1 引言

巖石的單軸抗壓強度是巖體工程分類和穩定性分析必須輸入的原始參數. 理想的狀況是每個工程項目至少做一組單軸抗壓強度試驗, 并且鉆孔穿過所有受影響的地層(開挖區域和圍巖), 但是在現實中, 由于各種因素的限制不可能每個項目都做單軸抗壓強度試驗, 除非一些非常重要的邊坡工程項目. 這個筆記簡要討論了單軸抗壓強度sigmac(UCS)的取值方法. 

2 什么時候不做UCS試驗

在討論UCS的取值方法之前, 讓我們首先我們逆向思考一下, 什么時候不需要做或者做不了UCS試驗. 總的來說, 以下四種情形不做UCS試驗:

(1) 工程狀況簡單, 巖石性質單一或者巖體極其破碎, 在這種情況下可以根據先前的經驗進行類比獲取UCS值;

(2) 缺少試驗資金, 大多數工程項目遇到的是這種情況, 由于沒有足夠的經費預算, 不能進行UCS試驗;

(3) 時間倉促,  項目要求時間緊, 沒有足夠的時間去完成試驗;

(4) 不具備取樣條件. 在某些極端情況下, 特別是在一些遙遠的山區, 由于沒有道路, 鉆機不能開進去, 無法進行試驗. 以前也曾遇到過使用直升機運輸鉆機進行鉆探的項目, 但這是例外, 不是一般項目能承擔得起的. 

3 獲取UCS的間接方法

(1) 當不具備標準的UCS試驗條件時, 工程師必須依靠經驗來估算UCS值. 在文章[IMASS---FLAC3D和3DEC新的本構模型(1)] 中總結了三大類巖石的單軸抗壓強度經驗估計. 

(2) 另一種獲取UCS的簡便方法是使用Schmidt hammer, 也稱作Rebound Hardness Test, 這種試驗設備類似于現場測試土試樣的筆式貫入儀. 此外, 點載荷試驗(Point Load Test)也能近似代替標準的UCS試驗.

(3) 英國的一些工程手冊,例如BS5930曾提出過在現場使用地質錘錘擊巖石來回歸UCS值(類似于土力學中判別土堅硬程度的方法), 但在我的印象中, 北美的工程實踐好像不建議這么做. 

4 UCS試驗的局限性

反過來說, 即使我們有條件做UCS試驗, 做出來的值也不一定代表巖石的真實值. 第一個可能出現的誤差因素是取樣質量. 當我們做試驗時, 總是選擇一些具有"代表性"的試樣, 這些試樣至少能滿足進行正常壓力測試的要求, 這無疑忽視了真實巖石的差異性; 第二個可能出現的誤差因素是試樣中可能包含著不連續, 一般來說巖石試件的高度是10cm, 有時試件中正好包含著小的不連續, 這將會導致UCS值出現誤差; 第三個可能出現的誤差因素是方向性, 如果完整的巖石表現出各向異性，那么測量的完整巖石強度取決于取樣的方向。

5 巖體強度

巖體具有強烈的尺寸效應, 隨著巖體試件尺寸的增大, UCS會逐漸降低. 在巖石工程中, 最廣泛使用的巖體強度估算方法是Hoek-Brown準則. Zhang and Einstein (2004) 提出使用RQD估算巖體的單軸抗壓強度和變形模量，但在實踐中必須非常小心地使用這些關系式。[(Deere's RQD---現代巖體工程分類方法的基石 (Part II); 基于RQD的巖石地基允許承載力估算]

6 數值試驗? 

合成巖體(Synthetic Rock Mass)是近年來發展起來的數值模擬技術, SRM是Bonded Particle Model 與 Smooth-Joints的結合, 使用線性平行粘結模型創建粘結顆粒模型，使用平滑節理模型模擬節理和裂隙。這種把DFN內嵌到原巖模型的方法，能夠真實地模擬巖體內節理的力學行為, 理論上可以直接獲取巖體的強度. 不過, 這個過程耗時太長, 而且在很大程度取決于模擬者的水平, 因此在實踐的邊坡工程中, 巖體強度值仍然通過經驗近似估算. 對巖體強度校正的一種手段是數值反分析, 通過監測邊坡位移通過反分析來獲得相對準確的巖體強度參數, 參看[數值反分析(Numerical Back-Analysis)].