探討|岩石抗壓強度標準值frk計算探討

行勝於言 發佈 2024-04-29T03:15:51.681192+00:00

一、岩石抗壓強度的重要意義岩石抗壓強度,在橋樑或建築基礎設計中具有十分重要的意義。比如:①根據岩石抗壓強度不同劃分為硬質岩、軟質岩、極軟岩等;②嵌岩樁的樁基承載力與樁端岩石抗壓強度直接相關;③嵌岩樁抵抗水平力和彎矩時,其嵌入深度也和樁端岩石抗壓強度直接相關。

一、岩石抗壓強度的重要意義

岩石抗壓強度,在橋樑或建築基礎設計中具有十分重要的意義。比如:①根據岩石抗壓強度不同劃分為硬質岩、軟質岩、極軟岩等;②嵌岩樁的樁基承載力與樁端岩石抗壓強度直接相關;③嵌岩樁抵抗水平力和彎矩時,其嵌入深度也和樁端岩石抗壓強度直接相關。

二、岩石抗壓強度標準值frk及其演變過程

(一)岩石抗壓強度標準值frk

岩石抗壓強度標準值frk,是一個統計值,其採用不少於6個試件的試驗值,按照如下公式計算得出:

(二)標準值frk的演變過程

85版橋樑基礎規範中,沒有岩石抗壓強度標準值frk的概念。2007版規範中首次提出了岩石抗壓強度標準值frk,並給出了計算方法。2019版規範沿用了岩石抗壓強度標準值frk的概念,卻刪除了計算方法。


三、目前標準值frk計算存在的問題

(一)問題分析

目前標準值frk計算存在的問題是,frk作為岩石抗壓強度使用時,保證率較低,達不到95%。

上述frk計算式,實際上可以寫為:

式中,S是樣本標準差,t(n-1)是t分布,0.05是分位點。

根據概率知識:

即隨機變量X是均值μ,方差σ^2(標準差σ)的正態分布時,X樣本平均值作為一個隨機變量,是均值μ,方差S^2/n(標準差S/√n)的t分布。

對比可知,岩石強度是均值frm,標準差S的正態分布,岩石強度平均值是均值frm,標準差S/√n的t分布。現行規範frk計算式中,frk的含義是,具有95%保證率的岩石強度平均值,而不是具有95%保證率的岩石強度值。

假定岩石強度為正態分布,則具有95%保證率的岩石強度值為:

(二)工程實例驗證

例如參考文獻中的一組數據:

如上表所示,平均值frm為19.02MPa,樣本標準差S為3.68MPa,按照目前frk計算式計算,frk=15.99MPa,正態分布強度保證率為79.5%,按照參考文獻方法,15.99MPa的保證率不足67%。按照正態分布計算,具有95%保證率的岩石抗壓強度值是12.97MPa。

(三)存在問題

由以上工程實例可見,目前frk計算方法,可能導致高估岩石強度,造成安全隱患,特別是對於抗壓強度不高(例如不超過10MPa),離散性比較大(例如樣本標準差S為2MPa)的岩石,高估比例更大,更不安全。

四、frk計算方法演變過程考證

如上所述,2007版橋樑基礎規範提出了frk以及計算方法,但這是否是始作俑者呢?為此,筆者查閱了一些文獻,包括岩石強度試驗相關標準,建築基礎規範等,結論是:

一、frk是一個統計數據,不是試驗數據,岩石強度試驗相關標準中,未見frk描述。

二、三十多年來,建築基礎規範有3部,包括89版、2002版和2011版,其中,89版提出了frk,計算方法是按照正態分布,即frk是具有95%保證率的岩石強度值,而2002版改為目前計算方法(未說明修改原因),2011版沿用了2002版。

三、2007版橋樑基礎規範,直接引用了2002版建築基礎規範,並沿用至今,存在隱患。


五、結論

(一)岩石抗壓強度標準值frk是一個統計數據,不是試驗數據。

(二)現行規範frk計算值,是具有保證率95%的岩石抗壓強度平均值,不是具有保證率95%的岩石強度值。現行規範frk值,按正態分布計算保證率,通常低於80%。

(三)現行規範frk值,容易高估岩石強度,造成安全隱患。特別是對於抗壓強度不高(例如不超過10MPa),離散性比較大(例如樣本標準差S為2MPa)的岩石,高估比例更大,更不安全。

(四)frk值首先在89版建築基礎規範提出,該規範中frk計算採用正態分布,具有95%的保證率,是正確的。2002版建築基礎規範修改了frk計算方法,保證率大幅降低,存在安全隱患,2007版橋樑基礎規範直接引用了2002版建築基礎規範,並沿用至今,同樣存在隱患。

(五)建議恢復89版建築基礎規範關於岩石強度標準值frk的計算方法,即按照正態分布進行計算。

參考文獻:

1、岩石試驗抗壓、抗拉區間強度及代表值可信度研究,董隴軍,李夕兵

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