片麻巖風(fēng)化程度及其聲發(fā)射規(guī)律試驗(yàn)研究

劉傳孝，劉星輝，董小花，李茂桐，周 桐

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018; 2.山東京博石油化工有限公司, 山東 濱洲 256500; 3.山東省濱州市小清河管理局, 山東 濱洲 256600)

片麻巖風(fēng)化程度及其聲發(fā)射規(guī)律試驗(yàn)研究

劉傳孝1，劉星輝2，董小花3，李茂桐1，周 桐1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018; 2.山東京博石油化工有限公司, 山東 濱洲 256500; 3.山東省濱州市小清河管理局, 山東 濱洲 256600)

作為建筑地基使用的泰山片麻巖，埋藏淺、區(qū)域特征明顯，其風(fēng)化特性對土木工程穩(wěn)定性的影響廣泛而復(fù)雜。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，5組片麻巖試件的A、B、C-D和E組分別隸屬于未風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化4種風(fēng)化程度。力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)時(shí)同步檢測不同風(fēng)化程度片麻巖的聲發(fā)射信號，發(fā)現(xiàn)隨片麻巖風(fēng)化程度的提高，振鈴計(jì)數(shù)率呈明顯下降趨勢；未風(fēng)化及中等風(fēng)化片麻巖的振鈴計(jì)數(shù)率最高可達(dá)2 500次/s，具有能量累積并集中釋放的特點(diǎn)，巖石脆性特征較明顯；強(qiáng)風(fēng)化片麻巖的振鈴計(jì)數(shù)率平均約200次/s，聲發(fā)射信號密集，巖石具有典型的延性特征；全風(fēng)化片麻巖的平均振鈴計(jì)數(shù)率僅約15次/s，聲發(fā)射信號離散、無規(guī)律，巖石已等同于散體介質(zhì)；得到了部分片麻巖風(fēng)化程度與聲發(fā)射之間的量化規(guī)律。建立的片麻巖風(fēng)化程度與聲發(fā)射關(guān)系，可應(yīng)用于指導(dǎo)風(fēng)化片麻巖地基的處理，尋求匹配的地基置換材料。

水利工程；巖土工程；風(fēng)化片麻巖；試驗(yàn)；聲發(fā)射；振鈴計(jì)數(shù)率；地基處理

0 引 言

巖石在風(fēng)化營力作用下將變得膠結(jié)性差、強(qiáng)度降低，并產(chǎn)生節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎、遇水膨脹等不良特性，風(fēng)化營力包括令巖石產(chǎn)生物理、力學(xué)性質(zhì)變化的所有因素。不同的風(fēng)化程度將影響巖土工程的穩(wěn)定性，是石油工程、隧道工程、建筑基礎(chǔ)、水利工程等普遍面對的問題。研究巖石風(fēng)化程度的特征指標(biāo)，進(jìn)行風(fēng)化程度評價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)巖石裂隙發(fā)育、蝕變等定性特征建立了巖石風(fēng)化程度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]。更有學(xué)者研究鐵道工程的巖石地基風(fēng)化特征，揭示了地下巖石風(fēng)化程度對工程穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并提出了各類工程的對應(yīng)處理辦法[2]。

在土木工程領(lǐng)域，高層建筑的地基多為巖層，巖層埋藏淺，必然經(jīng)歷過明顯的風(fēng)化營力作用，且風(fēng)化程度隨位置不同迥異，但是缺乏系統(tǒng)、細(xì)致地研究。巖石地基的風(fēng)化程度隨深度及位置的變化而不同，強(qiáng)度隨之發(fā)生明顯變化，進(jìn)而直接影響地基沉降量。地基沉降量是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，建立地基變形與巖石風(fēng)化程度之間的關(guān)系，提出增強(qiáng)風(fēng)化巖石工程穩(wěn)定性的建議措施，具有工程實(shí)踐意義[3]。

巖石在裂紋擴(kuò)展時(shí)以脈沖波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象，稱為巖石聲發(fā)射。聲發(fā)射檢測技術(shù)在國外的結(jié)構(gòu)工程和礦山監(jiān)測方面得到推廣應(yīng)用[4-5]。國內(nèi)以不同方式對多種巖石強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)的聲發(fā)射特征等分別進(jìn)行了研究[6-9]。巖石聲發(fā)射檢測技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代試驗(yàn)室及工程監(jiān)測的主要手段。

筆者旨在通過對泰山區(qū)域普遍存在的片麻巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，同步檢測其聲發(fā)射信號，研究不同風(fēng)化程度片麻巖的聲發(fā)射規(guī)律。通過試驗(yàn)研究建立片麻巖風(fēng)化程度及其聲發(fā)射規(guī)律之間的對應(yīng)關(guān)系，可應(yīng)用于指導(dǎo)風(fēng)化片麻巖地基的處理。即在土木工程應(yīng)用中，試驗(yàn)得到易于量化的風(fēng)化巖石的聲發(fā)射指標(biāo)，直接指導(dǎo)風(fēng)化巖石地基的處理或材料置換。

1 風(fēng)化片麻巖試件制備

泰山區(qū)域的建筑地基主要為片麻巖，各區(qū)域不同深度位置的片麻巖風(fēng)化程度不同，從建筑工地現(xiàn)場開采5塊風(fēng)化程度各異的片麻巖，安全運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試件加工。

國際巖石力學(xué)學(xué)會對巖石力學(xué)的基本試驗(yàn)提出了建議方法，我國原煤炭部制訂的MT 38—87《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定的采樣一般規(guī)定》、水利部制訂的SL 264—2001《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》提出了一套巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程和建議方法。按照巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)程及規(guī)定，將風(fēng)化片麻巖巖塊加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，試件參數(shù)：A，B，C，D，E共5組，每組3個試件，各組試件平均尺寸(D×H)分別為48 mm×104 mm，48 mm×98 mm，48 mm×99 mm，48 mm×94 mm，48 mm×108 mm。

片麻巖巖體特征的宏觀描述及鉆取巖芯的特征：A組，偶見風(fēng)化痕跡，巖質(zhì)新鮮，結(jié)構(gòu)完整，標(biāo)準(zhǔn)試件易加工；B組，巖體被切割成巖塊，裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)部分破壞，標(biāo)準(zhǔn)試件較易加工；C組，巖體較破碎，裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)大部分破壞，標(biāo)準(zhǔn)試件難加工；D組，巖體較破碎，裂隙很發(fā)育，結(jié)構(gòu)大部分破壞，標(biāo)準(zhǔn)試件難加工；E組，巖體很破碎，裂隙很發(fā)育，保留殘余結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)試件很難加工。發(fā)現(xiàn)，由A組至E組，片麻巖的風(fēng)化程度順次提高，包含了結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等特征描述[10]。

2 風(fēng)化片麻巖試件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長春科新試驗(yàn)儀器有限公司研制的SAW-2000型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，2006年起配置于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程實(shí)驗(yàn)中心。巖石三軸試驗(yàn)機(jī)可以應(yīng)用于巖石的單軸壓縮試驗(yàn)等，采用德國EDC控制器及D633比例伺服閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制及數(shù)據(jù)采集。該設(shè)備剛度達(dá)2×1010N/m，能夠達(dá)到本研究對風(fēng)化巖石的試驗(yàn)要求。對不同風(fēng)化巖石試件進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，得到不同風(fēng)化程度巖石的單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)，各力學(xué)指標(biāo)由每組3個試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值確定。

在巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)用AE21C聲發(fā)射檢測系統(tǒng)檢測不同風(fēng)化程度片麻巖的聲發(fā)射信號。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)化片麻巖的強(qiáng)度特征

通過單軸壓縮試驗(yàn)，得到風(fēng)化片麻巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1。

圖1 片麻巖應(yīng)力-應(yīng)變及聲發(fā)射關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves between strain and stress of gneisses and their acoustic emission signals

分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系得到風(fēng)化片麻巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E、泊松比ν及極限應(yīng)變εf等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，見表1。

表1 風(fēng)化片麻巖試件的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)的GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)進(jìn)行片麻巖風(fēng)化程度的劃分，風(fēng)化系數(shù)Kf為風(fēng)化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度之比，得到5組片麻巖試件的A，B，C-D，E組分別隸屬于未風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化4種風(fēng)化程度。研究發(fā)現(xiàn)：A，B組未風(fēng)化及中等風(fēng)化片麻巖的脆性特征較明顯；C-D組強(qiáng)風(fēng)化片麻巖具有典型的延性特征；E組全風(fēng)化片麻巖等同于散體介質(zhì)。極限應(yīng)變呈總體上升趨勢。

3.2 風(fēng)化片麻巖的聲發(fā)射特征

在風(fēng)化片麻巖單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，同步檢測了其聲發(fā)射信號，如圖1?？梢婋S著片麻巖風(fēng)化程度的提高，振鈴計(jì)數(shù)率呈明顯下降趨勢；A，B組未風(fēng)化及中等風(fēng)化片麻巖的振鈴計(jì)數(shù)率最高達(dá)2 500次/s，具有能量累積并集中釋放的特點(diǎn)，瞬發(fā)振鈴計(jì)數(shù)率均超過800次/s；C-D組強(qiáng)風(fēng)化片麻巖的振鈴計(jì)數(shù)率平均約200次/s，聲發(fā)射信號密集；E組全風(fēng)化片麻巖的平均振鈴計(jì)數(shù)率僅約15次/s，聲發(fā)射強(qiáng)度低、信號離散、無規(guī)律。

3.3 片麻巖風(fēng)化程度及其聲發(fā)射特征的關(guān)系

本研究的主要目的是試驗(yàn)得到易于量化的風(fēng)化巖石的聲發(fā)射指標(biāo)，直接指導(dǎo)風(fēng)化巖石地基的處理或材料置換。

通過試驗(yàn)確定的片麻巖風(fēng)化程度與聲發(fā)射規(guī)律間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：未風(fēng)化及中等風(fēng)化片麻巖的振鈴計(jì)數(shù)率分布具有典型的高峰值，巖石強(qiáng)度達(dá)到35 MPa以上，脆性特征明顯，且極限應(yīng)變在1%以內(nèi)，是良好的天然地基；而強(qiáng)風(fēng)化片麻巖可以經(jīng)過注漿加固等處理措施，使其聲發(fā)射信號具有能量累積并集中釋放的特點(diǎn)，瞬發(fā)振鈴計(jì)數(shù)率達(dá)到800次/s以上，其強(qiáng)度將超過35 MPa，極限應(yīng)變被控制于1%以內(nèi)，成為良好的人工地基；全風(fēng)化片麻巖的聲發(fā)射強(qiáng)度低，振鈴計(jì)數(shù)率缺乏提高的必要，需要采用強(qiáng)度匹配的材料進(jìn)行地基置換處理。

4 結(jié) 論

1)泰山區(qū)域的風(fēng)化片麻巖據(jù)位置不同劃分為4級，不包含弱風(fēng)化程度。

2)未風(fēng)化及中等風(fēng)化片麻巖的瞬發(fā)振鈴計(jì)數(shù)率均超過800次/s，聲發(fā)射信號具有能量累積并集中釋放的特點(diǎn)；強(qiáng)風(fēng)化片麻巖的振鈴計(jì)數(shù)率平均約200次/s，聲發(fā)射信號密集；全風(fēng)化片麻巖的聲發(fā)射強(qiáng)度低、信號離散。

3)未風(fēng)化及中等風(fēng)化片麻巖是良好的天然地基，強(qiáng)風(fēng)化片麻巖可經(jīng)處理后成為良好的人工地基，全風(fēng)化片麻巖地基需要置換。

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Weathering Degree of Gneisses and Their Acoustic Emission Characteristics

LIU Chuanxiao1, LIU Xinghui2, DONG Xiaohua3, LI Maotong1, ZHOU Tong1

(1.Water Conservancy and Civil Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, P.R.China; 2.Jingbo Petrochemical Co., Ltd., Binzhou 256500, Shandong, P.R.China; 3.Xiaoqing River Administration, Binzhou 256600, Shandong, P.R.China)

As a foundation building material, Taishan gneiss was shallowly buried and had obviously regional characteristics. The influence of weathering degree of gneiss on the stability of civil engineering was extensive and complex. Test on the relationship of strain and stress presents that five groups of gneiss specimens have been subjected to no weathering, middle weathering, strong weathering and full weathering respectively. Synchronous acoustic emission signals of gneisses with different weathering degrees have been tested in mechanical test, which indicates that ringing counting rates present evident downtrend with the increase of weathering grades of gneiss. The highest ringing counting rate of no weathering and middle weathering gneisses can reach 2 500 per second and their energy is cumulative and releases centrally, which determines their obvious brittleness. Strong weathering gneiss is of typical ductility and its acoustic emission signals are concentrated, whose average ringing counting rate is about 200 per second. That average ringing counting rate of full weathering gneiss is only 15 per second and its discrete and irregular acoustic emission signals indicate that it is the same as a disperse medium. Partial quantization rules between weathering degree of gneiss and its acoustic emission signal have been obtained. The established relationship between weathering degree of gneiss and its acoustic emission signal may be useful for the treatment of weathered gneiss and looking for the replacement materials of the foundation.

hydraulic engineering; geotechnical engineering; weathered gneiss; test; acoustic emission; ringing counting rate; foundation treatment

2015-09-25；

2015-12-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51004098,51574156)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014DM019)

劉傳孝(1970—)，男，山東郯城人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事非線性動力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、巖土力學(xué)與工程方面的研究。E-mail：Lchuanx@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.16

TU45

A

1674-0696(2016)06-077-04