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某地下工程围岩的声波测试与分析.pdf

上传人:weiwoduzun 文档编号:1765779 上传时间:2018-08-22 格式:PDF 页数:5 大小:146.03KB
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资源描述

1、某地下工程围岩的声波测试与分析李建峰,简文彬,李堂磊,胡忠志(福州大学资源与城乡建设系,福建福州,350002)摘要:本文以福州某地下洞室围岩声波测试为例,利用岩体和岩石声波测试结果,进行多参数综合分析为岩体完整性与岩体强度变化提供有效的参数;此外,对声波波形进行振幅变化分析衰减特性分析,以厦频谱分析,从而进一步了解围岩岩体的结构性质,为该地下洞室的稳定性分析并采取有效的加固措施提供了重要的依据。关键词:岩体(岩石);声波测试;波速1 引言岩体声波测试是通过声波在岩体中传播所反映的岩体运动学、动力学特征来获得岩体性质的信息,从而研究岩石的物理力学性质、结构特征及应力状态【1】。岩体波速是其运动

2、学的最主要的参数,常作为衡量岩体质量好坏、划分岩体风化带、了解岩体动弹性参数的主要指标与基本参量,能直观地反映地质信息和岩体特征口州。因此,岩体波速测试是一种评价岩体质量的可行方法,利用岩体的波速对岩体进行质量分级也已取得较多的成果2-”。本文以福州某地下洞室围岩声波测试为例,利用岩体和岩石声波测试结果,进行多参数综合分析,为岩体完整性与岩体强度变化提供有效的参数;此外,对声波波形进行振幅变化分析、衰减特性分析、以及频谱分析,从而进一步了解围岩岩体的结构性质,为该地下洞室的稳定性分析并采取有效的加固措施提供了重要的依据。2围岩工程地质条件及测点布置该地下洞室工程围岩为花岗岩,岩石呈浅肉红色,坚

3、硬,弱微风化,矿物成分主要为长石、石英、云母等;岩体大多呈块状结构,结构面结合良好,未见填充物,局部岩体较破碎,节理裂隙发育,有2-3组,平均密度为4条m,节理走向与测试洞段轴向基本一致。在洞室现场对围岩观察描述的基础上,选择围岩边墙中的l#测点、2#测点、3#N点作为声波测试点。在选定的边墙上按I020米的间距钻4个声波测试孔,孔深35米。用水作耦合剂,采用跨孔法(双孔直透法)每隔05m从里往外进行岩体声波测试。为了对围岩岩体波速与岩石波速进行对比,获得岩体完整性指数,在现场声波测试的洞段采集新鲜完整的岩石试块,进行岩石(块)的声波测试以及物理力学性质参数的测试。现场测试仪器为RSM-SY5

4、智能声波仪。3声波测试结果及分析31典型的声波测试波形洞室岩体测试所得典型岩体声波测试波形见图1,典型的岩石声波测试波形见图2。276李建峰等某地下工程围岩的声波测试与分析:宅1:i二:-amO 抽 瑚 啪 舶 蛳n(a)岩体lO 1 200 蛳400 500 啪“懈(c)岩体3(b)岩体20 仰 柚 如 和 卸 皿*(d)岩体4图1典型的岩体声波测试波形0 口 o 似 一(a)岩石1(”岩石2图2典型的岩石声波测试波形32岩体与岩石波形、波速对比分析从图1、图2可见,岩体声波测试波形多呈不规则状,频谱较丰富,出现周期拉长成分,声波能量被吸收,波幅衰减快,其纵波波速b一般为3676-5195m

5、s。而岩石声波测试波形则较完整、规则,频谱较单一。岩石1、岩石2均为完整、坚硬、致密,其纵波波速嵋一般为4733-5833 ms。声波在岩体中传播,受到的干扰因素较多,岩体中节理裂隙等结构面发育,声波在传播路径上遇到结构面时将产生绕射、反射、折射等现象,因而较破碎岩体、节理裂隙较发育岩体,则声速较低,波形变化较大,其测量结果具有平均性;而新鲜坚硬、致密、完整的岩石,声波在其中传播时,速度较快,波形一EiaiiE,9膏0=E第7届全国土动力学学术会议论文集 北京 200611-3缶变化较小。33岩石的力学特性与声波波速关系岩石在一定的初载荷作用下,可以视为弹性体。由弹性力学可知:弹性体声波传播速

6、度(咋珞)是介质密度n弹性参数(弹性模量E剪切模量G)及泊松比p的函数。对于近似完全弹性各向同性的介质,有: E:pVp(1+p)(1-21):!生!堡!:;11一。 2(0珞)21与静力方法求得的弹性模量是有区别的,上式中的E以历或表示,称为“动力弹性模量”。由于声波在岩体中的传播速度与表示岩体强度性能的参数(泊松比、弹性模量及剪切模量)有上述关系,所以声波可以用来计算和评价岩石的力学参数。表1为#1,舵,#3三个孔的岩石物性参数测量结果。其中,动弹性模量E利用岩石的纵波速度斥和密度p由上式计算得到。表1围岩声波测试结果岩体测试 岩体波速 岩石波速 岩体完整性 岩体完整 动弹性模量 单轴抗压

7、强测试点序号 K。ms1 哪nfl 指数Kv 程度 GPa 度MPal 4774 5500 075 较完整 6554 6221群测点 2 4933 5455 082 完整 64 47 6213 4754 5400 078 完整 6318 65 2l 5195 5833 079 完整 737l 755捌测点 2 4762 5385 078 完整 6282 7263 4819 5733 O7l 较完栏 712l 804l 3676 4733 060 较完整 4856 5843群测点 2 3695 4865 O 57 较完整 5128 5873 4076 4920 068 较完整 4899 570轴

8、0D蛳舢埘删椰姗 m,oo鳓删44 00 岩镕波速v*s ;#墟vm图3岩体波速与完整性指数关系 图4岩体波速与动弹性模量关系为了说明岩体波速与岩体完整性指数、以及动弹性模量之间的关系,绘制了它们之间的关系图并进行相关分析。得到相关方程如下:岩体完整性指数与岩体波速关系:Kv-=0056+I47x104Vpm,相关系数R=093;岩体动弹性模量与岩体波速关系:E=一993+16x10-2Vpm,相关系数R=094;278“主;鄹掣母蔷茸押事建峰,等某地下工程围岩的声波测试与分析其中:Kv为岩体完整性指数,E为岩体动弹性模量(GPa),V。为岩体声波速度(ms)。从表1及图3、图4可看出,3#测

9、点岩体波速、岩体完整性指数、动弹性模量、单轴抗压强度均较其两个测点低。这主要是由于该测试点岩体中存在23组节理裂隙,平均密度为4条m,同时,声波在传播路径上遇到节理裂隙时的绕射、反射、折射等现象,不仅波速低,而且单轴抗压强度低,动弹性模量小。岩体波速与岩体完整性指数、动弹性模量之问的相关分析表明,随着岩体波速的增加其完整性指数、动弹性模量也呈线性增加。所得方程可用于完整性指数、动弹性模量的预估。34声波频谱特征分析频谱是声波的一个重要动力学参数。声波在岩体中传播过程中积累了反映岩体固有特性的信息,声波的频谱在一定程度上反映了岩体的工程特性。采用离散富立叶快速变换(FFT)方法对岩体及岩石声波测

10、试信号进行频谱分析。测试数据的采样步长为1 US,采样点512个。信号x(t)的离散富立叶快速变换为61:x(w);去垂(咖“盛功率谱P(w)用x(w)及其复共轭X(w)表示为:P(w)=;J(w)J(计式中:X(t)h声波测试信号;x(w)为x(t)的离散富立叶快速变换;P(w)为信号x(t)的功率谱。以岩体1、岩石1为例,采用汉宁窗对两者声波测试频谱分析结果进行对比。岩体裂隙发育,其声波频谱呈多峰状,且谱能量分散,谱面积较大,主频率较低,为224千赫兹;而新鲜、致密的岩石声波频谱则单一,呈单峰状,谱能量集中,谱峰尖锐,主频率较高,为468千赫兹。如图5,图6所示。4结论冒5岩体1声波分析结

11、果 图6岩石1声波分析结果(1)测试洞段岩体声波测试波形多呈不规则状,频率成分较丰富,声波能量被吸收,波幅衰减快,其纵波波速斥一般为36765195ms。而岩石声波测试波形则较完整、规则。频率成分较单一,其纵波波速咋一般为4733-5833 ms。3#测点岩体中节理裂隙较发育,声波在传播路径上遇到节理裂隙时发生绕射、反射、折射等现象,该点岩体波速、岩体完整性指数、动弹性模量、单轴抗压强度均较其两个测点低。(2)岩体波速与岩体完整性指数、动弹性模量之间的相关分析表明,随着岩体波速的增加其完整性指数、动弹性模量也呈线性增加。所得方程可用于完整性指数、动弹性模量的预估。(3)声波在岩体传播过程中积累

12、了反映岩体固有特性的信息,声波的频谱在一定程度上反映了岩第7届全国土动力学学术会议论文集 北京 20061136体的工程特性。新鲜、致密的岩石声波频谱单一,呈单峰状,谱能量集中,谱峰尖锐,主频率较高,为468千赫兹。裂隙岩体声波频谱呈多峰状,且谱能量分散,谱面积较大,主频率较低,为224千赫兹,两者具有明显的不同。声波测试频谱分析可以定性了解岩体固有特性的信息,有助于综合判断围岩松动圈的深度。参考文献1李造鼎岩体捌试技术,北京:冶金工业出版社,19932赵明阶,吴德伦工程岩体的超声波分类及强度预测岩石力学与工程学报2000,19(1):89-923朱焕春某高边坡岩体声波测试与分析岩石力学与工程

13、学报199兜18(4):378-3814席道瑛,黄理辩岩芯声学特征与原位测井参教对比研究岩石力学,1995,16 12):52565王让甲声渡岩石分缎和岩石动弹性力学参数的分析研究北京:地质出版社。1976刘傈键谢定义随机荷载下士动力特性测试分析往北京:人民交通出版杜,2001Acoustie Measurement and Analysis for An UndergroundEngineering Wall Tock in FUJIANLi Jian-feng,Jian Wenbin,Li Tang lei,Hu Zhong zhi(InstituteofGeotechnieal andG

14、eologicalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,350002)Abslract:Acoustic wave and wave velocity measurement ofrocks arc applied to get sortie imporlant information about rockmassand rockcharacteristicsin anundergroundengineeringwall rockinFujiaILBasedoilthe comparison ofphysicalpropertiesbgtweeo rockll

15、lSBs and rock,usingthe synthetical analysisofmultiparametd,much efficientinfommfion about rockweathering,integrality and strength is achievedThe amplitude,characteristics ofwave features and frequency spectrum areanalyzedandthe shaletllrepropertiesofthemekRTefllrffierunderstood,whichwillprovide a reliablebasic向the evaluationof stahility and support designKeyword:rock mass(rock);acoustic wave measurement;wave velocity

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