shè)置有側(cè)向液壓油缸6,側(cè)向液壓油缸6伸出側(cè)向活塞 桿，側(cè)向活塞桿與側(cè)向加載板8固接，側(cè)向液壓油缸6嵌固于支撐立板中，側(cè)向液壓油缸6端 部頂住側(cè)向反力板7,側(cè)向反力板7與支撐立板5固接，四支撐立板5固接與側(cè)向反力板7 - 起，為側(cè)向液壓油缸6提供支撐反力，圍壓加載裝置放置于試件平臺(tái)11上，可隨試件平臺(tái)11 上下移動(dòng)，并沿鐵軌10拉出，所述圍壓加載裝置相鄰側(cè)向液壓油缸可獨(dú)立控制，即可施加相 鄰試件側(cè)面不等值壓力。
[0142] 所述側(cè)向加載板8為長方體鋼板，在液壓油缸驅(qū)動(dòng)的活塞推動(dòng)下，給試件施加水平 向壓力，加載板高度與試件相同，寬度略小于試件，以防止相鄰側(cè)向加載板8在試件壓縮變 形后互相干擾。
[0143] 鉆機(jī)系統(tǒng)，鉆機(jī)13嵌入鉆機(jī)滑軌中，鉆機(jī)13可沿鉆機(jī)滑軌上下移動(dòng)，鉆機(jī)滑軌通過 鉆機(jī)滑軌固定板30固定于試件頂部的反力架9上，鉆機(jī)13與鉆機(jī)伺服電機(jī)固接在一起，在上 部液壓桿15內(nèi)液壓桿活塞26的推動(dòng)或拉動(dòng)下，向下或者向上運(yùn)動(dòng)，鉆機(jī)伺服電機(jī)14為鉆機(jī) 13提供旋轉(zhuǎn)力，液壓桿15為鉆機(jī)13提供向下的壓力，鉆機(jī)13鉆頭鉆桿通過試件頂部的反力 架9和加載板的預(yù)留孔，液壓桿15上設(shè)有液壓桿進(jìn)油口 27和液壓桿出油口 28與試件接觸，發(fā) 生鉆進(jìn)作用。
[0144] 所述鉆機(jī)13可設(shè)置為旋切式鉆機(jī)，也可設(shè)置成沖擊式鉆機(jī)。旋切式鉆機(jī)的鉆頭可 設(shè)置為取芯鉆頭也可設(shè)置為不取芯鉆頭。
[0145] 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，由軸壓傳感器33、軸向位移傳感器34、四個(gè)側(cè)向圍壓傳感器35、四 個(gè)側(cè)向位移傳感器36、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器37、鉆機(jī)扭矩傳感器38、鉆機(jī)壓力傳感器39、鉆機(jī)位 移傳感器40、邏輯控制器41、功率放大器42和伺服電機(jī)組成。
[0146] 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可控制軸壓和圍壓，并可控制鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速、軸壓和位移兩組值 中的任一個(gè)。
[0147] 工作過程為:邏輯控制器41接受各個(gè)傳感器的信號(hào)，與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，并發(fā)出電 壓指令，經(jīng)過功率放大器42，控制伺服電機(jī)工作，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0148] 本發(fā)明具有真三軸試驗(yàn)機(jī)的功能，可對(duì)不同尺寸巖石試件實(shí)施真三軸試驗(yàn)。
[0149] 鉆機(jī)13將鉆頭擰去后，再擰上一個(gè)單軸加載板，鉆機(jī)13部分沿鉆機(jī)滑軌29向下移 動(dòng)，成為一個(gè)單軸壓力機(jī)，在壓力室內(nèi)放置試件，單軸加載板對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件施加軸向壓力，同 時(shí)鉆機(jī)13的鉆機(jī)壓力傳感器39、鉆機(jī)位移傳感器40和鉆機(jī)扭矩傳感器38可記錄單軸加載板 向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的軸壓、位移和速率。
[0150] 所用試件內(nèi)若有含水體或者充填裂隙水，可放置于一個(gè)內(nèi)尺寸和試件尺寸一致的 高壓力密封橡膠盒中，再在試件頂部覆蓋一個(gè)尺寸略大于底部橡膠盒的橡膠蓋，橡膠蓋在 鉆機(jī)鉆頭和鉆桿穿過區(qū)域預(yù)留孔洞，軸向和側(cè)向加載板將壓力作用到橡膠盒與橡膠蓋上， 再通過橡膠盒和橡膠蓋為試件施加三向壓力，此設(shè)計(jì)可防止內(nèi)部水體外流，使試驗(yàn)儀可對(duì) 含水巖體進(jìn)行試驗(yàn)。
[0151 ]可在試件18外側(cè)，如圖6所示，在側(cè)向加載板8內(nèi)側(cè)放置特制鋼材加熱板44，加熱板 44厚度大于20mm，加熱板44內(nèi)部設(shè)有彎形管路46，在加熱板一側(cè)面上端焊接管路入口 45，與 之相對(duì)的側(cè)面下端焊接管路出口 47,使水蒸汽或者高溫液體在管路中通過，從而對(duì)試件進(jìn) 行加熱，而后進(jìn)行熱力耦合作用下試件力學(xué)性能的研究。
[0152] 本實(shí)施例裝置中所用鉆機(jī)以取芯鉆機(jī)為例，鉆機(jī)還可選擇不取芯旋切式鉆機(jī)和沖 擊式鉆機(jī)。并以不同圍壓下試件的隨鉆參數(shù)與巖體力學(xué)特性的相關(guān)關(guān)系試驗(yàn)?zāi)康臑槔?br>[0153] 步驟1，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，確定影響三向圍壓加載鉆探的巖體基本因素為巖體類型， 即準(zhǔn)備不同類型的巖體試驗(yàn)，花崗巖、大理巖、石灰?guī)r、透明相似材料、不同強(qiáng)度混凝土塊 等。
[0154] 步驟2,根據(jù)試驗(yàn)方案，制備相應(yīng)的試驗(yàn)試件，將不同類型巖體切割成截面為300X 300毫米、高度300~600毫米的長方體。
[0155] 步驟3,對(duì)制備的試件進(jìn)行三向圍壓鉆探試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，采集試件鉆探過程 中隨鉆參數(shù)，并取得試件的巖芯。
[0156] 其中三向圍壓鉆探試驗(yàn)具體操作步驟為：
[0157] 步驟A:將試驗(yàn)試件18,放入到四個(gè)施加圍壓的側(cè)向加載板8組成的壓力室31內(nèi)，然 后將試件平臺(tái)11推入試驗(yàn)臺(tái)1的中央。
[0158]步驟B:在與邏輯控制器41配套的計(jì)算機(jī)軟件中輸入設(shè)定的圍壓值，邏輯控制器41 控制液壓栗站工作，液壓油進(jìn)入四側(cè)向液壓油缸6,推動(dòng)側(cè)面加載板8為試件18施加側(cè)向壓 力，側(cè)向圍壓傳感器35時(shí)刻接收側(cè)向液壓油缸6壓力信號(hào)，并與邏輯控制器41 一起動(dòng)態(tài)維持 圍壓。
[0159]步驟C:在監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中輸入設(shè)定的軸壓值，軸向液壓油缸2帶動(dòng)軸向加載板4舉 升試件平臺(tái)11和試件18,與頂部反力架9底部的平臺(tái)板19接觸并互相擠壓，產(chǎn)生軸力作用， 軸壓傳感器33與邏輯控制器41 一起動(dòng)態(tài)維持軸壓。
[0160]步驟D:在監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中設(shè)定取芯鉆機(jī)13的運(yùn)行參數(shù)，邏輯控制器40控制液壓栗 站的伺服電機(jī)43和鉆機(jī)伺服電機(jī)14，進(jìn)而控制液壓桿15和鉆機(jī)13向下運(yùn)動(dòng)，持續(xù)鉆進(jìn)，鉆機(jī) 位移傳感器40和轉(zhuǎn)速傳感器37時(shí)刻監(jiān)測(cè)鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)速率和轉(zhuǎn)速，并與邏輯控制 器41、功率放大器42、鉆機(jī)中的伺服電機(jī)14和減速器共同作用，使鉆機(jī)13在設(shè)定的參數(shù)下工 作直至完成鉆進(jìn)。
[0161] 步驟4,鉆探試驗(yàn)完成后，將試件取出，再用取芯鉆機(jī)在試驗(yàn)孔周邊鉆取3~4個(gè)鉆 孔，鉆孔編號(hào)k (k = 1，2，3…），將每個(gè)鉆孔的巖芯切割成I OOmm高度的標(biāo)準(zhǔn)試件，從試件上部 的標(biāo)準(zhǔn)試件到底端的標(biāo)準(zhǔn)試件依次標(biāo)號(hào)，則第k孔第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣所代表在試件中的深度為 100(i-l)~IOOi毫米，并且將同一標(biāo)號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)試件分為一組，例如所有孔第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為 第i組，對(duì)將第i組標(biāo)準(zhǔn)試件實(shí)施單軸試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，得到第i組的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(單軸抗 壓強(qiáng)度N、粘聚力c、內(nèi)摩擦角Φ、彈性模量E)，作為100(i-l)~IOOi毫米深度試件的力學(xué)性質(zhì) 參數(shù)。
[0162] 步驟5,對(duì)采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，即將采集到的試件鉆進(jìn)速率/、扭矩n/、轉(zhuǎn)速 V、軸壓Y和推知的鉆進(jìn)比功，數(shù)據(jù)從試件上部到底部按IOOmm分段，第i段代表試件深度 為100(i-l)~IOOi毫米，將該段各指標(biāo)的算術(shù)平均值作為該段的代表值(鉆進(jìn)速率v、扭矩 m、轉(zhuǎn)速r、軸壓η和推知的鉆進(jìn)比功w)。
[0163] 步驟6,通過逐步回歸的方法分別回歸隨鉆參數(shù)代表值與巖石各個(gè)力學(xué)性質(zhì)參數(shù) 的最優(yōu)關(guān)系式，包括擬合單軸抗壓強(qiáng)度R。與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式、擬合粘聚力c與 隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式、擬合內(nèi)摩擦角Φ與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式和擬合彈 性模量E與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式。上述四種關(guān)系式擬合方法和操作步驟相同，以擬 合內(nèi)摩擦角Φ與隨鉆參數(shù)代表值的最優(yōu)關(guān)系式為例，進(jìn)行說明，包括以下幾個(gè)步驟：
[0164] (1)明確自變量和因變量，計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，此步驟包括4個(gè)小步驟。
[0165] Α.自變量為扭矩X1、轉(zhuǎn)速Χ2、軸壓力Χ3、鉆進(jìn)速率Χ4和鉆進(jìn)比功X 5因變量為內(nèi)摩擦角 yi，5元回歸模型為：
[0166]
[0167] B.計(jì)算各變量的平均值
[0168] 對(duì)于自變量和因變量根據(jù)大量現(xiàn)場試驗(yàn)有η組數(shù)據(jù)，則各變量平均數(shù)
[0169]
[0170] Xki表示第k次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，Xi的值。
[0171] C.計(jì)算離差陣
[0172]自變量平方和為SSi，自變量間及其因變量乘積和為SPij和SPiy
[0173]
[0174]
[0175]
[0176]
[0177]
[0178] D.計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣
[0179] 在逐步回歸中為便于表達(dá)和計(jì)算，通常將離差陣化為相關(guān)陣，計(jì)算公式為
[0180] riy = SPij/(SSiSSj)0·5
[0181] 式中，i，j = l，2,3,4,5，riy為xi、X2、X3、X4、X5、y之間的相關(guān)系數(shù);相關(guān)系數(shù)矩陣為
[0182]
[0183] 于是相關(guān)系數(shù)矩陣為
[0184] R(°) = [rij(0)]
[0185] 式中0代表原始相關(guān)系數(shù)。
[0186] (2)確定顯著性的F檢驗(yàn)水準(zhǔn)
[0187]本試驗(yàn)樣本觀察數(shù)η遠(yuǎn)大于自變量個(gè)數(shù)m，則m個(gè)自變量被引入的個(gè)數(shù)對(duì)剩余自變 量自由度影響不大，此時(shí)選定一個(gè)固定F檢驗(yàn)值，不用更換，顯著水準(zhǔn)α不宜過小，如可選Q = 0.1。
[0188] (3)選取第1個(gè)自變量
[0189] Β.對(duì)5個(gè)自變量計(jì)算偏回歸平方和m
[0190] Ui = Tiy2/Γ?(? = 1,2,3,4,5)
[0191] m值越大表示該自變量被引入回歸方程后對(duì)方差的貢獻(xiàn)越大，該自變量最先引入 回歸方程，如將Xk引入回歸方程。
[0192] Β.引入自變量^后，相關(guān)系數(shù)陣R(1)經(jīng)過下列公式變化，轉(zhuǎn)換為R(1+1)。
[0193]
[0194] (4)選取第2個(gè)自變量
[0195] B.計(jì)算各自變量回歸平方和
[0196]
[0197] 取除了已經(jīng)引用的處外，將其與自變量中、Uf2)中最大的自變量引入回歸方程，假 如為?。
[0198] B.對(duì)引入的自變量幻進(jìn)行F檢驗(yàn)
[0199] Fi = U5 ⑵/[(l-Uk(1Lui ⑵)/(n_2_l)]
[0200] 若Fi>Fa則引入XI，否則不引入。
[0201] C·引入Xi后，按R(1+1)公式進(jìn)行變化，將R(1)變化為R(2)。
[0202] D.對(duì)引入a和?進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)
[0203]先計(jì)算出各偏回歸平方和及剩余平方和
[0204] t
[0205] 若則X1JPx1都顯著都保留，否則剔除xk。 >\ i·
[0206] (5)重復(fù)第(4)步，直至取完所有自變量
[0207] (6)建立最優(yōu)回歸方程
[0208] 在逐步回歸分析中采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的量，即由相關(guān)系數(shù)求得的解Pl為標(biāo)準(zhǔn)回歸系 數(shù)，再將I鮮拖為偏冋歸系數(shù)bi，
[0209]
[0210]假設(shè)Xk、xi和Xz為被選自變量，bi、bk、bz為自變量相應(yīng)的偏回歸系數(shù)；
[0211]
[0212] 昜優(yōu)冋I片方趕為
[0213]
[0214] 通過上述的計(jì)算方法，可以求得表征巖體特性的關(guān)系式。
[0215] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括壓力加載裝置、鉆機(jī)單元、 監(jiān)測(cè)控制單元和液壓栗，其中，所述液壓栗向壓力加載裝置提供動(dòng)力，所述壓力加載裝置對(duì) 放置于其中的巖石試件施加圍壓； 所述鉆機(jī)單元設(shè)置于壓力加載裝置上端，對(duì)受壓的巖石試件進(jìn)行鉆進(jìn)； 所述監(jiān)測(cè)控制單元控制壓力加載裝置施加壓力，同時(shí)控制鉆機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速、軸壓和 位移兩組值中的任一個(gè)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，其特征是:所述壓力加載 裝置，包括壓力室，所述壓力室外側(cè)設(shè)置有圍壓加載裝置，分別對(duì)巖石試件施加圍壓，所述 壓力室下端為承載其與巖石試件的試件平臺(tái)，所述試件平臺(tái)下中部位置焊接有方形框卡 槽，其內(nèi)尺寸與軸向加載板尺寸一致，活塞桿推動(dòng)軸向加載板卡入試件平臺(tái)下的方形框卡 槽內(nèi)，防止試件與試件平臺(tái)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。3. 如權(quán)利要求2所述的一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，其特征是:所述圍壓加載 裝置，包括兩組垂直設(shè)置的側(cè)向加載板組，每組側(cè)向加載板組包括兩個(gè)相對(duì)、平行布設(shè)的側(cè) 向加載板，兩組側(cè)向加載板組形成矩形加載架構(gòu)，以包圍住壓力室，所述圍壓加載裝置，還 包括側(cè)向液壓油缸，液壓油缸驅(qū)動(dòng)活塞桿推動(dòng)側(cè)向加載板給試件施加水平向壓力，所述側(cè) 向液壓油缸外側(cè)設(shè)置有側(cè)向反力板。4. 如權(quán)利要求1所述的一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，其特征是：所述鉆機(jī)單 元，包括鉆機(jī)，所述鉆機(jī)嵌入鉆機(jī)滑軌中，鉆機(jī)沿鉆機(jī)滑軌沿軸向上下移動(dòng)，鉆機(jī)滑軌通過 鉆機(jī)滑軌固定板固定于試件頂部的反力架上，鉆機(jī)與鉆機(jī)伺服電機(jī)固接在一起，在上部液 壓桿的推動(dòng)或拉動(dòng)下，向下或者向上運(yùn)動(dòng)。5. 如權(quán)利要求4所述的一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)，其特征是:所述監(jiān)測(cè)控制 單元，包括監(jiān)測(cè)單元，具體包括檢測(cè)四個(gè)方向上側(cè)向圍壓大小的側(cè)向圍壓傳感器、檢測(cè)側(cè)向 加載板移動(dòng)距離的側(cè)向位移傳感器、檢測(cè)鉆機(jī)扭矩的鉆機(jī)扭矩傳感器、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的鉆機(jī)轉(zhuǎn) 速傳感器、鉆機(jī)向下施加壓力大小的鉆機(jī)壓力傳感器和鉆機(jī)上下移動(dòng)距離的鉆機(jī)位移傳感 器。6. -種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方法，其特征在于，對(duì)同一試件上多 個(gè)鉆孔各自取出巖芯，分別對(duì)這些巖芯實(shí)施單軸試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，得出多組力學(xué)性質(zhì)參數(shù)， 根據(jù)可直接測(cè)量出隨鉆參數(shù)的如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的一種多功能真三軸巖石鉆探 測(cè)試系統(tǒng)得出多組隨鉆參數(shù)，建立巖芯力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與隨鉆參數(shù)之間的關(guān)系式，通過該關(guān) 系式只需對(duì)巖體探測(cè)隨鉆參數(shù)即可得出巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。7. -種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方法，其特征在于，對(duì)同一試件上多 個(gè)鉆孔各自取出巖芯，測(cè)定巖芯的巖體完整性參數(shù)RQD值，根據(jù)可直接測(cè)量出隨鉆參數(shù)的如 權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的一種多功能真三軸巖石鉆探測(cè)試系統(tǒng)得出多組隨鉆參數(shù)，建 立巖芯力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與隨鉆參數(shù)之間的關(guān)系式，通過該關(guān)系式只需對(duì)巖體探測(cè)隨鉆參數(shù)即 可得出巖體的完整性參數(shù)RQD值。8. 如權(quán)利要求6或7所述的一種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方法，其特征 在于，對(duì)所述的巖芯從上到下分為多段，分別得出各段的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。9. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方法，其特征在 于，具體步驟如下： 步驟1)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，確定影響三向圍壓加載鉆探的巖體基本因素，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn) 方案； 步驟2)根據(jù)試驗(yàn)方案，制備相應(yīng)的試驗(yàn)試件； 步驟3)對(duì)制備的試件進(jìn)行三向圍壓鉆探試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，采集試件鉆探過程中隨 鉆參數(shù)，并取得試件的巖芯； 步驟4a)對(duì)試件巖芯的取芯率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)定試件的完整性參數(shù)RQD值； 步驟4b)對(duì)從試件中所取得巖芯進(jìn)行切割打磨，制作數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試件，并進(jìn)行三軸試 驗(yàn)和單軸試驗(yàn)，測(cè)定試件材料的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)； 步驟5)對(duì)采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，然后建立處理后的數(shù)據(jù)與同深度巖石力學(xué)性質(zhì)、 巖體完整性參數(shù)的關(guān)系。10.如權(quán)利要求5所述的一種地下工程中隨鉆參數(shù)表征巖體特性的試驗(yàn)方法，其特征在 于，建立巖體完整性參數(shù)RQD與隨鉆參數(shù)的關(guān)系，在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將試件的RQD值 與扭矩破碎指標(biāo)QDJP轉(zhuǎn)速破碎指標(biāo)QD r利用多元線性回歸的方法進(jìn)行公式擬合，最終擬合 公式的形式為： RQD = 0〇+0iQDm+02QDr 其中β〇、β?、β2都為回歸系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N3/10GK105938070SQ201610529362
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】王 琦, 李術(shù)才, 王雷, 高松, 江貝, 潘銳, 孫會(huì)彬, 秦乾, 于恒昌, 高紅科, 許英東, 胥洪彬, 欒英成, 常濤
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)