CN106370812A - 一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法 - Google Patents

一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法，属地质工程领域。该方法基于点荷载强度试验、回弹测试、声波测试和直剪试验四种原位测试技术，依据蚀变岩与未蚀变原岩的测试结果，分析得到岩体的点荷载强度指数降低率、平均回弹值降低率、声波波速降低率、粘聚力降低率和内摩擦角降低率，通过权重分析法建立岩体蚀变程度定量评价指标，确定岩体蚀变分带判别准则，对岩体进行科学蚀变分带，得出强蚀变带、中等蚀变带、弱蚀变带和未蚀变带岩体的空间分布范围，为工程勘测、设计和治理提供科学依据。本发明首次将原位测试技术引入到岩体蚀变分带判别中，解决了现有技术评价方法单一，人为因素影响大，无法定量评价等问题。测试手段先进，判别方法更具新颖性。与传统的定性经验方法相比，该方法更具科学性、合理性。

Description

一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法
技术领域
本发明涉及地质工程技术领域，尤其涉及一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法。
背景技术
地壳内部存在大量热液流体，当这些流体沿着断裂等通道进入到其他岩石体系后，便与之发生化学反应，使得周围岩石的化学成分、矿物成分以及结构构造都发生改变，所形成的岩石被称为蚀变岩。蚀变岩是水利、采矿、交通、国防等行业中常见的特殊性岩石之一，如二滩水电站、小湾水电站、滇藏铁路等重大工程建设中都存在着蚀变岩问题。由于形成环境条件的差异，不同区域岩体蚀变程度不同，存在显著的岩体蚀变分带现象。蚀变程度大的岩体易于形成工程软弱带，极易引起坝基、边坡、地下洞室和隧道等的变形破坏问题，危及施工人员的安全，同时造成工程投资增大，工期延长等问题。岩体蚀变分带是工程规划、勘察、设计阶段需要考虑的关键问题之一。因此，查明岩体蚀变程度及其分布范围，对岩体进行科学的蚀变分带研究，对于确保工程的安全与稳定具有重要的理论意义和工程实践意义。
目前，工程中通常采用肉眼观察结合地质锤敲击的方法，判别岩体的蚀变程度及其分布范围，对岩体进行蚀变分带。这种方法主观因素影响大，难以客观、全面、准确地判别蚀变岩的分带特征。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法，能够解决现有技术评价方法单一，人为因素影响大，无法定量评价的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法，包括以下步骤：
步骤一：测试范围划分和测试点确定：
根据前期勘测资料和现场地质条件，划分蚀变岩的测试范围，确定不同蚀变程度岩体的原位测试点位置。测试点间距根据工程分带精度要求确定，间距越小，蚀变分带结果越精确；在测试点处标记位置，用于回弹测试和声波测试，在测试点处采取岩石试样，用于点荷载强度试验和直剪试验.
步骤二：测试数据的采集，具体包括如下步骤：
采用点荷载仪对岩石试样进行点荷载强度试验，记录岩石的破坏荷载，量测试样尺寸，计算岩石的点荷载强度指数。
采用回弹仪在岩体表面进行回弹测试，记录岩体的回弹值，然后通过下述公式计算岩体的平均回弹值，其中，R ei为第i个测点的回弹值。
采用声波测试仪在岩体表面进行声波测试，记录声波在岩体内的传播时间，量测发射换能器和接收换能器中心点的间距，通过公式计算岩体内声波波速，其中，L为发射换能器与接收换能器中心点的间距，t为声波在岩体内的传播时间，t 0为仪器***的零延时。
采用携带式剪切仪，对岩石试样进行直剪试验，记录作用在剪切面上的法向荷载值和剪切荷载值，量测剪切面面积，计算岩体的粘聚力和内摩擦角。
步骤三：岩体蚀变程度分析：
基于点荷载强度指数、平均回弹值、声波波速、粘聚力和内摩擦角，分别计算得到岩体的点荷载强度指数降低率、平均回弹值降低率、声波波速降低率、粘聚力降低率和内摩擦角降低率，作为岩体蚀变程度的评价依据。
步骤四：岩体蚀变分带判别：
基于步骤三得到的评价参数，利用权重分析法建立岩体蚀变程度定量评价指标，确定岩体蚀变分带判别准则；依据定量评价指标，对现场各测试点的岩体蚀变程度进行定量评价；根据分带判别准则，对岩体蚀变分带进行判别。
所述的步骤二中计算岩石的点荷载强度指数具体包括如下步骤：
首先，计算未经修正的岩石点荷载强度指数，其中，P t为破坏荷载，D e为等价岩芯直径。其次，当两加载点间距不等于50mm时，修正后的点荷载强度指数，其中，m为修正指数。
所述的步骤二中计算岩体的粘聚力和内摩擦角具体包括如下步骤：
首先，记录作用在剪切面上的法向应力，记录作用在剪切面上的剪应力。然后，通过公式计算岩体的粘聚力和内摩擦角，其中，P为作用在剪切面上的法向荷载，Q为作用在剪切面上的剪切荷载，A为剪切面面积，σ为作用在剪切面上的法向应力，τ为作用在剪切面上的剪应力，c为岩体粘聚力，φ为岩体内摩擦角。
所述的步骤三中，所述的点荷载强度指数降低率通过公式进行计算，所述的平均回弹值降低率通过公式进行计算，所述的声波波速降低率通过公式进行计算，所述的粘聚力降低率通过公式进行计算，所述的内摩擦角降低率通过公式进行计算；其中，、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的点荷载强度指数；、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的平均回弹值；V、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的声波波速值，、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的粘聚力；、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的内摩擦角。
所述的步骤四中建立岩体蚀变程度定量评价指标f，所述的其中，w i为权重系数，i=1，2，3，4，5，w i值大小根据原位测试数据的准确性和可靠性进行赋值，满足。
所述的步骤四中确定岩体蚀变分带判别准则具体为：根据现场测试结果，确定岩体蚀变分带判别准则：若0<f<u 1，为强蚀岩；若u 1≤f<u 2，为中等蚀变；若u 2≤f<1，为弱蚀变；若f=1，为未蚀变原岩，其中，u 1和u 2为分带系数，其值根据具体工程条件确定，满足u 1<u 2。
所述的步骤四中判别岩体蚀变分带特征具体为：首先，基于定量评价指标，计算各测试点岩体蚀变程度评价指标值，得出各测试点岩体的蚀变程度；然后，依据分带判别准则，将同一蚀变程度区间的岩体划分为同一蚀变带，对岩体进行蚀变分带，得出强蚀变带、中等蚀变带、弱蚀变带和未蚀变带岩体的空间分布范围。
本发明首次将点荷载强度试验、回弹测试、声波测试和直剪试验四种现场原位测试技术引入到岩体蚀变分带中，旨在提出一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法。采用上述技术方案，所取得的有益效果是：
(1)本发明首次将原位测试技术引入到岩体蚀变分带判别中，有效弥补了目前还没有定量判别方法的缺陷。判别过程中可同步获得岩体力学参数，可直接为工程设计使用，测试手段先进，判别方法更具新颖性。
(2)本发明属于定量判别方法，与传统的定性经验方法相比更具科学性、合理性。
(3)本发明依据多种指标进行综合判别，使判别结果更为准确，可快速、连续、大范围对岩体进行蚀变分带判别。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明点荷载强度试验示意图；
图3为本发明直剪试验示意图；
图4为本发明岩体蚀变分带结果示意图。
其中，P t破坏荷载，C圆锥状压板，E岩石试样，P作用在剪切面上的法向荷载，Q作用在剪切面上的剪切荷载，1不规则形状试样，2剪切缝垫条，3砂浆，4剪切面，A 1强蚀变带，A 2中等蚀变带，A 3弱蚀变带，A 4未蚀变带，Y岩浆热液带。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括以下步骤：
步骤一：测试范围划分和测试点确定：
根据前期勘测资料和现场地质条件，划分蚀变岩的测试范围，确定不同蚀变程度岩体的原位测试点位置。测试点间距根据工程分带精度要求确定，间距越小，蚀变分带结果越精确；在测试点处标记位置，用于回弹测试和声波测试，在测试点处采取岩石试样，用于点荷载强度试验和直剪试验。
所述测试范围划分还附加考虑有岩体产状和岩体完整程度等因素，选取典型剖面，然后在剖面上布置测试点位置。
步骤二：测试数据的采集，具体包括如下步骤：
采用点荷载仪对岩石试样进行点荷载强度试验，记录岩石的破坏荷载，量测试样尺寸，计算岩石的点荷载强度指数；所述的步骤二中计算岩石的点荷载强度指数具体包括如下步骤：
首先，计算未经修正的岩石点荷载强度指数，其中，P t为破坏荷载，D e 为等价岩芯直径。
其次，当两加载点间距不等于50mm时，修正后的点荷载强度指数，其中，m为修正指数。岩芯径向试验D e=D，其中，D为试样直径；岩芯轴向试验，其中，A为通过两加载点的最小截面积；规则方块和不规则块体试验，其中，W为通过两加载点的最小截面宽度或平均宽度。
本发明所述的点荷载强度试验中，岩石试样可以采用钻孔岩芯，或从岩石露头、勘探坑槽、平洞、巷道中采取的岩块。试样加荷点附近的表面修整平，如图2所示，将岩石试样E放置于两个球形圆锥状压板C之间，对试样匀速施加集中荷载直至破坏，从压力表中得到岩石试样破坏时的荷载值。
对破坏后的试样尺寸进行量测，包括上、下两加荷点间的距离D和垂直于加荷点连线的平均宽度W。
采用回弹仪在岩体表面进行回弹测试，记录岩体的回弹值，然后通过下述公式计算岩体的平均回弹值，其中，R ei为第i个测点的回弹值。
本发明在实际操作中，在回弹测试位置处布置16个回弹测点，测点避开空洞、边缘部位和断裂发育部位，测试前清除测点岩体表面的岩粉、泥粉等。测试回弹值时，应使回弹仪轴线垂直于岩体表面。测量得出16个回弹数据值，舍去3个最大值和3个最小值，计算得出平均回弹值，其中，R ei为第i个测点的回弹值。
采用声波测试仪在岩体表面进行声波测试，本发明所述的声波测试前，需要对测点表面修凿平整、擦净，确定测定仪器与换能器***的零延时，然后在换能器表面涂1-2mm厚的耦合剂，将发射换能器和接收换能器放置在测点两侧表面压紧，调整声波仪的光标关门讯号至声波初至位置，测读声波在岩体中的传播时间，量测发射换能器和接收换能器两者中心点的间距。记录声波在岩体内的传播时间，量测发射换能器和接收换能器中心点的间距，通过公式计算岩体内声波波速，其中，L为发射换能器与接收换能器中心点的间距，t为声波在岩体内的传播时间，t 0为仪器***的零延时；
采用携带式剪切仪，对岩石试样进行直剪试验，记录作用在剪切面上的法向荷载值和剪切荷载值，量测剪切面面积，计算岩体的粘聚力和内摩擦角；所述的步骤二中计算岩体的粘聚力和内摩擦角具体包括如下步骤：
首先，记录作用在剪切面上的法向应力，记录作用在剪切面上的剪应力。
然后，通过公式计算岩体的粘聚力和内摩擦角，其中，P为作用在剪切面上的法向荷载，Q为作用在剪切面上的剪切荷载，A为剪切面面积，σ为作用在剪切面上的法向应力，τ为作用在剪切面上的剪应力，c为岩体粘聚力，φ为岩体内摩擦角。
本发明所述的直剪试验可以使用规则岩芯，也可以使用不规则岩块。具体操作时，通过制样盒，将岩芯或不规则岩块试样1用水泥砂浆3包裹，浇注成固定尺寸与固定形状试样后，安放在携带式剪切仪中，在剪切面上放置剪切缝垫条2，测试过程中剪切面位于试样中部。施加作用在剪切面的法向荷载P，保持法向荷载P不变，匀速施加剪切荷载Q，使剪切面4上下两盘试样相互摩擦剪断，如图3所示，记录作用在剪切面的法向荷载值和剪切荷载值，量测剪切面面积，其中，P为作用在剪切面上的法向荷载，Q为作用在剪切面上的剪切荷载，1为不规则形状试样，2为剪切缝垫条，3为水泥砂浆。
步骤三：岩体蚀变程度分析：
基于点荷载强度指数、平均回弹值、声波波速、粘聚力和内摩擦角，分别计算得到岩体的点荷载强度指数降低率、平均回弹值降低率、声波波速降低率、粘聚力降低率和内摩擦角降低率，作为岩体蚀变程度的评价依据。
所述的步骤三中，所述的点荷载强度指数降低率通过公式进行计算，所述的平均回弹值降低率通过公式进行计算，所述的声波波速降低率通过公式进行计算，所述的粘聚力降低率通过公式进行计算，所述的内摩擦角降低率通过公式进行计算；其中，、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的点荷载强度指数；、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的平均回弹值；V、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的声波波速值，、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的粘聚力；、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的内摩擦角。
步骤四：岩体蚀变分带判别：
基于步骤三得到的评价参数，利用权重分析法建立岩体蚀变程度定量评价指标，确定岩体蚀变分带判别准则；依据定量评价指标，对现场各测试点的岩体蚀变程度进行定量评价；根据分带判别准则，对岩体进行蚀变分带判别。
所述的步骤四中建立岩体蚀变程度定量评价指标f，所述的其中，w i为权重系数，i=1，2，3，4，5，w i值大小根据原位测试数据的准确性和可靠性进行赋值，满足。
所述步骤四中确定岩体蚀变分带判别准则具体为：根据现场测试结果，确定岩体蚀变分带判别准则：若0<f<u 1，为强蚀岩；若u 1≤f<u 2，为中等蚀变；若u 2≤f<1，为弱蚀变；若f=1，为未蚀变原岩，其中，u 1和u 2为分带系数，其值根据具体工程条件确定，满足u 1<u 2。
所述步骤四中判别岩体蚀变分带特征具体为：基于定量评价指标，计算各测试点岩体蚀变程度评价指标值，得出各测试点岩体的蚀变程度。依据分带判别准则，将同一蚀变程度区间的岩体划分为同一蚀变带，对岩体进行蚀变分带，得出强蚀变带A 1、中等蚀变带A 2、弱蚀变带A 3和未蚀变带A 4岩体的空间分布范围，如图4所示，为工程勘测、设计和治理提供科学依据。

Claims (7)

1.一种岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：测试范围划分和测试点确定：
根据前期勘测资料和现场地质条件，划分蚀变岩的测试范围，确定不同蚀变程度岩体的原位测试点位置；测试点间距根据工程分带精度要求确定，间距越小，蚀变分带结果越精确；在测试点处标记位置，用于回弹测试和声波测试，在测试点处采取岩石试样，用于点荷载强度试验和直剪试验；
步骤二：测试数据的采集，具体包括如下步骤：
采用点荷载仪对岩石试样进行点荷载强度试验，记录岩石的破坏荷载，量测试样尺寸，计算岩石的点荷载强度指数；
采用回弹仪在岩体表面进行回弹测试，记录岩体的回弹值，然后通过下述公式计算岩体的平均回弹值，其中，R ei为第i个测点的回弹值；
采用声波测试仪在岩体表面进行声波测试，记录声波在岩体内的传播时间，量测发射换能器和接收换能器中心点的间距，通过公式计算岩体内声波波速，其中，L为发射换能器与接收换能器中心点的间距，t为声波在岩体内的传播时间，t 0为仪器***的零延时；
采用携带式剪切仪，对岩石试样进行直剪试验，记录作用在剪切面上的法向荷载值和剪切荷载值，量测剪切面面积，计算岩体的粘聚力和内摩擦角；
步骤三：岩体蚀变程度分析：
基于点荷载强度指数、平均回弹值、声波波速、粘聚力和内摩擦角，分别计算得到岩体的点荷载强度指数降低率、平均回弹值降低率、声波波速降低率、粘聚力降低率和内摩擦角降低率，作为岩体蚀变程度的评价依据；
步骤四：岩体蚀变分带判别：
基于步骤三得到的评价参数，利用权重分析法建立岩体蚀变程度定量评价指标，确定岩体蚀变分带判别准则；依据定量评价指标，对现场各测试点的岩体蚀变程度进行定量评价；根据分带判别准则，对岩体蚀变分带进行判别。
2.根据权利要求1所述的岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：所述的步骤二中计算岩石的点荷载强度指数具体包括如下步骤：
首先，计算未经修正的岩石点荷载强度指数，其中，P t为破坏荷载，D e为等价岩芯直径；
其次，当两加载点间距不等于50mm时，修正后的点荷载强度指数，其中，m为修正指数。
3.根据权利要求1所述的岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：所述的
步骤二中计算岩体的粘聚力和内摩擦角具体包括如下步骤：
首先，记录作用在剪切面上的法向应力，记录作用在剪切面上的剪应力；
然后，通过公式计算岩体的粘聚力和内摩擦角，其中，P为作用在剪切面上的法向荷载，Q为作用在剪切面上的剪切荷载，A为剪切面面积，σ为作用在剪切面上的法向应力，τ为作用在剪切面上的剪应力，c为岩体粘聚力，φ为岩体内摩擦角。
4.根据权利要求1所述的岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：所述的
步骤三中，所述的点荷载强度指数降低率通过公式进行计算，所述的平均回弹值降低率通过公式进行计算，所述的声波波速降低率通过公式进行计算，所述的粘聚力降低率通过公式进行计算，所述的内摩擦角降低率通过公式进行计算；其中，、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的点荷载强度指数；、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的平均回弹值；V、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的声波波速值，、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的粘聚力；、分别为未蚀变原岩与蚀变岩的内摩擦角。
5.根据权利要求1所述的岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：所述的
步骤四中建立岩体蚀变程度定量评价指标f，所述的其中，w i为权重系数，i=1，2，3，4，5，w i值大小根据原位测试数据的准确性和可靠性进行赋值，满足。
6.根据权利要求1所述的岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：所述的步骤四中确定岩体蚀变分带判别准则具体为：根据现场测试结果，确定岩体蚀变分带判别准则：若0<f<u 1，为强蚀岩；若u 1≤f<u 2，为中等蚀变；若u 2≤f<1，为弱蚀变；若f=1，为未蚀变原岩，其中，u 1和u 2为分带系数，其值根据具体工程条件确定，满足u 1<u 2。
7.根据权利要求1所述的岩体蚀变分带的综合定量判别方法，其特征在于：所述的步骤四中判别岩体蚀变分带特征具体为：首先，基于定量评价指标，计算各测试点岩体蚀变程度评价指标值，得出各测试点岩体的蚀变程度；然后，依据分带判别准则，将同一蚀变程度区间的岩体划分为同一蚀变带，对岩体进行蚀变分带，得出强蚀变带、中等蚀变带、弱蚀变带和未蚀变带岩体的空间分布范围。
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