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      巖體檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例

      來(lái)源:Chinese websites  |  發(fā)布時(shí)間:2023年10月26日

        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,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是常見到的幾種有代表性巖體的縱波聲速統(tǒng)計(jì)值。

      表 4     常見巖體的縱波聲速統(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: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)

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