基于聲波信息預測巖體力學參數(shù)的研究

汪 興，王 波，姜 波

(1貴州大學 資源與環(huán)境工程學院 ，貴州 貴陽 550003；2中國電建集團 貴陽勘察設計研究院 ，貴州 貴陽 550002 )

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基于聲波信息預測巖體力學參數(shù)的研究

汪 興1，王 波2，姜 波1

(1貴州大學 資源與環(huán)境工程學院 ，貴州 貴陽 550003；2中國電建集團 貴陽勘察設計研究院 ，貴州 貴陽 550002 )

基于Hoek-Brown強度準則中運用地質強度指標GSI求取巖體力學參數(shù)的方法。通過改進構建起鉆孔聲波測試所得巖體縱波波速vmp，巖石單軸飽和抗壓強度σc與GSI值之間的函數(shù)關系，并應用于Hoek-Brown強度準則預測了沙坨水電站大壩壩基巖體力學參數(shù)，結果顯示預測值與實驗測試值之間基本吻合。該方法為資料不足情況下探知巖體力學參數(shù)提供了一種參考方式。

Hoek-Brown強度準則，地質強度指標GSI，縱波波速vmp，巖體力學參數(shù)

0 引言

巖體是經(jīng)過復雜地質構造運動產(chǎn)生的地質體，由于斷層、節(jié)理裂隙的發(fā)育使得巖體內部情況的探知存在很大不確定性[1-2]，加之人工開挖、爆破的二次破壞，使得巖體情況更加紛繁復雜。在工程實踐中，獲取巖體的巖石力學參數(shù)對于設計施工，工程安全，經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

巖體力學指標在工程建設過程中是應用最廣泛的指導性參數(shù)，但是往往獲取它們需要大型現(xiàn)場試驗。這不但周期長、花費高、測試有限，而且可能對巖體造成破壞，影響測試結果。聲波作為一種反映巖體物理力學特性、完整程度及各向異性等的重要參數(shù)之一[3-6]，對巖體賦存環(huán)境具有非常良好的反映效果，經(jīng)過處理能夠得到工程建設所需巖體的巖體力學參數(shù)，并且利用聲波獲取巖體力學參數(shù)的過程方便快捷，經(jīng)濟有效。但是，常見的利用聲波分析巖體情況的工作通常只是對測試波速進行直接分析，很少有人在工程中對運用聲波所包含的信息進行深入分析，從而發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的特性。本文利用鉆孔聲波測試、室內巖石力學實驗資料及鉆孔成果信息，對聲波資料進行統(tǒng)計整理，運用聲波作為主要參數(shù)，對巖體的巖體力學參數(shù)進行了預測。

在以往的研究中，我們知道聲波在巖體內的傳播速度主要是由于地質體的復雜性使得聲波穿透巖體時，節(jié)理裂隙、層間錯動，軟弱夾層等對聲波產(chǎn)生斷面效應，導致波速降低。這種現(xiàn)象與結構面的發(fā)育程度，結合形態(tài)、裂隙寬度、填充物質密切相關，它們不但消減聲波傳播能量還影響傳播路徑，從而導致聲波動力學和運動學特征的改變。因此，聲波數(shù)據(jù)一方面間接反映了巖體結構信息[7-8]，另一方面，測試出的波速亦能反映巖體物理力學特性[9-13]。

在預測巖體的綜合抗剪斷強度上，1980年，Hoek和Brown[14]通過研究建立了Hoek-Brown準則來獲取巖體的力學參數(shù)，取得了良好的成果并且得到了國內外大量學者的認可。1998年，Hoek等改進了該方法并建立了通過地質強度指標GSI與獲取巖體力學參數(shù)的方法。國內學者在此基礎上進行了優(yōu)化和修改，如引入了體積節(jié)理數(shù)和結構面條件因子量化GSI后進行求取或對巖體擾動因子D的值優(yōu)化或轉換參數(shù)后求取[15]；此外通過Q值、RMR值、BQ值與GSI值之間的關系求解巖體力學參數(shù)[16-17]也有研究。但是，這些修改和優(yōu)化中并沒有利用聲波波速和室內巖石力學實驗結合的方法，多是單因素的帶入或者是完全矛盾的轉化，故此本文探討下述方法的可行性。

1 基于鉆孔信息預測巖體力學參數(shù)的相關分析

1.1 對巖體綜合抗剪強度的預測

1.1.1 孔內巖體信息vmp、σw與GSI值的聯(lián)系

1994年，N.Barton[18]在研究奧林匹克冰球場圍巖時發(fā)現(xiàn)，跨孔地震層析成像獲得的巖體縱波波速vmp與巖體質量指標Q之間存在近似線性關系，之后通過分析挪威、瑞典和中國的大量巖體工程數(shù)據(jù)給出了工程巖體縱波波速vmp(km/s)與巖體質量指標Q之間關系：

Q=10vmp-3.5

(1)

隨后Barton在文獻[18]中又提出了RMR值與Q值二者之間有關系如下：

RMR89=151gQ+50

(2)

故此將式(1)帶入式(2)可得到要提縱波波速與巖體質量指標RMR事物關系式[10]，并可表示為：

RMR89=10vmp-2.5

(3)

又因為RMR與GSI之間存在關系有：

GSI=RMR89-5(RMR89>23)

(4)

因此，夏開宗等[11]在文獻[11]中將式(3)、(4)結合得到巖體縱波波速vmp與地質強度指標GSI之間關系：

GSI=15vmp-7.5

(5)

但是在巖體中vmp更多的是反映巖體的完整性程度，而對于堅強程度沒有太多的反映，對此直接使用vmp計算地質強度指標GSI似乎有所不妥，此外，單因素確定法對巖體質量的反映的可靠性值得懷疑。所以，本文引入鄔愛清的研究成果作為媒介，構建新的計算方法。

鄔愛清、柳賦錚[19]對國內多個大型水電工程及高速公路邊坡工程200余組資料的基礎上，對國標BQ與RMR值進行了統(tǒng)計回歸分析，結果表明巖體質量指標BQ值與RMR值之間具有良好的線性相關性，并通過實踐證實了其可行性[20]，其回歸方程如下：

BQ=80.786+6.094 RMR89

(6)

另外，根據(jù)《國標》[21]有BQ值計算式如下：

BQ=90+3σw+250Kv

(7)

式中：σw為巖石飽和單軸抗壓強度；Kv為巖體完整性系數(shù)；

故此，由式(6)改寫式(4)有：

GSI=0.164 1BQ-18.256 7

(8)

最后將式(7)帶入式(8)得到由Kv和σw確定的地地質強度指標GSI，如下：

GSI=41.038Kv+0.492σw-3.488

(9)

由于鉆孔孔壁所能揭露的巖體出露面積有限，使用鉆孔錄像技術統(tǒng)計孔內節(jié)理裂隙所得到的信息不能有效估算地質強度指標GSI值。所以，本文通過改進夏開宗推導的GSI值求取方法，建立GSI值與BQ值之間的數(shù)學關系。并將本法、夏開宗法、查表法對比如表1，由表1可見，本法比夏開宗法略小，與查表法相差10以內，故可以應用于預測。

表1 地質強度指標GSI推算方法比較

1.1.2 廣義Hoek-Brown強度準則預測巖體等效抗剪強度

1998年，Hoek等[22]提出了Hoek-Brown強度準則的修改形式——廣義Hoek-Brown強度準則。其表達式如下：

(10)

式中：mb為巖石經(jīng)驗參數(shù)m的值；s，α為與巖體特征有關的參數(shù)；σc為巖塊單軸抗壓強度；σ1，σ3為最大最小主應力。該修正對于風化作用、剪切破壞作用使巖體塊體之間松散而質量比較差的巖體也比較適合，其參數(shù)mb，s，α皆可由巖體質量指標GSI值表示，如下：

(11)

式中：GSI為地質強度指標；mi為完整巖塊m的值；D為巖體擾動參數(shù)(其值可按表2)?，F(xiàn)將本文推導的GSI換算公式(9)引入至式(11)，得到與BQ值有關的mb，s，α。如下：

(12)

表2 巖體擾動參數(shù)D的建議值

在求得Hoek-Brown準則常數(shù)mb，s，α之后，巖體等效抗剪強度指標cm，φm則可由下式求得：

(13)

(14)

其中，σ3n=σ3max/σc，σ3n為側應力與單軸飽和抗壓強度比值，對于隧道工程和巖體地基工程、巖質邊坡工程，可由式(15)確定。

(15)

式中γ為節(jié)理巖體容重；H為邊坡高度；σcm為節(jié)理巖體整體抗壓強度，當σ3=0時可由式(10)求取。

1.2 對巖體變形模量的預測

變形模量是描述巖體變性特征的重要參數(shù)，其可以通過現(xiàn)場載荷試驗獲取。但是現(xiàn)場載荷試驗花費高、周期長，對于一般小型工程則不適用。故此，在巖體質量指標和大量現(xiàn)場試驗建立的基礎上，建立巖體分類指標與變形模量的關系則是經(jīng)濟快速獲取變形模量的途徑。

1997年，Hoek.E和Brown E.T[22]提出變形模量Em與地質強度指標GSI在σc≤100時，滿足如下的關系式：

(16)

但是式(16)不能反映當σc>100時情況。為了能夠使此法的適用性更廣，Hoek，Carraza-Torres和Corkum[23]引入巖體擾動因子D(取值見表2)改進了Em和GSI之間的關系式。

(17)

在已知式(17)情況下，結合式(16)便可求取巖體變形模量Em。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

沙坨水電站位于貴州境內具有以發(fā)電為主，兼航運、防洪等綜合開發(fā)功能，本工程為二等大(2)型工程，水庫正常蓄水位365.00 m，相應庫容7.70億 m3，總庫容9.21億 m3。地層為O1t2-2、O1t2-3、O1h中厚層、厚層白云質灰?guī)r和灰?guī)r，巖性包括灰?guī)r、白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖、砂巖等，地基以AⅡ、AIII1類巖體為主；局部溶蝕深槽和左岸壩基構造碎裂帶巖體質量較差，第四系堆積物分布零星。壩基巖體主要物理力學參數(shù)如表3，其中波速為室內試驗取樣點5 m范圍內的平均波速。

表3 壩基體主要物理力學參數(shù)

2.2 實例分析

現(xiàn)運用本文提到的分析方法，對該水電站大壩壩基巖體做出分析，預測大壩壩基巖體相關巖體力學參數(shù)，并進行分析說明。

2.2.1 巖體綜合強度預測結果與分析

本文采用武漢巖海公司生產(chǎn)的聲波測試儀，對沙坨水電站壩基5-13壩段總計53個孔位進行了測試，并選取其中10個室內試驗采樣孔位實驗數(shù)據(jù)作為分析參數(shù)。在獲取的大量聲波測試數(shù)據(jù)中，排除部分不適合分析的數(shù)據(jù)后，整理數(shù)據(jù)結果通過上述式(9)結合室內試驗結果中得到了與巖體原位信息和巖石試件力學參數(shù)有關的GSI值和BQ值，在得取GSI值之后，根據(jù)Hoek-Brown強度準則計算巖體經(jīng)驗參數(shù)m，s及α的公式(9)計算得到表4的結果，由于m，s和α是與計算有關的參數(shù)，故而其并沒有單位。另外，通過文獻[23]推薦表格查取表4中的mi，白云質灰?guī)r取8～9，灰?guī)r取9～10，而計算過程中巖體擾動因子D，因為擾動情況不大，故取D=0。在求得上述計算參數(shù)之后，最終根據(jù)公式(15)結合取樣點埋深為20 m～40 m及表3中巖樣密度獲得σ3n，并通過公式(13)、(14)去求得到巖體綜合抗剪強度參數(shù)φm和cm(表5)。

表4 基于GSI值預測巖體力學參數(shù)計算參數(shù)表

表5 巖體綜合抗剪強度預測值對比表

在計算得到預測的巖體綜合抗剪強度之后，為了解所得結果與實際情況的相符性，通過查詢《工程巖體分類標準》[21]得知預測參數(shù)對應巖體等級為Ⅱ、Ⅲ巖體，這與工程勘察結果相符，并且規(guī)范中給出的Ⅱ、Ⅲ巖體內摩擦角為50°～60°，39°～50°，黏聚力為1.5 MPa～2.1 MPa，0.7 MPa～1.5 MPa。這也與預測結果相符。為了直觀說明，現(xiàn)將表5中結果做成柱狀圖(圖1、圖2)可見：預測內摩擦角與實驗結果基本相近，其相差程度控制在10 %左右，其中試件st-2、st-9過低可能是因為該段巖體較為破碎，巖體聲波統(tǒng)計值偏低，致使與實驗獲取的內摩擦角相差較大；在黏聚力方面，預測值與實驗獲取值基本相等。綜合預測結果表明，運用本法預測的巖體抗剪強度指標能夠方便快捷的獲取工程要求精度的抗剪強度參數(shù)。

圖1 預測內摩擦角與實驗值對比圖

圖2 預測黏聚力與實驗值對比圖

2.2.2 巖體變形模量預測結果分析

通過上述預測方法，計算得到預測的巖體變形模量，并和鉆孔彈模測試所得到的巖體變形模量值進行了對比，結果顯示，其變形模量相差小于5 MPa，并與工程實際情況基本接近，結果如表6所示。

表6 預測變形模量與原位測試值對比表

綜合上述預測的巖體力學參數(shù)結果，可知利用鉆孔聲波測試所得縱波波速計算巖體完整性系數(shù)作為預測因子，結合實驗室獲取不同孔位、不同深度的巖石試件的單軸飽和抗壓強度，構建了GSI值與巖體完整性系數(shù)和飽和單軸抗壓強度之間的關系，并運用該關系式改良了Hoek通過GSI求取巖體力學參數(shù)的方法。通過實踐證明，本法所預測的巖體內摩擦角與黏聚力與實際值之間吻合度較高，預測的變形模量與原位測試結果一致。故此，通過本法預測的巖體力學參數(shù)是可行的。

3 結論

1)鉆孔聲波得到的縱波波速能夠很好地反映巖體賦存信息，故此波速與巖體力學參數(shù)之間存在對應關系。本文通過構建波速與巖石單軸飽和抗壓強度的推導關系式，求取巖體地質強度指標GSI，并和夏法對比，證明本法與夏法預測值更接近巖體實際情況。

2)以Hoek-Brown強度準則改進式為基礎，運用本文GSI值計算預測了某水電站壩基巖體力學參數(shù)，并和實驗值進行對比。結果顯示預測結果與實驗結果基本相符，能夠滿足工程建設所要求的精度。

3)通過鉆孔柱狀圖和鉆孔錄像對巖性進行分層之后，統(tǒng)計出同種巖性5 m范圍內的平均波速，預測的巖體力學參數(shù)與該預測區(qū)域的巖體情況有密切聯(lián)系，并結合巖塊的單軸飽和抗壓強度所得到的參數(shù)更具有可信性。

4)本文提供的方法，只對巖性較好的灰?guī)r，白云質灰?guī)r進行了預計，對于軟巖等巖性較差的巖體實用性尚不可知。

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Prediction of mechanical parameters of rock mass based on sound wave information

WANG Xing1，WANG Bo2，JIANG Bo1

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550003，China；2PowerChinaGuiyangEngineeringCo.，Ltd.，Guiyang550002，China)

In this study，we developed a method to calculate the mechanical parameters of rock mass using geological strength index(GSI)based on Hoek-Brown strength criterion.We established the functional relation among the longitudinal wave velocity of the rock mass(vmp)，the saturated uni-axial compression strength of the rock mass(σc)and the GSI value.Then such functional relation was applied to Hoek-Brown strength criterion to predict the mechanical parameters of rock mass of the dam foundation of Shatuo hydropower station.The results showed that the predicted value basically match the test value.This method provides a reference for detecting the mechanical parameters of rock mass without enough information.

Hoek-Brown strength criterion，geological strength index(GSI)，longitudinal wave velocity(vmp)，mechanical parameters of rock mass

TU

A

2016-09-16；

2016-09-29

汪 興(1992-)，男，貴州大學碩士研究生，研究方向：巖石體物理力學性質與特性及地球物理勘測方法實踐應用。