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  巖體參數(shù)測(cè)試應(yīng)用

      巖體參數(shù)測(cè)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(guò)測(cè)定聲波在巖體中的傳播特性參數(shù)，為評(píng)價(jià)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(jí)、圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定、大壩基礎(chǔ)灌漿效果檢測(cè)、巖體動(dòng)靜彈模對(duì)比、建基面基巖質(zhì)量評(píng)價(jià)和驗(yàn)收、爆破開(kāi)挖影響范圍檢測(cè)、測(cè)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(cè)取巖體與巖石彈性力學(xué)參數(shù)

      在測(cè)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(píng)價(jià)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(lái)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(jì)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(cè)取巖體完整性指數(shù)

      評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量也可以只用縱波聲速。例如“工程巖體分級(jí)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(cè)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(jiàn)，它反映的是巖體的完整程度。由完整性指數(shù)可對(duì)巖體的工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)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(jiàn)到的幾種有代表性巖體的縱波聲速統(tǒng)計(jì)值。

表 4     常見(jiàn)巖體的縱波聲速統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)江三峽三斗坪壩線巖體風(fēng)化程度與縱波聲速為例，說(shuō)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(guò)程聲線“拉”長(zhǎng)，聲波傳播時(shí)間加長(zhǎng)，使視聲速降低，故聲速不僅可對(duì)巖體的風(fēng)化程度加以劃分，對(duì)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(shí)是會(huì)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(duì)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(shí)，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(guò)強(qiáng)度極限，巖體又會(huì)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(shí)測(cè)曲線。

      所以，根據(jù)上述原理，對(duì)巖體做應(yīng)力釋放處理測(cè)取應(yīng)力釋放前后的聲速，然后再對(duì)應(yīng)力釋放處理取得的巖心加壓測(cè)量其聲速，可推測(cè)出地應(yīng)力的量值及方向。

九、巖體參數(shù)測(cè)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(jī)：專用微機(jī)系統(tǒng)

  聲時(shí)測(cè)讀范圍：0～640Kμs

  聲時(shí)測(cè)讀精度：±0.05μs

  幅度測(cè)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(cè)試結(jié)果

綜上所述述，在巖土工程中巖體參數(shù)測(cè)定儀采用聲波檢測(cè)技術(shù)可用于：

測(cè)定洞室圍巖及巖體邊坡因施工引起的松動(dòng)范圍；

測(cè)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(cè)定裂隙發(fā)育情況，了解巖體結(jié)構(gòu)特征；

檢測(cè)巖溶、巖體破碎帶發(fā)育情況及空間分布等；

檢測(cè)灌漿補(bǔ)強(qiáng)的施工質(zhì)量和效果

測(cè)定水下地貌及地層結(jié)構(gòu)；

檢測(cè)灌注樁樁身完整性及缺陷位置。

ZT801實(shí)測(cè)工程實(shí)例

例一、長(zhǎng)江三峽鏈子崖隱伏裂縫的聲波檢測(cè)

       長(zhǎng)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(cè)。其中8＃及9＃裂縫，北端隱伏于覆蓋層下，是否延伸與12＃縫貫通，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(wú)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(cè)試如圖2，用以查明裂縫的延伸及傾向。

       現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采取由孔口逐點(diǎn)向下測(cè)試，各測(cè)點(diǎn)的波列排列如圖3，其特點(diǎn)是聲時(shí)逐點(diǎn)加長(zhǎng)，至17m后不再接收到有效信號(hào)。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(yàn)證實(shí)，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(píng)。

例二 深圳聲波巖體軟弱層及破碎帶聲波探測(cè)

       深圳特區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)堪查中，對(duì)穩(wěn)定性做過(guò)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(duì)300m以上深部地層聲波測(cè)井任務(wù)，旨在對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)的斷層破碎帶進(jìn)行勘查，并做出地質(zhì)與物理特性評(píng)價(jià)。采用自行研制的“一發(fā)雙收”換能器及全自動(dòng)聲波測(cè)井儀，進(jìn)行測(cè)試，取得甚佳的測(cè)試效果。圖4是其中一個(gè)鉆孔在91.6~166.5m井段的測(cè)試記錄。這一段地質(zhì)情況復(fù)雜，但對(duì)破碎帶的反應(yīng)極為明顯；還可見(jiàn)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(cè)井卻做出明確反映，而91.6~124.21m較完整的混合巖，聲時(shí)幾乎無(wú)變化，聲速達(dá)4140m/s。聲波檢測(cè)補(bǔ)充完善了鉆孔取芯資料，為客觀評(píng)價(jià)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(cè)

      工程場(chǎng)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(shí)受到場(chǎng)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(chǎng)地條件下不失為探明地下巖體結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)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(duì)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(gè)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(shuō)明在工程場(chǎng)地狹小，其他物探方法無(wú)法施展時(shí)，聲波層析成像成為理想的勘探手段

例四 三峽庫(kù)區(qū)遷建城鎮(zhèn)巖崩堆積體灌漿補(bǔ)強(qiáng) 效果聲波測(cè)試

      三峽庫(kù)區(qū)遷建城鎮(zhèn)新址巖崩堆積體工程改造現(xiàn)場(chǎng)，灌漿補(bǔ)強(qiáng)前后巖體物理力學(xué)性能變化的測(cè)試試驗(yàn)工作由中國(guó)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(duì)灌漿前后進(jìn)的破碎巖體進(jìn)行縱、橫波聲速測(cè)試，計(jì)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(shuō)明聲波檢測(cè)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(cè)

        長(zhǎng)江三峽鏈子崖五萬(wàn)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(xiàng)特種檢測(cè)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(cè)試，指導(dǎo)了錨固施工。圖9.38是其中三個(gè)鉆孔的聲速—孔深曲線，其中視聲速低于1000m/s(圖中粗實(shí)線部份)的低速孔段均為裂隙及裂隙密集帶。聲波檢測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

例六 建筑基礎(chǔ)的跨孔層析成像實(shí)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(jiàn)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(gè)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(jiàn)：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(dòng)圈深度的檢測(cè)