一、岩石抗压强度的重要意义
岩石抗压强度,在桥梁或建筑基础设计中具有十分重要的意义。比如:①根据岩石抗压强度不同划分为硬质岩、软质岩、极软岩等;②嵌岩桩的桩基承载力与桩端岩石抗压强度直接相关;③嵌岩桩抵抗水平力和弯矩时,其嵌入深度也和桩端岩石抗压强度直接相关。
二、岩石抗压强度标准值frk及其演变过程
(一)岩石抗压强度标准值frk
岩石抗压强度标准值frk,是一个统计值,其采用不少于6个试件的试验值,按照如下公式计算得出:
(二)标准值frk的演变过程
85版桥梁基础规范中,没有岩石抗压强度标准值frk的概念。2007版规范中首次提出了岩石抗压强度标准值frk,并给出了计算方法。2019版规范沿用了岩石抗压强度标准值frk的概念,却删除了计算方法。
三、目前标准值frk计算存在的问题
(一)问题分析
目前标准值frk计算存在的问题是,frk作为岩石抗压强度使用时,保证率较低,达不到95%。
上述frk计算式,实际上可以写为:
式中,S是样本标准差,t(n-1)是t分布,0.05是分位点。
根据概率知识:
即随机变量X是均值μ,方差σ^2(标准差σ)的正态分布时,X样本平均值作为一个随机变量,是均值μ,方差S^2/n(标准差S/√n)的t分布。
对比可知,岩石强度是均值frm,标准差S的正态分布,岩石强度平均值是均值frm,标准差S/√n的t分布。现行规范frk计算式中,frk的含义是,具有95%保证率的岩石强度平均值,而不是具有95%保证率的岩石强度值。
假定岩石强度为正态分布,则具有95%保证率的岩石强度值为:
(二)工程实例验证
例如参考文献中的一组数据:
如上表所示,平均值frm为19.02MPa,样本标准差S为3.68MPa,按照目前frk计算式计算,frk=15.99MPa,正态分布强度保证率为79.5%,按照参考文献方法,15.99MPa的保证率不足67%。按照正态分布计算,具有95%保证率的岩石抗压强度值是12.97MPa。
(三)存在问题
由以上工程实例可见,目前frk计算方法,可能导致高估岩石强度,造成安全隐患,特别是对于抗压强度不高(例如不超过10MPa),离散性比较大(例如样本标准差S为2MPa)的岩石,高估比例更大,更不安全。
四、frk计算方法演变过程考证
如上所述,2007版桥梁基础规范提出了frk以及计算方法,但这是否是始作俑者呢?为此,笔者查阅了一些文献,包括岩石强度试验相关标准,建筑基础规范等,结论是:
一、frk是一个统计数据,不是试验数据,岩石强度试验相关标准中,未见frk描述。
二、三十多年来,建筑基础规范有3部,包括89版、2002版和2011版,其中,89版提出了frk,计算方法是按照正态分布,即frk是具有95%保证率的岩石强度值,而2002版改为目前计算方法(未说明修改原因),2011版沿用了2002版。
三、2007版桥梁基础规范,直接引用了2002版建筑基础规范,并沿用至今,存在隐患。
五、结论
(一)岩石抗压强度标准值frk是一个统计数据,不是试验数据。
(二)现行规范frk计算值,是具有保证率95%的岩石抗压强度平均值,不是具有保证率95%的岩石强度值。现行规范frk值,按正态分布计算保证率,通常低于80%。
(三)现行规范frk值,容易高估岩石强度,造成安全隐患。特别是对于抗压强度不高(例如不超过10MPa),离散性比较大(例如样本标准差S为2MPa)的岩石,高估比例更大,更不安全。
(四)frk值首先在89版建筑基础规范提出,该规范中frk计算采用正态分布,具有95%的保证率,是正确的。2002版建筑基础规范修改了frk计算方法,保证率大幅降低,存在安全隐患,2007版桥梁基础规范直接引用了2002版建筑基础规范,并沿用至今,同样存在隐患。
(五)建议恢复89版建筑基础规范关于岩石强度标准值frk的计算方法,即按照正态分布进行计算。