岩芯回弹测试方法

袁广祥，王朋姣，李建勇，黄志全，赵 菲

（华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450045）

岩芯回弹测试方法

袁广祥，王朋姣，李建勇，黄志全，赵 菲

（华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450045）

为利用回弹仪快速确定岩芯强度，根据回弹仪的原理和岩芯的特征，对岩芯回弹测试方法进行研究。在选择回弹仪型号时，轻型为宜，0.735J的最佳；为保证回弹仪垂直冲击岩芯表面，且在冲击过程中岩芯不发生回弹，应使用辅助装置，包括钢基座和导向管；测点均匀布置在某一横断面的圆周上，间隔90°，每个测点锤击1次，记录回弹值。由于岩芯回弹测试垂直向下锤击，应对回弹值进行修正，然后再取4个测点回弹修正值的平均值作为岩芯在这一断面处的回弹值。通过回弹试验发现，利用这种方法获取岩芯的回弹值，效果较好。

岩芯；回弹仪；测试方法；回弹值

0 引 言

回弹检测法因其不损坏构件、仪器构造简单、操作方便、试验费用低廉等优点，在混凝土的强度检测方面得到广泛应用[1-4]。由于回弹法测出的回弹值与材料的强度具有明显的相关性，该方法于20世纪60年代早期开始应用于岩石力学实践中[5-7]，用于评价岩石的单轴抗压强度，并且把它作为一种重要的岩石材料表征指标。一些学者通过大量的试验，得出了岩石单轴抗压强度与回弹值之间的经验关系式[8-9]，如表1所示，表中UCS为单轴抗压强度，MPa；ρ为密度，g/cm3；RL和RN分别为L型和N型回弹仪测得回弹值。

表1 岩石单轴抗压强度与回弹值之间的关系[8-9]

岩石的力学性质直接影响岩体质量评价结果，并对岩体的稳定性起着重要作用，进而影响岩体工程的设计、施工和支护，因此准确获取岩石的力学性质参数至关重要。获取目标深度岩石力学性质最直接、最准确的方法为岩芯力学试验。首先要进行取样、制样等，不但需要大量的时间，要获得足够多的力学数据也必须开展大量的试验，需要很大的经济成本。此外，岩石力学试验是破坏性试验，试验结束后岩样无法再用，这对于深部岩体宝贵的岩样来说，也是一种浪费。基于此，利用回弹方法测出岩芯的回弹值，通过回弹值-强度关系换算出岩石的强度，不仅能快速获取岩芯足够多的力学参数，而且能在钻孔现场进行测试，无须制样，对岩芯也无损伤，不影响岩芯的其他用途。但是，和混凝土及岩体测试不同之处在于，岩芯比较小，且呈圆柱形，与回弹仪弹杆接触部分为曲面，很难固定。国际岩石力学学会规定在做回弹试验时必须保持试样稳固，且要求弹杆垂直于测试面[10]。但目前却没有一个成熟的方法指导岩芯回弹试验。基于此，本文根据回弹仪的原理和岩芯的特征，对岩芯回弹测试方法进行探讨，以获得较为准确的回弹值。

1 回弹仪

1.1 回弹仪原理

回弹法是利用回弹仪检测混凝土或岩石强度的一种非破损方法，回弹仪的基本原理是由弹击杆以恒定的动能垂直地对混凝土或岩石表面进行撞击，而弹击杆是由弹击拉簧驱动弹击锤来进行撞击，这样被弹击混凝土或岩石表面的位置发生形变，并且对这部分能量进行吸收，而另外一部分就转换成弹击锤的反弹动能，势能驱动弹击锤反弹达到最大距离，而这部分势能是由弹击锤的反弹动能全部转化成的。如图1所示，拉力弹簧的起始拉伸长度为l（定值），重锤弹回时弹簧的拉伸长度为x，则回弹值为

图1 回弹仪工作原理示意图［11］

1.2 回弹仪类型选择

根据其冲击能量，回弹仪分为6种规格：9.800，5.500，4.500，2.207，0.735，0.196J[12]。对于一个给定的冲头直径和曲率半径，回弹仪的冲击能量决定了它的适用范围。因此，这种限制也决定了选择回弹仪的类型。中型、中重型和重型回弹仪相对于轻型回弹仪来说冲击能量更高，冲击力更强，适合于探测体积较大的材料，在现场试验中可优先考虑使用。而在岩芯回弹测试时，岩芯直径一般为几厘米，体积小，能量大的回弹仪在回弹测试时易破坏岩芯，因此应选用冲击能量小的轻型回弹仪。0.196J的回弹仪主要用于砂浆回弹值的测定，能量很小，对于岩石，尤其是坚硬岩来说，其冲击力太小。因此，在进行岩芯回弹测试时，宜选用冲击能量为0.735J的轻型回弹仪。

1.3 回弹仪的校准

试验之前应根据JJG 817——2011《回弹仪检定规程》对回弹仪进行校验和率定[13]。首先对回弹仪进行校验，弹击锤与弹击杆碰撞瞬间，弹击弹簧应处于自由状态；其次用回弹仪检定装置来检定回弹仪的钢砧率定值，即在洛氏硬度为（60±2）HRC的钢砧上测量回弹仪的回弹值是否符合要求，率定时钢砧应稳固地平放在刚度大的物体上，测定回弹值时，取连续向下弹击不低于3次的稳定回弹值的平均值。弹击杆分4个方向进行，每次旋转90°，每旋转一次的率定平均值应为74±2。

2 回弹仪非水平方向锤击的修正

由于回弹试验中沿非水平方向冲击的回弹值受到重力的影响，所以为了抵消这些影响，非水平方向冲击的回弹值必须参照水平方向进行标准化。为此，Basu等[14]提出了对回弹仪非水平方向锤击的回弹值进行标准化修正。根据能量守恒定律，在水平方向上进行回弹测试时，回弹锤冲击混凝土或岩体之前瞬时的动能与回弹锤起始状态下所具有的势能相等，即：

式中：m——回弹锤的质量，kg；

ν1——回弹锤冲击之前瞬时速度，m/s；

k——弹簧的刚度系数，N/m；

l——弹簧的起始拉伸长度，m。

同理，回弹锤冲击之后瞬间动能与被弹回到x位置的势能相等，即：

式中ν2为回弹锤冲击后瞬时速度，m/s。

由式（2）和式（3）可知，回弹值也可表示为回弹锤冲击后与冲击前瞬时速度之比，即：

回弹仪沿非水平方向冲击时，受重力影响，根据能量守恒定律，冲击之前的瞬时动能为

式中：θ——回弹仪冲击方向与水平方向的夹角，（°），向下为正，向上为负（图2）；

ν1θ——沿倾角θ方向冲击之前回弹锤的瞬时速度，m/s。

图2 相对于水平方向的锤击方向的定义［14］

冲击之后的瞬时动能为

式中：ν2θ——沿倾角θ方向冲击之后回弹锤的瞬时速度，m/s；

xθ——沿倾角θ方向冲击之后回弹锤返回的距离，m。

测得的回弹值为

由式（4）可知，回弹仪沿非水平方向冲击时，其回弹值为

根据式（5）～式（7），可得：

式中，m、k、l已知，由回弹仪的类型确定；θ在测试时可以量测。

岩芯回弹测试时，一般垂直向下（θ=90°）。由式（9）可知，修正后的回弹值为

岩芯测试时，一般选用0.735J的回弹仪，其参数为 m=0.1406kg；k=275.85N/m；l=0.073m，代入式（10），可得实测回弹值R测与修正后回弹值R之间的关系，如图3所示。

图3 实测回弹值R测与修正后回弹值R之间的关系

3 岩芯回弹测试的辅助装置

图4 Aydin和Basu使用的具有导向管的岩芯回弹测试装置［8］

图5 Karaman和Kesimal使用的岩芯回弹测试装置［9］

对岩芯进行回弹测试时由于岩芯的形状和尺寸，主要存在两个方面的问题。一是岩芯呈圆柱状，直接测试时很难保证回弹仪弹杆垂直锤击岩芯的表面，出现倾斜冲击或弹杆的偏心接触引起的回弹值误差。二是由于岩芯体积很小，如果把岩芯直接放置在地板或桌面上，在回弹时会导致岩芯与地板或桌面之间的反弹，造成冲击能量的损失而使测得的数据不能准确反映岩芯的回弹值。

为保证回弹仪弹杆垂直冲击岩芯表面，Aydin和Basu制备了一种导向管，测试时回弹仪垂直向下穿入导向管[8]（见图 4）；Karaman等[9]将固定回弹仪的半弧形凹槽垂直连接在弧形槽的底板上（见图5）。

国际岩石力学学会[15]和美国材料试验学会[16]建议岩样应该被稳稳地固定在置于坚实和平坦地面的刚性基座上，并且不同型号的回弹仪对刚性基础的质量要求也不一样，轻型回弹仪所需刚基质量至少为20 kg。在钢性基座上加工圆弧或V形槽以放置岩芯（见图6），但较软的岩石应放置在圆弧凹槽上[10]。

使用半圆形凹槽能够很好地固定岩芯，但只适用于一种直径。对于坚硬的岩芯，采用V形槽，角度为60°，既能满足岩芯的侧向约束，又适用多种尺寸的岩芯。笔者在对花岗岩岩芯进行回弹测试时，采用0.735 J的轻型回弹仪，设计一个质量为20 kg的长方体钢基座（25cm×23cm×10cm），上面嵌带一个宽度为5cm，角度为60°的V型插槽，岩芯放入V形槽中，将岩芯卡紧；固定回弹仪的装置则利用与回弹仪尺寸相当的一个导向管，导向管下面连接一个小的V形底座，使得导向管稳定地放置在岩芯表面，并垂直于岩芯两端面圆心的连线，且导向管两侧标注刻度值，保证回弹试验操作人员准确而快速地定位待测回弹点（见图 7）。

图6 钢基座剖面（圆弧槽和V形槽）［10］

图7 自制岩芯回弹测试装置

表2 部分回弹测试方法

4 技术要求及测试方法

对岩体进行回弹仪测试，回弹点布置、回弹次数及回弹值计算，不同的规范和不同学者采用不同的算法（见表2）。但在同一个测点，需重复多次锤击，因为多次锤击的回弹值既具有统计意义，也比单次锤击的回弹值更可靠[17-18]。

上述方法主要是针对现场岩体进行的回弹测试。对于岩芯，Deere等[29]在一段NX岩芯的3个断面上进行回弹测试，每个断面上测试8个点（间角45°），共计24个回弹值，取其平均值，即为这段岩芯的回弹值（不考虑异常值）。Aydin和Basu针对每一个样品，在10个不同点进行回弹测试，要求试样表面相当光滑且无可见裂隙，每次回弹点都是独立的，且至少间隔2倍回弹杆直径的距离，取其10个回弹值的平均值，即为该样品的回弹值[8]。Karaman和Kesimal认为对样品进行6次独立的回弹测试，每次回弹点的间距至少为1倍回弹杆的直径，取6次回弹值的平均值作为样品的回弹值，效果较好[9]。

针对岩芯的特征（尺寸较小，且为圆柱形）和回弹测试特点，笔者针对某花岗岩钻孔岩芯进行了回弹测试，按照每个断面4个观测点（其间角为90°）进行布置，每个测点锤击1次（出现失误或明显误差重新测试），取4个测点回弹值的平均值作为该岩芯在这一断面处的回弹值，其结果如表3所示。可以看出，同一断面上各测点之间的回弹值相差较小，因此无需布置更多的测点。若布置点数较多，两个测试点之间的距离太小，会产生影响。

表3 某岩芯回弹测试结果

如果岩芯较长，需布置多个回弹断面，但两个回弹断面之间的距离不小于回弹杆的直径。同时需要注意以下3点：

1）在进行回弹测试时，首先要保证岩芯表面的光滑，因为若表面凹凸不平往往使得冲头到达主表面时会造成额外的能量损失，显著影响其回弹值[27]。一般岩芯表面都比较光滑，但遇到表面掉块或磨损现象，应避开这些位置。其次，锤击点应远离边界，至少是岩芯直径一半的距离，避免由于强烈冲击产生的能量耗散而出现异常低值[30]。

2）在进行回弹测试时，要保证回弹仪垂直锤击岩芯表面。利用图7所示装置时，回弹仪要垂直向下，锤击方向穿过岩芯轴线。这样才能利用图3对回弹值进行修正。

3）回弹测试应注意异常现象。一方面回弹值的变化反应了岩石的各向异性[31]。另一方面，较低的回弹值可能是反应了岩石固有的薄弱部分，而不仅仅是测试缺陷的影响，如果去除大量的低数据可能会导致结果错误[32]。

5 结束语

对岩石进行回弹测试，锤击能力越大，其效果越好，回弹值越能反映岩石强度。但由于岩芯尺寸较小，锤击能力较大时会损坏岩芯，反而结果不准确，因此选用0.735J的回弹仪。

回弹仪锤击方向水平时，其回弹值准确，对于岩芯回弹，其锤击方向为垂直向下，回弹能量不仅有回弹仪中弹簧的弹性势能，也包括回弹锤的重力势能，因此需要对其进行修正。

为消除回弹时岩芯与地面作用是消耗能量带来的误差，需要刚性基座放置岩芯。同时为保证回弹方向垂直岩芯表面，即穿过岩芯轴线，需要导向管固定回弹仪。

岩芯回弹测试，应在某一横断面的圆周上布置4个测点，每个测点锤击1次，然后再取4个测点回弹值的平均值作为岩芯在这一断面处的回弹值。

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（编辑：李妮）

Schmidt hammer test methods for rock core

YUAN Guangxiang， WANG Pengjiao， LI Jianyong， HUANG Zhiquan， ZHAO Fei
（School of Resources and Environment，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

In order to quickly determine the rock core strength by using Schmidt hammer，a new Schmidt hammer test method for rock core was studied according to the principle of Schmidt hammer and core’s characteristics.When selecting Schmidt hammer model， L-type was appropriate，and the best is 0.735 J.In order to ensure that the Schmidt hammer vertically impact the core surface without rebound in the impact process，the auxiliary device should be used，including the steel base and the guide pipe.Measuring points were uniformly distributed on circumference of a certain cross section with interval of 90°and each measuring point was hammered for one time and the rebound values were recorded.Vertically downward hammering was carried out during rock core rebound test，thus rebound value should be corrected， and then the average value of corrected rebound values of four measuring points should be taken as the rebound value of cross section of the rock core.The Schmidt hammer test shows that the rebound values of rock core obtained in this method are trusted.

rock core； Schmidt hammer； test methods； rebound value

A

1674-5124（2017）09-0035-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.007

2017-03-29；

2017-04-18

国家自然科学基金项目（41402269）；河南省高等学校青年骨干教师资助计划（2015GGJS105）；河南省科技创新人才计划（154100510006）；河南省重点科技攻关项目（152102210111）

袁广祥（1981-），男，河南周口市人，副教授，博士，主要从事工程地质、岩石力学方面的科研与教学工作。