CN111209685B - 一种基于随钻监测技术的深部节理岩体rqd确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,具体按照以下步骤实施:步骤1、利用场地随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速,进而计算节理岩体的钻能;步骤2、对步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理;步骤3、计算节理岩体钻能的离散性;步骤4、基于钻能离散度与RQD的关系,计算深部节理岩体RQD。本发明解决了现有岩体质量指标RQD由于影响因素较多导致测量方法受限的问题。
Description
技术领域
本发明属于深部岩体工程原位测试技术领域,具体涉及一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法。
背景技术
岩体质量指标(RQD)是表示岩体良好度的一种方法。由于RQD易于确定,且与岩芯采取率相比是一种更灵敏,更合适的指标。因此在世界范围内被广泛用作节理岩体质量评估的重要指标和参考。许多工程师经常结合自身经验,使用RQD来确定岩体的稳固性。RQD由Deere于1963年首次提出,在岩体工程中RQD被定义为:
Palmstrom(2005)引入了加权联合密度(WJD),使得RQD可以表示为:
RQD=110-2.5Jv(WJD) (2)
其中,WJD定义为fi是额定因子,与节理和钻孔之间的角度间隔有关,L是测得的段长。
Araghi(2006)为RQD计算引入了修改后的岩石质量名称(MRQD)。MRQD方法是基于薄弱区域建立的,包括节理数量,岩心冲洗和破碎区域,空腔和高风化岩体。MRQD可以表示为:
其中,WZ是薄弱区域的数量,nd是不连续区域的数量,Fr是碎片区域(间距<15-50mm),VZ是疏松区域,CW是洗芯区域,Cr是压碎区域(间距为5–15mm),C为空洞或铁芯损耗区。后来研究发现岩体的质量不仅取决于未破碎碎片的累积长度,而且还取决于未破碎碎片的数量N。因此,将校正后的岩石质量表示为:
其中,RQDC是校正后的岩石质量名称,L是行进或游程长度(或扫描线长度),Li是第i个不间断碎片的长度,a是材料参数。Azimian(2016)提出了一种改进的岩石质量标识(RQDi),以减少传统方法的局限性。RQDi表示为:
其中,fi是额定因子,CW是破碎的岩心段的长度,Fr是碎裂段的长度,(间隔为15–50mm),Cr是压碎段的长度,(间隔小于15mm),而K是岩溶岩段的长度。尽管RQD指标是当前岩体工程中常使用的基本参数。但它受到许多众所周知的因素的影响,例如岩石强度参数,断裂频率,岩心尺寸,节理方向和节理粗糙度。根据其定义,RQD受所测一致性的限制很大,这是因为它依赖于最小完整核心长度的选定阈值或弱段的长度,例如破碎段,岩溶和压碎段。尽管Azimian(2016)和Araghi(2006)等人提出了计算结果。使得能够消除所选阈值长度对RQD值的影响,然而由于取芯存在困难,弱段长度确定方法仍然存在。因此,难以被广泛应用于实际工程岩体RQD的研究中。本发明是基于当前深部岩体工程原位测试方法的不足,提出的一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,解决了现有岩体质量指标RQD由于影响因素较多导致测量方法受限的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、利用场地随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速,进而计算节理岩体的钻能;
步骤2、对步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理;
步骤3、计算节理岩体钻能的离散性;
步骤4、基于钻能离散度与RQD的关系,计算深部节理岩体RQD。
本发明的特点还在于,
步骤1中节理岩体的钻能e计算公式如下:
其中,D1和D2表示钻头的外半径和内半径;F表示钻头推力;v表示给进速度;M表示钻头扭矩;w表示转速。
步骤2中对节理岩体钻能进行归一化处理具体如下:
其中,f表示钻能归一化结果,emin表示一个钻孔中最小钻能,emax表示一个钻孔中最大钻能,e表示节理岩体的钻能。
步骤3中对钻能归一化结果计算其离散度公式具体如下:
其中,f表示钻能归一化结果,n是钻能归一化结果总数,f钻能归一化结果的平均值,s钻能归一化后的标准偏差。
步骤4中利用离散度计算深部节理岩体RQD,具体公式如下:
RQD=-640s+100 (4)
即计算RQD仅需要岩体钻能的离散度,基于标准偏差与RQD之间的相关性,计算岩体的RQD值,当使用钻探方法评估RQD时,RQD仅取决于旋转钻探能量的离散度,即标准偏差数据。
本发明的有益效果是,一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,主要是通过理论计算的方法,实现了深部节理岩体RQD快速、准确确定。本方法仅需手工计算,计算过程简单,在不采用经验修正系数情况下,仍具有较高的计算精度。采用本发明方法计算参数仅需来自现场随钻监测试验,无需传统钻探取样,简化勘察程序,节省勘察成本,应用前景广阔。
附图说明
图1(a)表示标准差与1号钻孔测试中的钻孔深度的关系;
图1(b)表示标准差与2号钻孔测试中的钻孔深度的关系;
图2表示标准差和RQD之间的相关性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、利用场地随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速,进而计算节理岩体的钻能;
步骤1中节理岩体的钻能e计算公式如下:
其中,D1和D2表示钻头的外半径和内半径;F表示钻头推力;v表示给进速度;M表示钻头扭矩;w表示转速。
步骤2、对步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理;
步骤2中对节理岩体钻能进行归一化处理具体如下:
其中,f表示钻能归一化结果,emin表示一个钻孔中最小钻能,emax表示一个钻孔中最大钻能,e表示节理岩体的钻能。
步骤3、计算节理岩体钻能的离散性;
步骤3中对钻能归一化结果计算其离散度公式具体如下:
其中,f表示钻能归一化结果,n是钻能归一化结果总数,钻能归一化结果的平均值,s钻能归一化后的标准偏差。
步骤4、基于钻能离散度与RQD的关系,计算深部节理岩体RQD。
步骤4中利用离散度计算深部节理岩体RQD,具体公式如下:
RQD=-640s+100 (4)
即计算RQD仅需要岩体钻能的离散度,基于标准偏差与RQD之间的相关性,计算岩体的RQD值,当使用钻探方法评估RQD时,RQD仅取决于旋转钻探能量的离散度,即标准偏差数据。
实施例
本实施例以中国汉江大河坝水电站的交通隧道钻探测试为例来阐述本发明。
(1)中国汉江大河坝水电站的交通隧道工程背景及钻探测试设备
交通隧道位于中国汉江大河坝水电站右岸下方,处在陡坡上,具有良好的稳定性和良好的地质条件,坡度为45~52°。该地区的形态主要是高山和深谷,两侧陡峭,围岩主要由灰色志留纪大理石和结晶石灰岩组成。沿进口段到第一断层的隧道路线(约0~25m)进行钻探测试,在测试区域中,存在薄弱区域,包括破碎的碎片,接缝以及破碎和破碎的片段,在脆弱地区和关键地区沿隧道路线总共钻了两个钻孔,全长为13.75m。
主要工程设备是现场岩体分析的钻孔过程监控设备DPMA,DPMA由五个测量和仪器***组成:轴向加载***,扭转驱动***,传感器监视***,电动液压控制***以及数据采集和处理***。使用由两个无线发射器和两个接收器组成的传感器监视***收集的无线信号用于准确获得钻头推力和钻头扭矩。具有0~500个数据采集能力的接收器每秒钟的点数能够准确地收集数百套钻探数据。DPMA在钻孔过程中是自控的,可以连续测量不同深度的推力F(N),扭矩M(N·m),转速w(rpm)和穿透率v(mm/min),并将数据保存在Excel文件中。
(2)节理岩体的钻能计算
研究表明钻探过程中,钻能与钻头推力,给进速度,钻头扭矩,转速,钻进面积密切相关,其具体节理岩体的钻能e计算公式如下:
(3)节理岩体钻能进行归一化处理
钻探测试过程中发现钻能在不太均匀(间断,不连续,破碎)的岩石中的确定不准确,有较大的误差。因此,使用数据标准化方法来消除不准确性。
其具体计算公式如下:
(4)计算钻能归一化结果离散度
在公式(3)的基础上对归一化结果进行离散度计算,其具体计算公式如下:
(5)基于钻能离散度与RQD的关系,计算深部节理岩体RQD
在主要包含灰色志留纪大理石和结晶石灰岩的1号和2号钻孔的基础上,获得旋转钻探能量和RQD的标准偏差。标准偏差与RQD之间的相关关系如图2所示,RQD与标准偏差数据呈近似线性关系,这表明标准偏差数据与RQD之间具有相关性。RQD数据仅取决于标准偏差数据,使用钻井数据确定RQD的值,RQD~s关系可以表示为:
RQD=-640s+100 (4)
为了验证在岩石工程中使用钻探数据确定RQD的可行性,将钻探测试中得到的RQD与以前的研究测得的RQD值进行了比较。1号和2号井眼分别长5.05和8.75m。对于深度分别为5.05和8.75m的1号和2号钻孔,基于2m长的评估单元将两个钻孔分别分为3段和5段。对于提出的RQD方法,使用各种计算方法为每个段获取RQD(如表1)。如图1(a)和图1(b)所示,在1号井眼中有14段完整岩心,在2号井眼中有11段完整岩心。1号井眼中的0~2m和2~4m段以及2号井眼中的0~2m,2~4m和4~6m段分别具有4、3、2、1和2个关节(间断)和RQD值分别为67.5、58、74、60.5和58。由于减少了关节长度范围对RQD的影响,RQD值小于Deere(1963)的RQD。就此而言,第2井眼中的6~8m段具有3个节理(间断点),因此RQD值为100,但RQD值为89.5,其中考虑了节距长度范围。因此,在2号井眼中6~8m段的节理范围的总长度为0.21m,与实际长度一致。
表1基于本发明提出的RQD与先前方法的比较
本发明一种使用旋转钻探能量进行预测RQD值确定的预测方法,原理简单、操作方便、成本低廉、使用效果好。RQD仅需要岩石的钻孔数据,基于标准偏差与RQD之间的相关性,建立岩体的RQD分类。该方法在大河坝水电站的工程应用中得到了应用,代表了一种在许多岩石工程分类和工程中计算RQD值作为指标值的实用方法。
Claims (2)
1.一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、利用场地随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速,进而计算节理岩体的钻能;
所述步骤1中节理岩体的钻能e计算公式如下:
其中,D1和D2表示钻头的外半径和内半径;F表示钻头推力;v表示给进速度;M表示钻头扭矩;w表示转速;
步骤2、对步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理;
所述步骤2中对节理岩体钻能进行归一化处理具体如下:
其中,f表示钻能归一化结果,emin表示一个钻孔中最小钻能,emax表示一个钻孔中最大钻能,e表示节理岩体的钻能;
步骤3、计算节理岩体钻能的离散性;
所述步骤3中对钻能归一化结果计算其离散度公式具体如下:
其中,f表示钻能归一化结果,n是钻能归一化结果总数,钻能归一化结果的平均值,s钻能归一化后的标准偏差;
步骤4、基于钻能离散度与RQD的关系,计算深部节理岩体RQD。
2.根据权利要求1所述的一种基于随钻监测技术的深部节理岩体RQD确定方法,其特征在于,所述步骤4中利用离散度计算深部节理岩体RQD,具体公式如下:
RQD=-640s+100 (4)
即计算RQD仅需要岩体钻能的离散度,基于标准偏差与RQD之间的相关性,计算岩体的RQD值,当使用钻探方法评估RQD时,RQD仅取决于旋转钻探能量的离散度,即标准偏差数据。
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