CN104374827B - 横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数测量方法，测量方法采用在横观各向同性岩体的平整面上布置相互平行且孔口呈等边三角形的第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔，每个测试孔的轴线倾角则根据横观各向同性岩体的各向同性面与水平面之间的夹角是否大于45度确定；测量方式包括采用单孔测试方式对每个测试孔分别进行超声波纵波测量，并采用孔间穿透测试方式对任意两孔间进行超声波纵波穿透测试，然后对测得的波速数据进行处理和计算分析后获得横观各向同性岩体的原位动弹性模量的各向异性系数。该方法具有对现场横观各向同性岩体扰动小和测得的原位动弹性模量的各向异性系数准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩体的原位各向异性系数测试方法，更具体涉及一种针对具有横观各向同性特征的工程岩体的原位动弹性模量各向异性系数的测试方法，它可实现野外原位条件下通过钻设测试孔并采用超声波测试设备有效地获得横观各向同性岩体的原位动弹性模量的各向异性系数。
背景技术
在地球地表，有约70％的岩石为沉积岩，加上其它一些具有层状或层理结构的变质岩和火山岩，人类工程建设活动面临的工程岩体大部分都是具有横观各向同性或近似横观各向同性特征的岩体。诸如公路隧道开挖、城市地铁掘进、矿山边坡整治等工程实践表明，岩体的横观各向同性变形特性和非一致力学行极易导致隧道塌方、边坡失稳、路基滑动变形、地表非均匀沉降等，以及由此导致的工程建设成本的显著增加和人员伤亡事故。因此，深入认识横观各向同性岩体的力学性质对于岩土工程的安全与高效建设就十分重要了，而准确地掌握横观各向同性岩体的原位弹模模量的各向异性系数则是这一问题的关键。
超声波是一种用于了解岩体特性的较好无损探测方法，常用于测量岩体的松弛深度和松弛程度。由于该测试方法的原理是通过测量超声波在岩体内沿不同方向的传播速度来反映岩体的松弛特征和完整性，因而也可以通过测量声波在岩体中的平均波速来反映岩体的原位动弹性模量的各向异性特征。实践中，岩体的超声波测试方式分为用一个测量探头在一个测试孔内测量沿钻孔轴线方向的岩体声波波速的单孔测试方式，以及用两个测量探头在两个平行的测试孔内测量垂直钻孔轴线方向的岩体声波波速的孔间穿透测试方式(参见“中华人民共和国国家标准——工程岩体试验方法标准[GB/T 50266-99]”，主编部位：原中华人民共和国电力工业部，1999.5.1)。
然而，由于工程岩体复杂的野外赋存环境和本身复杂的节理—岩块复合结构特点，现有横观各向同性岩体或岩石的各向异性特性的超声波测试技术储备却不足，仅有的几种涉及横观各向同性岩体或岩石的各向异性特性的超声波测试方法或试验手段要么过于复杂、要么测量结果不能准确反映横观各向同性岩体的野外原位状态：
(1)通常一些岩石各向异性的声波测试方法针对的对象基本都是试验室条件下的岩样或与原位岩体分离的岩芯，既不能充分反映原位工程岩体内蕴结构面的客观存在，又不能反映原位岩体赋存的地应力环境，因而其测量获得的岩体各向异性系数不能准确地代表原位岩体的最真实情况。《重庆建筑大学学报》，2007年第6期，题名“各向异性岩体超声波测试试验研究”，作者涂忠仁，该研究以厦门海底隧道为工程背景，针对采集的岩块开展了室内声波测试工作，研究岩样内部裂隙及岩样致密性对声波参数的影响，但未能给出其各向异性系数；《四川水力发电》，2009年第2期，题名“两河口水电站砂、板岩各向异性的研究”，作者赵勇进，该研究通过室内声波测试研究了砂岩和变形在垂直和平行各向同性面方向的波速特点，据此提出其各向异性系数，但其测试结果却与其它测试方法获得各向异性系数不一致，表明室内测试结果的可靠性不高；中国专利公开号CN 201210191011 A，公开日2012.10.03，发明名称“一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法”，该申请案通过建立薄片状压缩波换能器的机—电—声网络，对各向异性岩石样品在该能角方向上测量的能速的计算而准确地获得P-波相速，但该测量方法未考虑原位岩体的性态因而现场应用困难。
(2)一些测井方法的地层特性的声波测量方法过于复杂而缺乏现场灵活应用，或获得的参数仅表征的是不同地层或岩性之间的差异，未能针对岩体中平行或垂直各向同性面之间测量，从而也不能获得可靠的各向异性岩体的各向异性特征系数。《岩石力学与工程学报》，2006年第1期，题名“用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究”，作者潘起峰等，该研究过室内实验分别测定了不同地层岩芯垂直于和平行于地层层面方向的声波速度，得到了岩波速各向异性系数为可钻性提供了参考，但其测试对象不含原位地应力环境和结构面的岩芯，而非原位岩体；《中国石油大学胜利学院学报》，2009年第4期，题名“岩石力学特性及地层速度各向异性分析—中国大陆科学钻探1井”，作者翟勇等，该研究采用将偶极子技术与单极技术结合的正交多极子阵列声波测井仪获得不同地层的各向异性，但其测试结果反映的不是同一岩体在其平行各向同性面和垂直各向同性面之间各向异性系数；《四川水力发电》，2009年第5期，题名“单孔声波法在岩体松动圈测试中的应用”，作者胡文义等，该研究介绍了单孔声波法如何了解洞室周边介质应力状态、探测洞壁岩体的松弛厚度等，但其测试方法和测试结果方面都未考虑其横观各向同性介质的原位动弹性模量的各向异性系数特点。
发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的在于一种提供横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法，旨在克服当前岩土工程研究与建设过程中横观各向同性岩体的原位动弹性模量各向异性系数测试的技术不足，实现横观各向同性岩体的原位动弹性模量各向异性系数的准确测量。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法，包括在横观各向同性岩体内布置测试孔和通过超声波设备在测试孔内测量横观各向同性岩体的超声波传播速度及数据获取与处理方法。
所述的测试孔在横观各向同性岩体内布置是指：
A.在待测的横观各向同性岩体的平整面上标出第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔的孔口中心位置，第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔的孔口中心点连线构成一等边三角形，第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔的每两两轴线相互平行且两者之间垂直距离为1.0～1.5m，第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔的直径为超声波仪器的测量探头的最大直径的1.5～2.0倍，第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔的长度大于估计的横观各向同性岩体的表层松弛深度的二倍且总长度不小于5.0m；
B.确定横观各向同性岩体的各向同性面与水平面的夹角a，若夹角a小于或等于45度时，则钻设的第一测试孔的轴线、第二测试孔的轴线和第三测试孔的轴线垂直于横观各向同性岩体的各向同性面，若夹角a大于45度则钻设的第一测试孔的轴线、第二测试孔的轴线和第三测试孔的轴线平行于横观各向同性岩体的各向同性面且第一测试孔的轴线、第二测试孔和第三测试孔的轴线与水平面的夹角等于横观各向同性岩体的各向同性面与水平面的夹角；
所述的数据获取与处理方法是指：
C.采用单孔测试方式对第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔都进行一次超声波纵波测试，然后采用孔间穿透测试方式分别进行第一测试孔与第二测试孔之间、第二测试孔与第三测试孔之间、第三测试孔与第一测试孔之间的超声波纵波穿透测试；
D.根据单孔测试方式获得的横观各向同性岩体的超声波纵波波速特征曲线，截取每一条纵波波速特征曲线上松弛分界点至测试孔孔底段的波速数据并计算出平均纵波波速，分别获得横观各向同性岩体内沿第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔轴线方向的平均纵波波速值V1、V2和V3；
E.根据孔间穿透测试方式获得的横观各向同性岩体的超声波纵波波速特征曲线，截取每一条纵波波速特征曲线上松弛分界点至测试孔孔底段的波速数据并计算出平均纵波波速，从而分别获得横观各向同性岩体内沿第一测试孔与第二测试孔之间、第二测试孔与第三测试孔之间、第三测试孔与第一测试孔之间垂直测试孔轴线方向的横观各向同性岩体的平均纵波波速值V12、V23和V31；
F.若横观各向同性岩体的各向同性面与水平面的夹角a小于或等于45度，则根据(式1)计算关于横观各向同性岩体的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的动弹性模量各向异性系数ηd，若横观各向同性岩体的各向同性面与水平面的夹角a大于45度，则根据(式2)计算关于横观各向同性岩体的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的各向异性系数ηd；
式中，V1、V2和V3分别为采用单孔测试方式获得的沿第一测试孔、第二测试孔和第三测试孔轴线方向的横观各向同性岩体的平均纵波波速值；V12、V23和V31分别为采用孔间穿透测试方式获得的沿第一测试孔与第二测试孔之间、第二测试孔与第三测试孔之间、第三测试孔与第一测试孔之间垂直测试孔轴线方向的横观各向同性岩体的平均纵波波速值。
由于采用了上述技术方案，本发明可以准确地获得现场工程状态下横观各向同性岩体的原位动弹性模量的各向异性系数，具有如下技术效果：
(1)实现了原状应力条件下横观各向同性岩体的动弹性模量各向异性系数的准确测量：由于测量是在测量对象上钻设三个测试孔，从而确保了超声波测量时测量的横观各向同性岩体对象是在现场原位应力状态下进行；而且采用单孔测试方式和孔间穿透测试方式对岩体进行多处波速测量后分别获得了各向同性面上的3组纵波波速数据和各向异性面上的3组纵波波速数据，避免了实验室条件下无原位应力导致的动弹性模量各向异性系数测量的误差，从而确保了经测量并计算获得的横观各向同性岩体的动弹性模量各向异性系数的准确性。
(2)实行了微扰动和工程尺度下横观各向同性岩体的原位动弹性模量各向异性系数的测量：由于超声波测量是直接在现场微扰动钻孔状态下进行，既避免了岩石取样时的明显扰动和中途运输中震动干扰对测量结果的影响，又实现了工程尺度下对含原状岩体结构面的横观各向同性岩体测量，避免了人为扰动给岩体动弹性模量各向异性系数测量带来的误差，消除了实验室条件下小样品岩石试样测量获得的性状不能完全代表工程尺度下的岩体性状的不足，从而使得测量结果更真实、更具有整体代表性。
附图说明：
图1为本发明在各向同性面与水平面夹角小于或等于45度条件下的测试孔布设示意图。
图2为图1的A-A剖面图。
图3为本发明在各向同性面与水平面夹角大于45度条件下的测试孔布设示意图。
图4为图3的B-B剖面图。
具体实施方式：
下面结合附图1、附图2、附图3和附图4，对本发明横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法作进一步详细描述。
本发明具体实施方式为：
(1)清除拟进行测量的横观各向同性岩体1平整面上的表面松散岩块等堆积物，识别横观各向同性岩体1的各向同性面后，通过量角器或罗盘测量来确定横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角a。
(2)在待测的横观各向同性岩体1的平整面上标出第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的孔口中心位置，第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的孔口中心点连线构成一等边三角形，第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的每两两轴线相互平行且两者之间垂直距离为1.0～1.5m，这样可以既保证采用超声波孔间穿越测试方式测量时任意两测试孔之间岩体具有一定厚度，又能避免两个测试孔之间岩体过厚而导致超声波在横观各向同性岩体1中传播时衰减严重而无法从一个测试孔传播到另外一个测试孔。
(3)若测量的横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角a值小于或等于45度，则采用钻机在横观各向同性岩体1平整上根据标出的孔口中心位置钻设第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4，钻设的第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线应垂直于横观各向同性岩体1的各向同性面。
(4)若测量的横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角a值大于45度，则采用钻机在横观各向同性岩石1平整面上根据标出的孔口中心位置钻设第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4，钻设的第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线应平行于横观各向同性岩体1的各向同性面，且第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线与水平面的夹角等于横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角。
(5)钻设的第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的直径为超声波仪器的测量探头的最大直径的1.5～2.0倍，这样既可以确保测量探头灵活地在测试孔内移动又能确保不因测试孔孔径过大而使得测量探头与测试孔孔壁耦合不好；第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的长度应大于估计的横观各向同性岩体1表层松弛深度或塑性屈服区深度的二倍且总长度不小于5m，这样可以确保超声波测量时可以有效地获得横观各向同性岩体1未松弛完整部分的波速数据。
(6)在第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4内注满水后架设超声波测量仪器，首先采用利用一个测量探头在一个测试内测量的单孔测试方式对第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4都进行一次超声波纵波测试，然后采用利用两个测量探头在两个平行测试孔内进行测量的孔间穿透测试方式分别进行第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间的穿透超声波纵波测试，上述单孔测试方式和孔间穿透测试方式都要确保钻孔内的水完全淹没超声波探头，两种测试方式参照中华人民共和国国家标准——工程岩体试验方法标准[GB/T 50266-99]给出的步骤实施。
(7)依据中华人民共和国水利行业标准—水利水电工程物探规程(SL326—2005)的数据处理方法分析单孔测试方式在第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4内获得的测量数据，确定每条波速曲线中从低波速段向高波速稳定段过渡的分界点，计算出从分界点至测试孔孔底段的纵波波速数据的平均值，从而分别获得横观各向同性岩体1内沿第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线方向的平均纵波波速值V1、V2和V3。
(8)依据中华人民共和国水利行业标准—水利水电工程物探规程(SL326—2005)的数据处理方法分析孔间穿透测试方式对第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间和第三测试孔4与第一测试孔2之间测试获得的测量数据，确定每条波速曲线中从低波速段向高波速稳定段过渡的分界点，计算出从分界点至测试孔孔底段的纵波波速数据的平均值，从而分别获得横观各向同性岩体1内沿第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间的垂直测试孔轴线方向的平均纵波波速值V12、V23和V31。
(9)根据中华人民共和国行业标准——水利水电工程岩石试验规程(SL264—2001)可知一般岩体材料的动弹性模量可按(式3)计算，如假定横观各向同性岩体1的泊松比基本不变，则横观各向同性岩体1的原位动弹性模量各向异性系数可按(式4)计算；
式中，Ed为岩体的动弹性模量；ρ为岩体的密度；为实测的岩体纵波波速；Ed,||和Vd,||分别为横观各向同性岩体1各向同性面上的动弹性模量和纵波波速；Ed,⊥和Vd,⊥分别为横观各向同性岩体1各向异性面上的动弹性模量和纵波波速；ηd为横观各向同性岩体1的原状动弹性模量的各向异性系数。
(10)若横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角a小于或等于45度，则根据(式1)计算关于横观各向同性岩体1的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的原位动弹性模量各向异性系数ηd；若果各向同性面与水平面的夹角a大于45度，则根据(式2)计算关于横观各向同性岩体1的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的原位动弹性模量各向异性系数ηd。
式中，V1、V2和V3分别为采用单孔测试方式获得的沿第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4轴线方向的横观各向同性岩体1的平均纵波波速值；V12、V23和V31分别为采用孔间穿透测试方式获得的沿第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间垂直测试孔轴线方向的横观各向同性岩体1的平均纵波波速值；ηd为横观各向同性岩体1的原位动弹性模量的各向异性系数。
具体实施例1：
(1)清除拟进行测量的为玄武岩的横观各向同性岩体1平整面上的表面松散岩块等堆积物，识别横观各向同性岩体1的各向同性面后，通过量角器测量来确定横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角为32度。
(2)在待测的横观各向同性岩体1的平整面上标出第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的孔口中心位置，第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的孔口中心点连线构成一等边三角形，设定第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的每两两轴线相互平行且两者之间垂直距离为1.0米。
(3)采用钻机在横观各向同性岩体1平整上根据标出的孔口中心位置钻设第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4，因横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角小于45度则钻设的第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线垂直于横观各向同性岩体1的各向同性面。
(4)由于超声波仪器的测量探头最大直径为40.0毫米，则设定第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的直径为75.0毫米；现场估计横观各向同性岩体1表层松弛深度为2.5米，则设定第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的长度都为6.0米。
(5)在第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4内注满水后架设超声波测量仪器，首先采用利用一个测量探头在一个测试内测量的单孔测试方式对第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4都进行一次超声波纵波测试，然后采用利用两个测量探头在两个平行测试孔内进行测量的孔间穿透测试方式分别进行第一测试孔2与第二测试孔之间3、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间的穿透超声波纵波测试，上述单孔测试方式和孔间穿透测试方式都要确保钻孔内的水完全淹没超声波探头，两种测试方式参照中华人民共和国国家标准——工程岩体试验方法标准[GB/T 50266-99]给出的步骤实施。
(6)依据中华人民共和国水利行业标准—水利水电工程物探规程(SL326—2005)的数据处理方法分析单孔测试方式在第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4内获得的测量数据，确定每条波速曲线中从低波速段向高波速稳定段过渡的分界点，计算出三条波速曲线从分界点至测试孔孔底段的纵波波速数据的平均值分别为4853.4米/秒、4916.5米/秒、4797.8米/秒，从而分别获得横观各向同性岩体1内沿第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线方向的平均纵波波速值为V1＝4853.4米/秒、V2＝4916.5米/秒和V3＝4797.8米/秒。
(7)依据中华人民共和国水利行业标准—水利水电工程物探规程(SL326—2005)的数据处理方法分析孔间穿透测试方式对第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间和第三测试孔4与第一测试孔2之间测试获得的测量数据，确定每条波速曲线中从低波速段向高波速稳定段过渡的分界点，计算出三条波速曲线中从分界点至测试孔孔底段的纵波波速数据的平均值分别为5321.5米/秒、5294.3米/秒、5389.2米/秒，从而分别获得横观各向同性岩体1内沿第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间的垂直方向的平均纵波波速值V12＝5321.5米/秒、V23＝5294.3米/秒和V31＝5389.2米/秒。
(8)根据(式1)计算关于横观各向同性岩体1的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的原位动弹性模量各向异性系数ηd＝0.828。
具体实施例2：
(1)清除拟进行测量的为砂岩的横观各向同性岩体1平整面上的表面松散岩块等堆积物，识别横观各向同性岩体1的各向同性面后，通过罗盘测量确定横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角为73度。
(2)在待测的横观各向同性岩体1的平整面上标出第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的孔口中心位置，第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的孔口中心点连线构成一等边三角形，设定第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的每两两轴线相互平行且两者之间垂直距离为1.2米。
(3)采用钻机在横观各向同性岩体1平整上根据标出的孔口中心位置钻设第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4，因横观各向同性岩体1的各向同性面与水平面的夹角大于45度则钻设的第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线平行于横观各向同性岩体1的各向同性面，且第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线与水平面的夹角等于73度。
(4)由于超声波仪器的测量探头最大直径为30.0毫米，则设定的第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的直径55.0毫米；数值计算估计横观各向同性岩体1表层塑性屈服区深度为3.0米，则设定第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的长度都为8.0米。
(5)在第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4内注满水后架设超声波测量仪器，首先采用利用一个测量探头在一个测试内测量的单孔测试方式对第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4都进行一次超声波纵波测试，然后采用利用两个测量探头在两个平行测试孔内进行测量的孔间穿透测试方式分别进行第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间的穿透超声波纵波测试，上述单孔测试方式和孔间穿透测试方式都要确保钻孔内的水完全淹没超声波探头，两种测试方式参照中华人民共和国国家标准——工程岩体试验方法标准[GB/T 50266-99]给出的步骤实施。
(6)依据中华人民共和国水利行业标准—水利水电工程物探规程(SL326—2005)的数据处理方法分析单孔测试方式在第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4内获得的测量数据，确定每条波速曲线中从低波速段向高波速稳定段过渡的分界点，计算出三条波速曲线从分界点至测试孔孔底段的纵波波速数据的平均值分别为5654.3米/秒、5718.2米/秒、5609.7米/秒，从而分别获得横观各向同性岩体1内沿第一测试孔2、第二测试孔3和第三测试孔4的轴线方向的平均纵波波速值V1＝5654.3米/秒、V2＝5718.2米/秒和V3＝5609.7米/秒。
(7)依据中华人民共和国水利行业标准—水利水电工程物探规程(SL326—2005)的数据处理方法分析孔间穿透测试方式对第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间和第三测试孔4与第一测试孔2之间测试获得的测量数据，确定每条波速曲线中从低波速段向高波速稳定段过渡的分界点，计算出三条波速曲线中从分界点至测试孔孔底段的纵波波速数据的平均值分别为4532.2米/秒、4489.7米/秒、4583.4米/秒，从而分别获得横观各向同性岩体1内沿第一测试孔2与第二测试孔3之间、第二测试孔3与第三测试孔4之间、第三测试孔4与第一测试孔2之间垂直测试孔轴线方向的平均纵波波速值V12＝4532.2米/秒、V23＝4489.7米/秒和V31＝4583.4米/秒。
(8)根据(式2)计算关于横观各向同性岩体1的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的原位动弹性模量各向异性系数ηd＝0.642。
Claims (1)
1.一种横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法，包括在横观各向同性岩体(1)内布置测试孔和通过超声波设备在测试孔内测量横观各向同性岩体(1)的超声波传播速度及数据获取与处理方法，其特征在于，
所述的测试孔在横观各向同性岩体(1)内布置是指：
A.在待测的横观各向同性岩体(1)的平整面上标出第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)的孔口中心位置，第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)的孔口中心点连线构成一等边三角形，第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)的每两两轴线相互平行且两者之间垂直距离为1.0～1.5m，第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)的直径为超声波仪器的测量探头的最大直径的1.5～2.0倍，第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)的长度大于估计的横观各向同性岩体(1)的表层松弛深度的二倍且总长度不小于5.0m；
B.确定横观各向同性岩体(1)的各向同性面与水平面的夹角a，若夹角a小于或等于45度时，则钻设的第一测试孔(2)的轴线、第二测试孔(3)的轴线和第三测试孔(4)的轴线垂直于横观各向同性岩体(1)的各向同性面，若夹角a大于45度则钻设的第一测试孔(2)的轴线、第二测试孔(3)的轴线和第三测试孔(4)的轴线平行于横观各向同性岩体(1)的各向同性面且第一测试孔(2)的轴线、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)的轴线与水平面的夹角等于横观各向同性岩体(1)的各向同性面与水平面的夹角；
所述的数据获取与处理方法是指：
C.采用单孔测试方式对第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)都进行一次超声波纵波测试，然后采用孔间穿透测试方式分别进行第一测试孔(2)与第二测试孔(3)之间、第二测试孔(3)与第三测试孔(4)之间、第三测试孔(4)与第一测试孔(2)之间的超声波纵波穿透测试；
D.根据单孔测试方式获得的横观各向同性岩体(1)的超声波纵波波速特征曲线，截取每一条纵波波速特征曲线上松弛分界点至测试孔孔底段的波速数据并计算出平均纵波波速，分别获得横观各向同性岩体(1)内沿第一测试孔(2)、 第二测试孔(3)和第三测试孔(4)轴线方向的平均纵波波速值V1、V2和V3；
E.根据孔间穿透测试方式获得的横观各向同性岩体(1)的超声波纵波波速特征曲线，截取每一条纵波波速特征曲线上松弛分界点至测试孔孔底段的波速数据并计算出平均纵波波速，从而分别获得横观各向同性岩体(1)内沿第一测试孔(2)与第二测试孔(3)之间、第二测试孔(3)与第三测试孔(4)之间、第三测试孔(4)与第一测试孔(2)之间垂直测试孔轴线方向的横观各向同性岩体(1)的平均纵波波速值V12、V23和V31；
F.若横观各向同性岩体(1)的各向同性面与水平面的夹角a小于或等于45度，则根据(式1)计算关于横观各向同性岩体(1)的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的动弹性模量各向异性系数ηd，若横观各向同性岩体(1)的各向同性面与水平面的夹角a大于45度，则根据(式2)计算关于横观各向同性岩体(1)的各向异性面上动弹性模量比上各向同性面上动弹性模量的各向异性系数ηd；
式中，V1、V2和V3分别为采用单孔测试方式获得的沿第一测试孔(2)、第二测试孔(3)和第三测试孔(4)轴线方向的横观各向同性岩体(1)的平均纵波波速值；V12、V23和V31分别为采用孔间穿透测试方式获得的沿第一测试孔(2)与第二测试孔(3)之间、第二测试孔(3)与第三测试孔(4)之间、第三测试孔(4)与第一测试孔(2)之间垂直测试孔轴线方向的横观各向同性岩体(1)的平均纵波波速值。
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