在TBM掘进过程中，TBM刀盘会与岩石剧烈摩擦产生不同程度的摩擦热，使TBM刀盘温度升高。【目的】为了研究高温处理后岩石物理力学参数与耐磨性之间的干系性，提出岩石物理力学参数与CAI值预测模型，利用岩石物理力学参数指标来预测岩石耐磨性，同时探究岩石CAI值随温度变革规律。【方法】以花岗岩、砂岩和大理岩三种岩性为例，对不同温度浸染后的岩石分别开展Cerchar磨蚀试验和岩石物理力学测试，分别得到三种岩石的CAI值、密度、里氏硬度、波速、孔隙度、导热系数、抗拉强度和单轴抗压强度，然后，基于线性回归方法提出岩石物理力学参数与CAI值预测模型。【结果】结果显示：(1)高温处理后岩石物理性子方面，里氏硬度、纵波波速与CAI值之间干系性较好，花岗岩、砂岩、大理岩里氏硬度与CAI值干系系数R2分别为0.944、0.714、0.885,三种岩石纵波波速干系系数R2分别为0.925、0.835、0.891。岩石孔隙度与CAI值之间干系性很低，花岗岩和砂岩干系系数R2分别只有0.171、0.657。(2)高温处理后岩石力学性子方面，岩石抗拉强度、单轴抗压强度与CAI值干系性很好，花岗岩、砂岩、大理岩抗拉强度与CAI值干系系数R2分别为0.874、0.888、0.950,岩石单轴抗压强度干系系数R2可高达0.962、0.996、0.877。【结论】结果表明：(1)高温浸染后，岩石物理力学性子与耐磨性均随着温度升高而降落，且低落幅度因岩石类型存在很大差异，缘故原由在于导热系数存在明显不同，因而影响高温浸染下岩石物理力学性子与耐磨性变革规律。(2)在高温浸染后岩石物理力学参数与CAI值之间干系性评价研究中，岩石力学指标与CAI值的干系性模型明显优于物理指标与CAI值的干系性模型。在物理指标与CAI值的干系性模型中，纵波波速最好，而孔隙度较差；力学指标模型中，抗压强度要略优于抗拉强度。
基金：
国家自然科学基金项目(41807233)
关键词：
TBM;岩石耐磨性;CAI;物理力学参数;线性回归方法;力学性能
作者简介：
刘桂才(1981—),男,高等工程师,学士,从事岩土工程和土木工程勘察设计研究事情。
徐坤(1987—),男,工程师,学士,从事岩土工程、水文地质勘察和地质磨难研究事情。
引用：
刘桂才，徐坤，尚明召，等． 高温浸染后三种岩石物理力学参数与耐磨性干系性研究［J］. 水利水电技能( 中英文) ，2024，55 ( 4) : 90-100.
LIU Guicai，XU Kun，SHANG Mingzhao，et al． Study on the correlation between physical and mechanical parameters of three types of rocks and resistance after high temperature［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2024，55( 4) : 90-100.
0 引 言全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)是一种用于进行机器性破碎岩层、开挖隧道的多功能综合设备。TBM技能出身于19世纪40年代的意大利，并在随后的几十年里在各国运用和发展。据不完备统计，环球由TBM技能完成掘进的隧道占全部隧道的30%旁边，而且比例还在不断增加。TBM是靠安装在刀盘上的滚刀在推进油缸推力浸染下将刀刃压入岩面，随着刀盘的旋转，致使岩石分裂。其施工工艺与传统的钻爆法施工比较，具有安全快速、机器化程度高、对环境影响小等优点。TBM刀盘上安装一种盘形回转刀具，常常呈放射状分布于刀盘上。在隧道的掘进过程中，刀具会随着岩层摩擦而产生旋转，使岩层表面产生滚动切削效果。此时，TBM刀具承受的较大打仗应力会导致刀盘产生十分严重的磨损。大量的工程数据表明，TBM刀具的掩护和改换所花费的本钱和韶光险些占到工程本钱和施工韶光的三分之一。岩石的耐磨性每每会直接决定着TBM刀具的损耗程度，关乎着全体工程的施工进度与经济效益。
目前，针对岩石耐磨性研究国内外学者紧张是通过岩石磨蚀性测试(Cerchar test)来进行评估，其测试结果称为岩石磨蚀指数(Cerchar Abrasive Index),简称CAI,以此来评估岩石耐磨性。个中，刘克振、朱宝龙等均自主设计研发了基于划痕事理的岩石耐磨仪实验装置，得到了岩石的CAI值，并对不同岩石耐磨性进行了等级划分。ZHANG等采取了花岗岩、砂岩与板岩等岩样借助了一种新型Cerchar test装置，既量化了岩石的耐磨性又验证了钢针磨损与岩石划痕间相互浸染的合理性。此外，岩石的磨蚀性与岩石物理力学参数有着密不可分的关系：岩石物理参数如矿物含量、硬度、波速、孔隙度等会直接影响岩石的耐磨性。例如，江玉生等通过补连塔煤矿斜井TBM掘进段不同埋深围岩进行了岩石身分剖析和磨蚀性测试，基于磨蚀性试验结果创造，CAI与等效石英含量干系性最强，等效石英含量越大，CAI越大，划痕深度变小；同时，刀具磨损与岩石CAI值呈一定干系性，CAI值越大，钢针磨蚀越大，刀具磨损也越大的结论。王猛、刘华吉等通过选定不同种岩石平行开展矿物加权硬度试验和岩石磨蚀性试验，得出了岩石组成中莫氏硬度高的矿物(如石英、长石等)比重越大，磨蚀试验中钢针磨损随之增加，宏不雅观表现为岩石磨蚀性指数较高的结论。ÜNDÜL等通过研究岩石纵波波速与孔隙度对岩石耐磨性的影响，得出了随着纵波波速增加与孔隙度降落，岩石的CAI值增加。此外，岩石力学强度指标如单轴抗压强度、抗拉强度与岩石耐磨性存在正干系的关系。一样平常而言，岩石在天然状态下的单轴抗压强度与抗拉强度越大，其岩石CAI值越大，岩石耐磨性就越高。例如：TEYMEN通过研究80种不同岩石的单轴抗拉强度、杨氏模量等与岩石耐磨性即CAI值之间的关系，通过多元回归方程等方法得出岩石基本力学性子与岩石CAI值之间存在显著关联性。ZHANG等通过对西南地区13种岩样CAI值与岩石力学性子的剖析与研究，得出了其单轴抗压强度与当量石英含量(EQC)是阐明CAI值最主要的成分这一结论，其干系系数可达88.51%与93.77%,且CAI值随单轴抗压强度的增加而增加。王华等采取了回归剖析法建立了岩石耐磨性与岩石各力学强度指标间的数学模型，证明了CAI值与抗压强度、抗拉强度、黏聚力、点荷载强度等呈现正干系的指数函数关系这一结论。
综上所述，在TBM掘进过程中，TBM刀盘会与岩石产生剧烈摩擦产生不同程度的摩擦热，导致TBM刀盘温度升高。随着刀盘对岩石连续滚压而导致摩擦温度升高，在刀盘内部会涌现热应力应变征象，且刀圈周围会产生微裂纹，随意马虎导致刀盘涌现疲倦毁坏。温度成分对付TBM刀盘影响不容忽略，切削温度是影响刀盘破岩效率的一项主要成分，在某种程度上决定了TBM施工效率的高低。因此，本文以三种代表性岩石为研究工具，考虑TBM在开挖过程中刀盘与岩石相互浸染产生的摩擦热效应，开展高温浸染后岩石的物理力学性子及耐磨性测试，基于测试结果，利用线性回归方法对岩石物理力学指标与其耐磨性参数进行拟合，利用岩石物理力学参数指标预测岩石耐磨性，研究结果可对TBM掘进过程中滚刀与岩石摩擦进行磨损评价，对提高滚刀破岩效率具有主要的辅导意义。
1 试验材料与试验方法1.1 试样准备与热处理
本次试验所采取的岩性紧张为花岗岩、大理岩和砂岩。为肃清岩石非均质性的影响，岩样取自同一块岩石，采取钻机进行取芯后分别加工成尺寸直径×厚度为50 mm×100 mm与50 mm×25 mm的试样，并打磨岩样的端面使其表面平整度偏差在±0.2 mm以内。加工完成后岩石试样如图1所示。为了探究不同温度后岩石物理力学指标与岩石磨蚀度的干系性，须要对试样进行热处理。采取自动控温的马弗炉以5 ℃/min将试样加热至不同温度(200 ℃、400 ℃、600 ℃),加热至目标温度后在炉内保温2 h后使之自然冷却至室温。与此同时，按岩石类型与加热温度对试样进行命名，以25 ℃下的花岗岩为例，标记为G-25 ℃,简称G-25。终极，待热处理与物理力学试验结束后，选取不同温度加热后的50 mm×25 mm试样进行岩石Cerchar磨蚀试验与巴西劈裂试验，50 mm×100 mm试样进行单轴压缩试验。
图1 加工完成后三种岩石试样
1.2 物理力学参数测试
为了探究岩石磨蚀性与岩石物理力学参数间的关系，分别对三种岩石试样进行了一系列物理力学试验，从而获取试样的密度、里氏硬度、波速、孔隙度、导热系数等物理性子指标与抗拉强度、单轴抗压强度等力学性子指标(见图2)。本次试验试样的物理参数测试紧张采取电子托盘天平与游标卡尺测出试样质量与试样体积以得到试样密度，采取SW6210型里氏硬度计得到试样里氏硬度，采取HS-YS301T型岩石声波测试仪搭配波速探头以及耦合剂来得到岩石纵波波速与横波波速，采取Hot Disk TPS 1500型热常数剖析仪来得到岩石导热系数，采取托盘天平与真空饱和缸并且利用称重法来丈量试样饱和状态和干燥状态下质量差值可以得到试样孔隙度。因此，得到岩石试样物理参数指标。力学参数测试紧张是通过采取微机掌握电子万能试验机对不同温度下热处理后的试样进行巴西劈裂试验与单轴压缩试验，个中两项试验均采取位移掌握办法，巴西劈裂试验加载速率为0.1 mm/min, 单轴压缩试验加载速率为0.5 mm/min, 直至终极试样被毁坏。终极，可以得到试样抗拉强度与单轴抗压强度等力学参数指标。
图2 岩石物理力学试验流程
1.3 Cerchar磨蚀试验
Cerchar磨蚀试验是国际上通用的岩石磨蚀试验之一，Cerchar磨蚀试验的紧张目的是为了测定岩石的磨蚀性。在工程实践中， Cerchar试验结果即岩石磨蚀指数(CAI)可以直接反应岩石的磨蚀性，且按照CAI值可以对岩石磨蚀性进行分类。Cerchar磨蚀性指数为被磨损的钢针针尖均匀直径的10倍，据此算出岩石的Cerchar磨蚀性指数对岩石进行Cerchar磨蚀性指数分级。通过对不同分级标准的比选，本试验采取国际岩石力学协会推举的CAI分级，可根据耐磨性将岩石分为从极低到极高7个不同等级。
试验装置由Cerchar岩石磨擦试验仪和钢针磨损智能丈量系统两部分组成(见图3)。Cerchar岩石磨擦试验仪包含试样夹、2个手柄、1个步进电机、刻度尺、钢针、钢针固定架、固定负载(重量为7 kg)。钢针磨损智能丈量系统由机器视觉丈量系统和钢针固定装置组成。Cerchar磨蚀试验紧张步骤为：首先，将试样固定在试样夹中，把试验针放置在试样上，试验针选取用一定硬度的合金钢针(合金钢的抗拉强度为2 GPa, 硬度为Rockwell硬度(HRC)54～56,尖锥角度为90°);然后，在试验针上加上7 kg的重量，在1 min内步进电机驱动模组运动使试验针在试样上移动10 mm; 末了，在钢针智能磨损丈量装置上丈量试验针端部的磨损。
图3 Cerchar磨蚀试验装置
本次试验对大理岩、砂岩以及花岗岩3种岩样(每种岩样4块，共计12块岩样)进行分别利用3根钢针的独立划痕实验，对每根划过岩样钢针的摩擦面直径记为d1、d2、d3、d4,并将d1、d2、d3、d4的4次读数取均匀值，记为dm。之后，对每块岩样的3根钢针得到的dm再次进行均匀值的打算得到试样均值，即磨蚀度指数CAI值为所得到试样均值的10倍。末了，根据国际岩石力学协会推举的CAI分级即可得到岩样磨蚀性评价。
2 试验结果与剖析2.1 物理力学参数及磨蚀试验结果
花岗岩、砂岩与大理岩物理力学参数及磨蚀试验结果如表1所列，图4给予了Cerchar磨蚀试验岩样划痕结果。从表1中可以看出：三种岩石的物理力学参数与磨蚀试验结果CAI值根据岩性分为对应三组，例如加热后的花岗岩CAI值范围在3.30～4.55之间；砂岩CAI值范围在1.97～2.30之间；大理岩CAI值范围在0.25～1.06之间，按顺序三种岩石对应的磨蚀性评价等级分别为高、中、低。并且随着温度不断升高，温度对岩石物理力学性子与耐磨性产生了一定影响。结合表1和图4可以看出：磨蚀性评价等级高的花岗岩划痕结果较浅，反之等级低的大理岩划痕结果较深，这在一定程度上解释了岩石物理力学性子与耐磨性之间存在某种关联。因此，本文以下将对高温浸染后温度对岩石物理力学性子与耐磨性影响变革规律和岩石物理力学性子与耐磨性干系性评价展开系统研究。
图4 Cerchar磨蚀试验岩样划痕结果
2.2 高温浸染后岩石物理力学性子和耐磨性变革规律
考虑到TBM在开挖过程中刀具与岩石相互浸染所产生的摩擦热效应，给予了不同温度下三种岩石CAI值随里氏硬度、纵波波速变革关系如图5所示，图5中所反应的规律为：随着温度(25～600 ℃)的升高，岩石所对应的里氏硬度与CAI值都会存在不同程度的降落，这可能是由于温度会对岩石内部存在损伤机制，使岩石的物理性子产生影响。并且，温度对岩石物理性子造成的影响无关于岩石种类与类型，试验中花岗岩、砂岩以及大理岩等里氏硬度与CAI值都随着温度升高均存在不同程度的低落。例如：对付花岗岩而言，从25～600 ℃的温度变革过程中，岩石里氏硬度从781降落至717,降落约为8.2%;CAI值从4.55降落至3.30,降落约为27.5%。其次，从图5中还可以看出：随着温度不断增加，三种岩石试样的纵波波速也产生不同程度地低落，并且岩石纵波波速与CAI值都呈现出随着温度升高下降的同等性。例如，砂岩在温度从25 ℃到600 ℃升高过程中，纵波波速从4 058 m/s降至3 122 m/s, 降落约23.1%;CAI值从2.30降至1.97,降落约14.3%。这表明：岩石内部构造在高温浸染后发生了一系列变革，可能存在矿物物理分解反应、水分蒸发等物理化学反应，从而使其里氏硬度、纵波波速及耐磨性发生改变。
图5 不同温度下CAI值随里氏硬度、纵波波速变革规律
通过对不同温度热处理后的三种岩石试样利用微机掌握电子万能试验机来进行巴西劈裂试验与单轴压缩试验，不同温度下花岗岩、砂岩与大理岩的抗拉强度与单轴抗压强度曲线变革规律如图6所示。从图6可见：当温度从25～600 ℃发生变革时，三种岩石试样的抗拉强度与抗压强度也呈现出随着温度升高而低落的趋势，力学性子所表现出来的温度变革规律与物理性子同等。例如，花岗岩从25～600 ℃其抗拉强度从5.63 MPa降至3.40 MPa, 降幅为39.6%;抗压强度从130.57 MPa降至102.36 MPa, 降幅为21.6%。
图6 抗拉强度、抗压强度随温度变革规律
在对岩石物理力学性子与其耐磨性随温度变革规律进行剖析后创造：花岗岩、砂岩以及大理岩的岩石CAI值都随着温度升高而降落，图7为岩石CAI值随温度及导热系数变革规律。由图7可以看出：三种岩石CAI值随着温度升高都呈现低落趋势，花岗岩CAI值从4.55降落至3.3,降幅约为27.5%;砂岩降幅约为14.3%;大理岩降幅约为76.4%。这三种岩石的低落趋势相差较大，在图7中最直不雅观的反应表现为大理岩CAI值随温度变革低落最陡，而砂岩较为平缓。为了更为直不雅观地反响这一规律，图7中也给出了三种岩石导热系数与CAI值间变革规律：岩石导热系数可以反响出岩石对温度变革的敏感程度，一样平常来说岩石的导热系数越大，其受到温度成分影响的程度就越大，大理岩导热系数最大可达6.97;而砂岩最大仅仅只有3.78。因此，随着温度升高，三种岩石对其反应敏感程度也不尽相同，大理岩的岩石CAI值会随之低落地最快，花岗岩次之，砂岩末了。
图7CAI值随温度和导热系数变革规律
2.3 岩石物理力学性子与耐磨性干系性评价
以具有一定质量的冲击体在一定的冲击力浸染下对岩石试样表面产生冲击，所得冲击体距岩样表面1 mm处冲击体回弹速率与冲击速率的比值即为岩石的里氏硬度值。常日而言，里氏硬度常日作为衡量岩石坚硬程度的一项主要指标，可以反响岩石表面的弹塑性性子。首先，从图8(a)中的里氏硬度与CAI值数据可以看出，岩石CAI值会随着里氏硬度的增大而增大，这表明两者之间存在一定的线性关系。因此，将三种岩石里氏硬度与磨蚀性指数CAI值分别建立线性关系之后创造：岩石里氏硬度与岩石CAI值之间干系性较好，呈现正干系关系，且花岗岩、砂岩及大理岩干系系数R2分别为0.944、0.714及0.885。由此可以得出，里氏硬度可以作为衡量岩石磨蚀性的一项主要指标参数。
图8 岩石物理力学性子与CAI值干系性评价
表1给出了三种岩石不同温度下的纵波波速与横波波速，由于横波波速差异性较小，以是本文仅对其纵波波速进行谈论。岩石波速是通过在一定间隔内岩石的声波旗子暗记从发射探头到达旗子暗记吸收探头的快慢来进行衡量的，其可以反应出岩石密度、硬度与岩石内部的致密程度。将岩石纵波波速与岩石磨蚀性指数CAI值利用线性回归方程进行剖析之后如图8(b)所示，可以看出：不同类型岩石纵波波速与CAI值之间干系性较好，其花岗岩、砂岩及大理岩干系系数R2分别为0.925、0.835、0.891。岩石纵波波速与其里氏硬度表现一样，与岩石磨蚀性指数CAI值之间有着较好的干系性。这个中的缘故原由可能在于：影响岩石波速的成分是多种多样的，而岩石硬度作为影响岩石波速的一项主要影响成分，其相同种类岩石硬度与波速在一定程度上也存在一定正干系关系。因此，岩石纵波波速和里氏硬度在与耐磨性的干系性评价中呈现出同等规律。
岩石孔隙度，即岩石内部孔隙体积总和与岩石总体积的比值，是衡量岩石致密程度的一项主要物理参数指标，岩石内部孔隙构造的改变会使孔隙度发生变革，可能会间接改变岩石耐磨性。为了谈论岩石孔隙度与磨蚀度之间的关系，分别建立了三种岩石磨蚀度指数CAI值随孔隙度变革关系如图8(c)所示，可以看出：首先，在常温状态下，按孔隙度从大到小进行排序依次是砂岩、花岗岩与大理岩。砂岩孔隙度为0.061～0.095旁边，花岗岩孔隙度为0.017～0.020旁边，而大理岩孔隙度险些为0,因此大理岩孔隙度数据无法进行线性拟合。随后，将岩石孔隙度与CAI值利用线性回归方程进行拟合剖析后创造：花岗岩和砂岩与CAI值之间干系性较差，花岗岩干系系数R2仅仅为0.171,砂岩干系系数R2为0.657。从某种程度上来说，这两种岩石孔隙度与耐磨性CAI值之间不存在线性干系关系。
岩石抗拉强度与单轴抗压强度均可作为表示岩石力学性子的综合性指标，岩石内部矿物身分及其组成、矿物结晶程度与胶结程度及内部微裂隙发育程度等都会影响其抗拉强度与单轴抗压强度的大小。将三种岩石的抗拉强度、单轴抗压强度分别与岩石磨蚀性指数CAI值进行线性回归剖析后结果如图8(d)和图8(e)所示。从图8(d)和图8(e)中可以看出：三种岩石抗拉强度与其CAI值干系性很好，对付抗拉强度而言，花岗岩、砂岩及大理岩的干系系数R2分别为0.874、0.888、0.950;其单轴抗压强度线性干系系数R2可高达0.962、0.996、0.877。可以看出，岩石力学性子与耐磨性所表现出来的干系性整体上要高于岩石物理性子与耐磨性的干系性，这可能由于力学性子相较于单一物理性子对付耐磨性干系性评价而言，更为综合详细。
终极，本文通过对花岗岩、砂岩及大理岩各项物理力学参数指标与岩石CAI值干系性评价后，基于线性回归剖析提出了关于三种岩石物理力学指标与CAI值间预测模型如表2所列。个中，这些物理力学参数指标与CAI值之间的干系系数R2在0.171～0.996之间，岩石力学性子指标与CAI值间干系性模型明显优于物理性子指标与CAI值的干系性模型。但是，只管岩石CAI值与这些物理力学性子指标具有一定干系性，仍有模型表现较为一样平常，因此不能单一地只用某项物理力学指标来评估岩石耐磨性，实际中仍需按照详细岩性进行详细剖析。
3 结 论
本文以花岗岩、砂岩和大理岩三种岩性为研究工具，通过系列试验研究了温度对岩石的物理力学性子和磨蚀度的影响规律，基于线性回归方法提出了岩石物理力学参数与磨蚀度的预测模型，研究结论如下：
(1) 随着温度不断升高，三种岩石的纵波波速、横波波速和里氏硬度不断降落，抗拉强度、单轴抗压强度和磨蚀度也不断降落；当温度超过600 ℃后，岩石的表面形态毁坏严重，尤其是大理岩表面涌现大量的热裂纹。高温会导致岩石的孔隙构造发生明显改变，随着温度升高，岩石的孔隙度逐渐呈现增大的趋势。
(2) 通过对岩石的物理力学参数和磨蚀度数据进行拟合，可以创造里氏硬度、纵波波速、抗拉强度、单轴抗压强度和磨蚀度的干系性较好，孔隙度与磨蚀度的干系性一样平常；通过对物理力学参数与磨蚀度拟合的R2值，初步提出了预测岩石磨蚀度的线性方程。在实际工程运用中，由于岩石的物理力学参数测试相对方便和准确，因此，我们可以利用提出的线性方程预测岩石的磨蚀度指标。
(3) 本文分别测试了不同岩石的5个物理指标、2个力学指标和磨蚀度，通过对物理力学参数和磨蚀度之间进行线性拟合，得到了不同参数与磨蚀度之间的拟合公式。但是本文目前考虑利用宏不雅观物理力学性子研究磨蚀性，后续将结合微不雅观与宏不雅观角度进一步深入研究岩石的磨蚀度。
水利水电技能（中英文）
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