巖體參數(shù)測試應(yīng)用
巖體參數(shù)測試是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ),通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數(shù),為評價工程巖體力學(xué)性質(zhì)提供依據(jù)。其在巖石工程中應(yīng)用廣泛,主要有工程巖體質(zhì)量分級、圍巖松動圈的測定、大壩基礎(chǔ)灌漿效果檢測、巖體動靜彈模對比、建基面基巖質(zhì)量評價和驗收、爆破開挖影響范圍檢測、測定風(fēng)化系數(shù)、完整性系數(shù)和各向異性系數(shù)、斷層和巖溶等地質(zhì)缺陷探查等等。
一、由聲速測取巖體與巖石彈性力學(xué)參數(shù)
在測取了VP和VS并獲取巖體的密度ρ,即可獲得巖體的彈性模量E、剪切模量G、泊桑比σ。
二、用縱、橫波(Vp/Vs)比值評價巖體質(zhì)量
彈性理論證明,巖體的泊桑比σ反映巖體彈性性能,即巖體的“軟”、“硬”程度。由于泊桑比與縱、橫聲速之比有著密切的關(guān)系,所以常用縱橫波速度之比來反映巖體的物理性狀。縱橫波速度比Vp/Vs與泊桑比σ的關(guān)系如表1
表 1 縱橫波速度比Vp/Vs與泊桑比σ的關(guān)系
顯然,Vp/Vs值越大,巖體越“軟”,大量的統(tǒng)計Vp/Vs的量值與巖體的完整程度如表2。
表 2 Vp/Vs的量值與巖體的完整程度的相關(guān)性
三、用聲速測取巖體完整性指數(shù)
評價巖體的質(zhì)量也可以只用縱波聲速。例如“工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)”(GB50218-2014)規(guī)定可以用巖體的縱波波速Vpm與巖石的縱波聲速VpR按1式測算出巖體完整性指數(shù)Kv。
顯然巖體包含的裂隙、節(jié)理比小體積的巖石要少,故Kv<1。可見,它反映的是巖體的完整程度。由完整性指數(shù)可對巖體的工程力學(xué)性質(zhì)進行分類如表3.
表 3 工程兵某部巖體分類
四、用聲速劃分巖性
不同巖性由于其結(jié)構(gòu)、礦物組合、成因、地質(zhì)年代等因素的不同,聲速是不同的且并不固定,而分布在一定范圍。表4是常見到的幾種有代表性巖體的縱波聲速統(tǒng)計值。
表 4 常見巖體的縱波聲速統(tǒng)計值
五、用聲速劃分巖體風(fēng)化程度
同一種巖性風(fēng)化程度的不同其聲速有著明顯的區(qū)別。以長江三峽三斗坪壩線巖體風(fēng)化程度與縱波聲速為例,說明用縱波聲速劃分巖體風(fēng)化的可行性。
表 5 巖性風(fēng)化程度與縱波波聲速
六、由聲速了解巖體的裂隙發(fā)育程度
巖體聲速與巖體裂隙有著較好的相關(guān)性,可用聲學(xué)理論中的“惠更斯原理”做出聲波在裂隙發(fā)生繞射現(xiàn)象。繞射的過程聲線“拉”長,聲波傳播時間加長,使視聲速降低,故聲速不僅可對巖體的風(fēng)化程度加以劃分,對巖體中存在的裂隙有著極為敏感的反映,特別是張裂隙。
七、由聲速了解巖體的裂隙發(fā)育程度
巖體的結(jié)構(gòu)可分為四類:整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)。聲波在整體塊狀結(jié)構(gòu)中的傳播速度快,后三類結(jié)構(gòu)中,由于巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度各不相同,使聲速隨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜而降低。這就決定了隨著巖體結(jié)構(gòu)的不同聲波的傳播走時是會有一定規(guī)律的,其關(guān)系如下表6。
表6 聲速與巖體結(jié)構(gòu)
八、由聲速可了解地應(yīng)力
上述裂隙對聲速的影響稱之為“裂隙效應(yīng)”。巖體受到外界應(yīng)力作用時,其變形首先是裂隙的壓密,由此可使聲速提高。但當(dāng)應(yīng)力超過強度極限,巖體又會出現(xiàn)新的裂隙而使聲速下降。圖1是四塊巖石試塊(砂巖)應(yīng)力與聲速關(guān)系實測曲線。
所以,根據(jù)上述原理,對巖體做應(yīng)力釋放處理測取應(yīng)力釋放前后的聲速,然后再對應(yīng)力釋放處理取得的巖心加壓測量其聲速,可推測出地應(yīng)力的量值及方向。
九、巖體參數(shù)測定儀
選配件:一發(fā)雙收換能器,跨孔增壓式換能器,平面夾心式換能器50KHz
主要技術(shù)指標(biāo):
主機:專用微機系統(tǒng)
聲時測讀范圍:0~640Kμs
聲時測讀精度:±0.05μs
幅度測讀范圍:0~177dB
增益精度:3%
放大器帶寬:5Hz~500kHz
發(fā)射電壓:250、500、1000V多檔可調(diào)
采樣周期:0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4μs可調(diào)
ZT801部分芯樣測試結(jié)果
綜上所述述,在巖土工程中巖體參數(shù)測定儀采用聲波檢測技術(shù)可用于:
測定洞室圍巖及巖體邊坡因施工引起的松動范圍;
測定巖石、巖體的物理力學(xué)參數(shù)(Vp、Vs、Ed、Gd);
劃分巖性及確定巖體化風(fēng)化程度劃分巖體風(fēng)化殼;
測定裂隙發(fā)育情況,了解巖體結(jié)構(gòu)特征;
檢測巖溶、巖體破碎帶發(fā)育情況及空間分布等;
檢測灌漿補強的施工質(zhì)量和效果
測定水下地貌及地層結(jié)構(gòu);
檢測灌注樁樁身完整性及缺陷位置。
ZT801實測工程實例
例一、長江三峽鏈子崖隱伏裂縫的聲波檢測
長江西陵峽鏈子崖危巖體存在12組50余條裂縫,出露寬約2m,深不可測。其中8#及9#裂縫,北端隱伏于覆蓋層下,是否延伸與12??p貫通,成為查明巖體結(jié)構(gòu)、確定巖崩方量和制定治理方案的關(guān)鍵。為此,在上述裂縫延伸關(guān)鍵部位,布兩鉆孔,孔距21m,深150m,孔內(nèi)無水。由原地質(zhì)礦產(chǎn)部方法技術(shù)研究所(吳慶曾、展建設(shè))采用跨孔聲波測試如圖2,用以查明裂縫的延伸及傾向。
現(xiàn)場測試采取由孔口逐點向下測試,各測點的波列排列如圖3,其特點是聲時逐點加長,至17m后不再接收到有效信號。推理:覆蓋層下巖體存在裂縫,聲波系由上部覆蓋層繞射。后經(jīng)室內(nèi)模型試驗證實,上述結(jié)論正確。從而為鏈子崖的治理,提供依據(jù),受到好評。
例二 深圳聲波巖體軟弱層及破碎帶聲波探測
深圳特區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)堪查中,對穩(wěn)定性做過專門的勘查。原地礦部方法技術(shù)研究所(吳慶曾、展建設(shè)),承擔(dān)了對300m以上深部地層聲波測井任務(wù),旨在對軟弱結(jié)構(gòu)的斷層破碎帶進行勘查,并做出地質(zhì)與物理特性評價。采用自行研制的“一發(fā)雙收”換能器及全自動聲波測井儀,進行測試,取得甚佳的測試效果。圖4是其中一個鉆孔在91.6~166.5m井段的測試記錄。這一段地質(zhì)情況復(fù)雜,但對破碎帶的反應(yīng)極為明顯;還可見到140.5~147.61m井段,鉆探取芯所不能劃分出的較弱結(jié)構(gòu),聲波測井卻做出明確反映,而91.6~124.21m較完整的混合巖,聲時幾乎無變化,聲速達(dá)4140m/s。聲波檢測補充完善了鉆孔取芯資料,為客觀評價巖體的穩(wěn)定性提供依據(jù)。
例三 廣和大橋跨孔聲波成像巖溶探測
工程場地地下巖體巖溶及斷層破碎帶,往往是施工階段及后期地質(zhì)災(zāi)害的隱患。有時受到場地條件的限制,其它物探方法不易施展。跨孔縱波CT成像在這種場地條件下不失為探明地下巖體結(jié)構(gòu),評價工程地質(zhì)條件的好方法。
圖5是廣東省地質(zhì)物探工程勘查院對位于廣州雅崗與佛山南海市和順之間,橫跨珠江支流的廣和大橋基礎(chǔ),采用跨孔縱波CT層析成像的結(jié)果。從圖9.35可以看出,速度色譜圖從上至下大致可分為3個速度帶:①低速帶,縱波速度<3.0km/s;②中速帶,縱波速度為3.0~4.3km/s;③高速帶,縱波速度>4.3km/s。根據(jù)縱波速度分為土層、溶洞、溶蝕裂隙發(fā)育及完整(或基本完整),從而可作出地質(zhì)的推斷解釋。以上說明在工程場地狹小,其他物探方法無法施展時,聲波層析成像成為理想的勘探手段
例四 三峽庫區(qū)遷建城鎮(zhèn)巖崩堆積體灌漿補強 效果聲波測試
三峽庫區(qū)遷建城鎮(zhèn)新址巖崩堆積體工程改造現(xiàn)場,灌漿補強前后巖體物理力學(xué)性能變化的測試試驗工作由中國地質(zhì)局方法技術(shù)研究所(李洪濤)完成,采用跨孔聲波透射法對灌漿前后進的破碎巖體進行縱、橫波聲速測試,計算出的彈性力學(xué)參數(shù)的變化如表7及表8。這些數(shù)字說明聲波檢測可以提供巖體的結(jié)構(gòu)特征之外,還可提供巖體的彈性力學(xué)參數(shù)。
例五 危巖錨固鉆孔內(nèi)裂縫及裂縫密集帶聲波檢測
長江三峽鏈子崖五萬方危巖體防治工程,采用錨索加固處理,錨固孔30 — 40m不等,深達(dá)64.2m。危巖體主要以棲霞灰?guī)r為主,裂隙發(fā)育且為張性,局部成破碎軟弱帶。錨固施工需掌握上述裂縫和(ρ1q)軟弱結(jié)構(gòu)面在錨固孔中的位置,分布及幾何尺寸。原地質(zhì)礦產(chǎn)部技術(shù)方法研究(展建設(shè)、曹修定)所承擔(dān)此項特種檢測任務(wù),研制一發(fā)一收干耦合換能器,在不能存留井液的水平干孔中,完成了共2670m的測試,指導(dǎo)了錨固施工。圖9.38是其中三個鉆孔的聲速—孔深曲線,其中視聲速低于1000m/s(圖中粗實線部份)的低速孔段均為裂隙及裂隙密集帶。聲波檢測可以細(xì)致的提供巖體的裂隙發(fā)育和裂隙的細(xì)微的分布,指導(dǎo)了巖體錨固的正確施工,是其他物探方法無法實現(xiàn)的。
例六 建筑基礎(chǔ)的跨孔層析成像實例
圖7(a)是建筑基礎(chǔ)跨孔層析成像圖,從該圖作出的地質(zhì)解釋如圖7(b),可見到第四系地層下的基巖起伏,以及溶洞分布。
(a)基樁基礎(chǔ)聲波層析圖 (b)基樁基礎(chǔ)地質(zhì)解釋
圖7 建筑基礎(chǔ)跨孔層析成像圖
例七、深圳地質(zhì)勘察
圖8是深圳某建筑基礎(chǔ)聲波三個鉆孔孔間CT成像構(gòu)成的二維剖面圖。目的在于探明覆蓋層下深度變化較大的白云質(zhì)大理巖的起伏和白云質(zhì)大理巖的巖溶發(fā)育,其地質(zhì)解釋如圖,可見:聲速1100m/以上為覆蓋層,1100~2100m/s聲速條帶可解釋為含礫巖粘性土,大于2100m/s以下為白云質(zhì)大理巖的界面,基巖面以下小于2100m/s的封閉圈為巖溶發(fā)育區(qū)。圖9是該建筑基礎(chǔ)的地質(zhì)解釋圖。
圖8 深圳鵬飛大廈基礎(chǔ)CT圖像
圖9 深圳鵬飛大廈基礎(chǔ)CT地質(zhì)解釋圖
例八 松動圈深度的檢測