超声波预测岩石强度的一种方法.pdf

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1、文章编号: 1004 ? 5716( 2006) 07? 0017 ? 03中图分类号: P313? 文献标识码: B 超声波预测岩石强度的一种方法 刘? 洋, 赵明阶 ( 重庆交通学院河海学院, 重庆 400074) 摘? 要: 以影响岩石破坏强度的孔隙率和对应力敏感的纵波速度作为研究的主要对象, 给出了岩石破坏强度与初始损 伤变量(即孔隙率) 和岩石破坏强度与纵波速度之间的理论公式, 提供了预测岩石强度的一种理论方法。 关键词: 孔隙率; 岩石; 破坏强度; 纵波速度 ? ? 岩石是矿物的集合体, 是典型的多相混合介质。岩石矿物颗 粒堆积、 胶结在一起形成岩石, 颗粒间形成了孔隙, 而岩石

2、孔隙内 还可以被水所充填, 所以岩石介质是由固体颗粒、 孔隙或微裂纹 以及孔隙水所充填的固、 液、 气三相介质。岩石组构的复杂性导 致了岩石在受载过程中, 其内部应力分布较为复杂。目前在岩石 工程中, 岩石强度的获取通常是现场采样, 然后通过室内岩石试 验求得, 但是通过采样得到的岩石试件, 相当于卸去了围压, 对岩 样产生很大的扰动, 由此获得的岩样与其原状应力相比仍存在 很大的误差。而超声波测试技术正由于其扰动很小, 相对于实际 工程来说, 可以忽略, 再加上其测试方便因而获得了广泛的应用。 在运用超声波测试技术进行岩石强度预测方面的研究较少, 并 且由于其所含参数较多, 相应地造成在实际

3、中应用较为困难。通 过研究影响岩石强度的主要因素, 提出了预测岩石强度的一种 简便方法。 1? 影响岩石强度的因素 1. 1? 孔隙率的影响 1 一般来说, 孔隙率越大, 岩石的强度越小、 塑性变形和渗透性 越大, 反之则越小。同时岩石中由于孔隙的存在, 使之更容易遭 受各种风化作用, 导致岩石的工程地质性质进一步恶化。对于可 溶性岩石来说, 孔隙率大, 可以增强岩体中地下水的循环与联系, 是岩溶更加发育, 从而降低岩石的强度并增强其透水性。当岩石 中的孔隙被粘土等物质填充时, 则又会给工程建设带来诸如泥 化夹层或夹泥层等岩体力学问题。 1. 2? 含水率的影响 2 含水率对岩石强度也有很大的

4、影响。例如: 在 100 !C 敞放中 搁置 7d 后加压的试件比在大气中干燥 2星期后加压试件的抗压 强度要提高 6% , 在水中放置 7d 后加压的试件强度比在大气中 干燥的试件降低 12% 。据铃木光的试验, 抗压强度与含水率大 致可按下列的指数函数表示: ?c= a e- bw 式中: a, b? ? 与岩石有关的常数; w? ? 试件水分含量与干燥岩石的重量比所表示的含水率。 1. 3? 泥质含量的影响 泥质含量越高, 相应地岩石的强度越低。另外粘土在岩石内 部的分布形式不同, 对岩石性质的影响不同, 一般, 承载粘土将大 大降低岩石的整体刚度, 层状泥质影响最大, 结构泥质次之,

5、而孔 隙中的分散粘土影响最小。 2? 与应力相关的超声波声学参数 2. 1? 纵波波速 超声波纵波速度对应力比较敏感。赵明阶的研究表明3, 岩 石在单轴压缩作用下, 岩石中轴向和横向纵波速度在压密过程 中均随荷载增加而增加; 在压密过程结束后轴向波速增加缓慢, 而横向波速基本保持恒定; 在裂纹扩展阶段, 轴向波速变化微弱, 横向波速随荷载的增大而减小; 在岩石接近破坏时, 轴向波速有 轻微的下降, 但横向波速却剧烈下降。由此可见, 在单轴压缩作 用下, 岩石纵波速度能够反映出岩石中裂隙变化规律及其力学 性质。也就是说, 超声波纵波速度对应力非常敏感。 2. 2? 声衰减 在进行声衰减的描述时,

6、 常用到品质因数 Q, 其具体形式为: Q= ?f V 式中: V ? ? 超声波在岩石中的传播速度, m/ s; f? ? 频率, kHz; ? ? 衰减系数。 陈耕野的试验研究表明4: 在岩石单轴压缩过程中, 声衰减 在加压初期随应力增加而迅速增大, 在到达最大值即岩石启裂 临界点后, 随应力的继续升高, 声衰减值转为逐渐下降。剪切破 坏声衰减值仅随应力比率缓慢递增, 并与应力同时达到最大值。 2. 3? 声频率 金永君 5通过对超声波信号的波谱分析后指出, 砂岩试样 加压试验中, 加压初期检测信号与静载时有较大变化, 在岩石内 部出现细观裂纹, 随着加载强度增加, 裂纹沿晶界扩展, 频谱

7、继续 变坏。但在较高的应力水平下, 频谱变化较小趋于稳定, 研究认 为裂纹停止扩展。砂岩加压过程中频谱特性的变化是随着压力 增加主频减小, 频谱形状也变化, 该变化与裂隙产生、 形成乃至破 坏的岩石变化过程相对应。 3? 岩石强度与孔隙率的关系 总第 123 期 2006 年第 7 期 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 西部探矿工程 WEST - CHINA EXPLORAT ION ENGINEERING ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? series No. 123 July. 2006 教育部科学技术重点项目( 编号: 地方 3113) 多相岩

8、石在应力作用下的弹性特征主要是由孔隙、 裂隙的 的变形、 成核、 扩展等控制, 在影响岩石特征的诸多因素中, 孔隙 率是最主要的因素之一, 它对几乎所有岩石性质都有很大影响, 如强度、 模量、 波速等, 而且孔隙率是岩石最基本的物性参数之 一, 所以我们在这里只考虑孔隙度对岩石强度的影响。Ganigi ( 1976)利用 Hertz 颗粒接触理论建立了岩石强度与孔隙率的关 系式6: ?f= ?m1- ( ! !0 ) 1/3 (1) 式中:!0? ? 载荷为零, 岩石无胶结时的孔隙率; ?m? ? 颗粒材料破坏应力; ?f? ? 孔隙率为!时的破坏应力, 即岩石的强度。 如果以孔隙率作为损伤变

9、量, 因为 !均小于 !0, 所得到的岩 石破坏强度均为正值。由上式可以看出, 岩石的破坏强度与岩石 初始损伤变量(即岩石的初始孔隙率) 呈幂函数递减关系, 随着初 始损伤变量及孔隙率的增大, 岩石的破坏强度逐渐减小。其曲线 大致如图 1 所示, 与赵明阶所研究的初始损伤变量与岩石破坏强 度的关系曲线大致类似7。这表明以孔隙率作为岩石的损伤变 量是合理的。 图 1? 岩石破坏强度与初始损伤变量( 孔隙率) 的理论预测曲线 4? 孔隙度与超声波速的关系 根据 WYLLE等的研究, 有孔隙的岩石的声速( Vp) 具有以 下的关系式2: 1 Vp= ! Vf+ 1- ! Vr (2) 式中: Vf?

10、 ? 岩石中孔隙被液体(这里主要为水) 饱和时的声速; Vr? ? 岩石的声速; Vp? ? 声波在孔隙岩石中的速度。 由其定义可知: Vp Vf Vr 5? 岩石强度与超声波速的关系 由(2) 式得: != Vf(Vr- Vp) Vp(Vr- Vf) (3) 将(3) 式代入(1) 式, 得: ?f= ?m1- Vf( Vr- Vp) Vp(Vr- Vf)!0 1/ 3 (4) 将上式进行变换, 可得: ?f= ?m- ?m Vf (Vr- Vf)!0 1/ 3 (Vr Vp - 1) 1/ 3 (5) 在式( 5) 中,?m、 Vf、 Vr、 !0均可由试验测得, 所以在该式中, ?m、

11、?m Vf ( Vr- Vf)!0 1/3、 V r均为常数, 令 a= ?m, b= ?m Vf ( Vr- Vf)!0 1/3, c= Vr 则( 5) 式可以表示为: ?f= a- b( c Vp- 1) 1/ 3 (6) 因为 Vp( 声波在孔隙岩石中的速度) 小于 Vr( 声波在完整岩 石中的速度), 所以所求得的岩石强度的最大值为 a, 即岩石破坏 强度的最大值是?m, 无孔隙存在时岩石的强度。岩石的破坏强 度与超声波纵波速度的关系曲线如图 2 所示, 岩石破坏强度随纵 波速度呈幂函数递增。在开始阶段, 岩石破坏强度随纵波速度增 加而增加的较快, 随后其增加速度逐渐减小, 逐渐趋近

12、其最大值 ?m。 图 2? 岩石破坏强度与超声波纵波速度的理论预测曲线 6? 结论 ( 1) 在用超声波预测岩石强度时, 选用了对岩石力学性质影 响非常重要的孔隙度和对应力较为敏感的超声波纵波速度, 对 于工程来说, 其精度基本上能够满足要求。 ( 2) 将岩石强度与超声波之间的研究提供了理论依据, 相对 于通过试验来拟合其关系的方法来说, 更加合理。 ( 3) 在岩石破坏强度与波速的关系式中, 考虑了孔隙中含水 的影响, 将岩石介质看作为多相介质, 使该方法更接近实际情况。 ( 4) 式中各种参数比较容易获得, 便于该方法在工程中的推 广应用。 参考文献: 1 ? 刘佑荣, 唐辉明. 岩体力

13、学 M . 武汉: 中国地质大学出版社, 1999. 2 ? 铃木光. 岩石力学与测定 M . 北京: 煤炭工业出版社, 1980. 18 西? 部? 探? 矿? 工? 程? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? July. 2006 No. 7 ? 文章编号: 1004 ? 5716( 2006) 07? 0019 ? 02中图分类号: TU473? 文献标识码: B 悬臂桩在基坑支护中的工程实例 梁强新 ( 广东省地质勘查局七一九地质大队, 广东 肇庆 526020) 摘? 要: 针对金港空中花园住宅基坑护壁工程, 阐述了选用悬臂桩设计方案的理由, 并就悬臂桩的主

14、动土压力及被动土 压力的计算, 进一步利用布鲁姆( Blum) 法计算桩的嵌固深度。 关键词: 基坑支护; 悬臂桩; 布鲁姆( Blum) 法; 嵌固深度 1? 概况及地层岩性 拟建金港空中花园建筑物呈矩形, 占地 4. 68 亩, 总建筑面积 14170m2, 总高度 23. 7m, 地上 7 层, 设地下室 1 层, 地下室底面 标高- 4. 40m, 屋顶设电梯房、 花圃以及花园。由于场地狭窄且 地下水埋深较浅, 地基土渗透性强, 为满足人工挖孔浇注桩施工, 确保地下室施工及基坑的安全, 必须进行基坑支护设计。 根据钻探资料, 地基土主要由第四系全新统冲洪积层构成, 按地基土的构成自上而

15、下分述如下: (1) 第四系全新统人工填土层( Qm l 4) : 1杂填土: 松散, 以砖瓦块、 炭渣砼块、 砂卵石等为主, 混少 量粘性土、 粉土。厚度变化大, 为 0. 40 2. 30m, 分布不稳定。 2素填土: 湿, 可塑。以粉质粘土、 粉土为主, 混少量砖瓦 块、 炭渣、 砂卵石等。厚度变化大, 为 0. 40 2. 30m, 分布不稳定。 (2) 第四系全新统冲洪积层( Q4al+ pl) : # 粉土: 湿, 中密, 土体富含粉砂及云母碎片, 下部夹薄层状 粉细砂, 受人类活动的工程影响。厚度变化大, 分布不稳定, 残存 层厚为 0. 40 1. 40m。 1粉砂: 湿, 松

16、散。以粉砂为主, 上部夹薄层粉土, 下部含细 砂及中砂粒。本层主要分布于卵石层顶部, 厚度变化大, 为 0. 30 1. 30m, 分布不稳定。 2中砂: 湿, 稍密。矿物成份以长石, 石英为主, 暗色矿物及 云母次之, 含 10% 15% 砾卵石。本层厚度变化大, 分布不稳 定, 主要分布于卵石层上部, 构成砂土透镜体, 厚度为 0. 40 1. 90m。 %卵石层: 饱和, 卵 石层顶 面埋 深 1. 90 3. 20m, 标高 506. 71 508. 50m。卵石成份以花岗岩、 石英岩、 闪长岩为主。 根据原位测试资料, 在勘探深度范围内按卵石层的密实度可分 为 3 个亚层: %1稍密

17、卵石层: 分布于卵石层上部和中部, 厚度变化大, 分 布不稳定, 一般粒径直 2 8cm, 卵石含量占 54% , 充填物为灰 色、 黄绿色中砂, 厚度为 0. 40 4. 80m。 %2中密卵石层: 主要分布于卵石层上部和中部, 厚度大, 分 布稳定, 一般粒径 3 10cm, 卵石含量占 65% , 充填物为灰色、 黄 棕色中砂, 厚度为 0. 80 5. 10m。 %3密实卵石层: 分布于卵石层中部和下部, 厚度大, 分布稳 定, 一般粒径 3 12cm, 含10% 15% 漂石, 粒径 20 45cm, 卵石 含量占 80% 85% , 充填物为灰色, 黄褐色中砂, 钻孔揭露厚度 为

18、0. 90 6. 20m, 未见底。 2? 基坑支护设计方案 基坑支护的方法是多种多样, 如悬臂桩、 锚拉桩、 重力式挡土 墙、 土钉等。显然, 基坑支护方案的选择根据工程特点, 遵循技术 可行、 经济合理的原则进行。 悬臂桩护壁: 它是依靠桩身在较密实土层中的嵌固力来抵 挡边坡土层作用在桩身的土压力。当桩身在主动土压力作用下 绕嵌固段上端点发生偏转时, 该嵌固土层就会产生一对力偶式 的被动土压力, 使桩身达到平衡。悬臂桩作为一种被动支护, 其 适用范围较广, 实践应用经验丰富, 特别在基坑开挖较浅( 10m 左右) 时, 常采用悬臂桩护壁方案。 ( 1) 主动土压力和被动土压力: 本设计采用

19、朗肯( Rankine) 理 论计算土压力。 主动土压力: 对无粘性土, 有: ?a= Htan2(45 !- !/ 2) = HKa 对粘性土, 有: ?a= Htan2(45 !- !/ 2) - 2cot( 45!- !/2)= HKa- 2CKa 式中: ?a? ? 主动土压力强度; Ka? ? 主动土压力系数, Ka=tan2(45 !- !/ 2) ; ? ? 墙后填土容重; 3 ? 赵明阶. 裂隙岩体在受荷条件下的声学特性研究 D . 重庆: 重庆建 筑大学博士学位论文, 1998. 4 ? 陈耕野, 李造鼎, 刘斌. 岩石中裂隙损伤对超声波衰减影响的实验研 究 J . 黄金,

20、1995, 16( 2) : 15 20. 5 ? 金永君, 李晓萍. 岩石超声波谱测试技术 J . 工科物理, 2000, 10 ( 3) : 20 22. 6 ? 葛洪魁. 多相岩石弹性特征的试验研究及其在地层评价中的一些应 用 R . 北京: 中国地震局地球物理研究所, 2000. 7 ? 赵明阶, 徐蓉. 岩石损伤特性与强度的超声波速研究 J . 岩土工程 学报, 2000, 22( 6) : 720 722. 总第 123 期 2006 年第 7 期 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 西部探矿工程 WEST - CHINA EXPLORAT ION ENGINEERING ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? series No. 123 July. 2006