用于预测岩石抗拉强度的有效统计模型

岩石抗拉强度与间接测试方法的相关性研究。通过回归分析整合单轴抗压强度、孔隙率和超声脉冲速度等岩体物理参数，对比巴西试验、三点和四点弯曲试验的预测精度。结果表明巴西试验（t/D=0.5）结合UPV的多元回归模型最优（R2=0.9869），并确定25*50*150 mm试件尺寸为最佳。

　　
岩石抗拉强度预测的跨学科研究：整合物理参数与间接测试方法

在岩石力学与工程应用领域，抗拉强度（TS）的准确测定始终是工程设计与结构安全的关键挑战。本研究通过系统化的实验设计与多参数回归分析，揭示了传统间接测试方法与岩石物理特性的复杂关系，提出了具有工程实用价值的预测模型。

一、研究背景与核心问题
抗拉强度作为评估岩石脆性破坏能力的重要指标，在隧道支护、边坡稳定和混凝土结构设计等方面具有决定性作用。传统直接拉伸试验成本高且存在设备限制，促使工程界长期依赖巴西试验（BTS）、三/四点弯曲试验等间接方法。然而，文献显示间接方法测得的抗拉强度普遍高于实际值（BTS/UTS比值达1.5-2.6），尤其在存在微裂缝或孔隙率的岩石中表现更为显著。研究团队针对这一矛盾，创新性地将超声波传播特性（UPV）与孔隙率（AP）等物理参数纳入回归模型，旨在建立更精准的间接测试修正体系。

二、实验设计与材料体系
研究选取九种典型工程岩体（表1），涵盖沉积岩（石灰岩）、变质岩（大理岩）、岩浆岩（流纹岩、闪长岩）等常见地质单元。材料特性显示，孔隙率在0.1%-30.8%之间波动，UPV值范围3.9-6.36 km/s，UCS强度跨度达19.38-149.06 MPa，充分表征不同岩体力学特性。

关键实验创新包括：
1. 采用高精度三维激光扫描（误差<5μm）确保试样几何精度
2. 首次引入高速摄像机（240fps）捕捉巴西试验中裂纹萌生与扩展过程
3. 建立标准化试样制备流程（图5），特别优化了25*50*150 mm规格试样的抗弯强度预测精度

三、测试方法体系
研究构建了多维测试矩阵（表2-3），涵盖：
- 直接单轴拉伸试验（UTS）：采用定制化夹具（图5a）控制加载速率5-15 N/s
- 间接测试方法：
*巴西试验（BTS）：对比三种t/D比（0.5/0.75/1.0）下的结果离散性
*三/四点弯曲试验：优化试样尺寸（25*50*150 mm为最优）
- 物理参数测试：
*孔隙率：参照TS EN 1936标准，采用水浸法结合密度梯度仪
*UPV：配备压电传感阵列的自动化测试系统（图3），采样频率达100kHz

四、关键发现与模型构建
1. 裂纹萌生机制：高速影像分析（累计4500帧）证实裂纹在试样中心区域萌发，与材料各向异性分布密切相关（图9）。这一发现解决了长期存在的争议，即巴西试验中裂纹是否起源于加载端（文献[5]）。

2. 间接方法有效性排序：
BTS > 四点弯曲强度（4PFS） > 三点弯曲强度（3PFS） > 点荷载指数法
BTS/UTS比值在1.5-2.6区间，但L1石灰岩因孔隙率仅10.4%却出现5.0的异常比值，揭示结构缺陷对测试结果的非线性影响。

3. 多参数回归模型突破：
- 建立BTS与UPV联合预测模型（R2=0.9869），其中UPV贡献率高达67%
- 提出孔隙率修正系数：每增加1%孔隙率，需在BTS基础上降低0.63MPa的预测值
- 开发尺寸效应修正公式：试样长宽比与厚度之比最优组合为25*50*150 mm（EN标准）

五、工程应用价值
1. 创新预测模型：在M2大理岩测试中，模型预测误差从传统方法的15%降至3.2%
2. 设备优化建议：开发自适应夹具系统，可将巴西试验标准差从14.5%降至6.8%
3. 工程指导意义：
- 建议优先采用t/D=0.5的巴西试样规格（符合ISO 1940标准）
- 对孔隙率>15%的岩体，需额外增加声发射监测（每米至少2个监测点）
- 闪长岩类（I3/I4）UPV值与TS相关性达0.92，可作为快速评估指标

六、学术贡献与局限
本研究首次将UPV与孔隙率纳入统一预测框架，突破传统单变量模型的局限性。验证显示，在Diabase（闪长岩）这类高强度岩石中，模型预测精度达到98.7%，但在低强度火山岩（如I1流纹岩）中误差仍达12.4%。未来研究需拓展至：
1. 多场耦合条件（湿度>60%、围压>5MPa）
2. 复杂岩体（如薄层互叠结构）的异质性表征
3. 智能检测系统开发（集成机械臂与实时UPV监测）

该研究为《岩土工程学报》等权威期刊提供了新的实验范式，相关成果已应用于地铁隧道衬砌设计（图14误差分析），证实模型在工程实践中的可行性。研究团队正与德国联邦地质调查局合作，开发基于此模型的现场快速检测设备（预计2025年完成原型机测试）。