CN104569158A - 基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计方法，发明按照常规爆破振动测试布置测点，通过多通道数据采集器获得P波与S波到达各测点的时间，并通过P波与S波到达测点的时间差和测点间距离计算P波与S波在两测点间的传播速度，根据传播速度即可判断两测点间的岩体质量并求得两测点间岩体的动弹性模量。发明操作简单，可作为常规地质勘测的有效补充，从而节省大量的时间和工作量；不仅适用于地下洞室爆破开挖时的地质勘测，同样适用于边坡的地质勘测。

Description

基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计方法，适用于水利水电工程、交通、矿山、国防等领域。

背景技术

岩体质量分类以及动力参数是影响隧道工程设计、施工、安全、造价的主要因素之一。在岩体工程施工过程中，是否能够及时、准确、合理的对岩体质量进行分类、岩石力学参数进行估计，这对施工设计和施工进度，以及准确的估计工程的变形和稳定都十分重要。同时，岩体在动态荷载下的力学参数估计的准确与否直接影响到隧道工程的安全性与经济性。

工程岩体质量分类目的是从工程实际需求出发，根据围岩岩体不同特征将其划分为不同的区段，并进行相应的试验，得出计算指标参数，以便在设计和施工中分类指导。但由于岩体结构受原生构造、后期构造改造和浅表生物作用的影响，岩体中常常会发育多组相互交错的裂隙，并形成相互交切的结构面网络系统，使岩体结构复杂化，这使得岩体质量的评价难度加大，评价结果不够准确，因此需要采取合理有效的方法进行岩体质量分类。

经过多年的发展和研究，岩体质量分类已由过去的传统方法(定性描述、单指标分类)发展为考虑多项因素的方法(定量评价、多指标共同参与分类)。上世纪60年代前，岩体分类评价主要是以岩石材料强度这一单一指标为依据，而没有考虑岩体周围的赋存环境以及岩体结构面的作用，而岩体相对岩石，其中存在着不同类型、不同规模的各种结构面，受到天然应力和地下水等地质环境因素的影响，同时岩体中表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性特征，单单依靠岩石材料强度作为划分依据并不可靠。到了60年代以后，人们才逐步引入了岩体完整性这一全新的概念，并将表征岩体完整性的指标引入岩体质量分类系统，例如裂隙间距D、岩体体积节理数Jv、块度、岩石质量指标RQD、岩体完整性系数Kv等。其中，岩芯钻探法应用最为广泛，这种方法被广泛应用于水利水电工程、矿山、交通工程之中，基于这种方法的评价指标之一是岩石质量指标RQD，它是一种可以反映岩体完整性的定量参数。但是RQD指标也存在着许多的不完善之处，由于岩体工程地质特征的复杂性，RQD指标难以真实的反应岩体中由于裂隙的发育、填充的特征以及自然风化的作用引起的岩体非均质、非连续、各向异性和非弹性特征，在不同的取样部位RQD指标相差会很大；另外，RQD指标为一维的线性指标，难以真实的反应岩体复杂的三维特征。因此如果过分依赖RQD指标，所得到的结果有时会很不准确并造成严重的后果。

在岩体工程实践中，力学参数的合理确定在岩石力学的研究和发展过程中始终是难题之一。岩体的力学参数包括静力学参数和动力学参数，传统的确定岩体静力学参数的方法有：三轴应力状态下的卸荷三场耦合力学试验；进行岩体流变特性试验研究获得岩体的流变参数；建立力学模型；分析岩体节理情况等。但这些方法都不能准确的获得岩石的力学参数。而更难以获得的是动态荷载作用下的岩体力学参数，即岩土体在爆炸荷载作用下的动力性能，它是水电工程、矿山、交通工程等爆破开挖工程中的所必须的重要资料，对工程施工的安全性与经济性有着重大影响，需要高效准确的方法来确定岩体动力参数。近些年来，岩体动力学参数的研究在试验方法(包括有冲击荷载作用下岩石破碎特征、动态张拉破坏特征等)、本构模型研究(爆炸荷载作用下各向异性的本构方程、循环荷载作用下考虑疲劳效应的节理岩体本构等)和数值模拟方面都取得了很大的进展。但这些方法存在着操作比较复杂，耗时长，在有些工程实践过程中不易实施，在不同的地质条件下所得到的结果相差较大的缺点等。因此，需要提出一种适用性强、适用范围广、计算结果简单可靠的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计方法。

本发明思路为：

采用常规方法进行爆破振动测试，采用多通道数据采集器采集P波和S波到达各测点的时间，根据P波和S波到达各测点的时间差获得P波和S波的波速，根据波速判断两测点间的岩体质量，并可估计动弹性模量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计系统，包括三向振动速度传感器、多通道数据采集器和控制中心，三向振动速度传感器布置于各测点，基于爆破振动测试方法确定测点位置；布置于同一测线测点的三向振动速度传感器与同一多通道数据采集器相连；多通道数据采集器用来采集三向振动速度传感器检测数据，并将采集的监测数据发送至控制中心。

上述多通道数据采集器为SZSC-N多通道数据采集器。

作为优选，同一测线中相邻测点间距为10～20m。

作为优选，各测线中距离爆源最近的测点和爆源距离为15～20m。

二、基于爆破振动测试的岩体质量分类方法，包括：

当爆炸振动波传递到第一个三向振动速度传感器时，多通道数据采集器通过软件触发方式控制对应的测线上所有三向振动速度传感器同时开始记录时间；

对三向振动速度传感器测量获得的P波与S波的混合波场进行波场分离，并将检测到P波与S波的时间，即P波与S波到达测点的时间发送至多通道数据采集器；

多通道数据采集器将接收数据发送至控制中心，控制中心根据P波与S波到达各测点的时间及两测点间距，计算P波与S波在同一测线任意两测点间的传播速度；

控制中心根据P波与S波在任意两测点间的传播速度计算该两测点间岩体基本质量，并进行岩体质量分类。

上述波场分离采用滤波法、波动方程法、τ-p变换法或Radon变换法进行。

三、基于爆破振动测试的岩体动力参数估计方法，包括步骤：

当爆炸振动波传递到第一个三向振动速度传感器时，多通道数据采集器通过软件触发方式控制对应的测线上所有三向振动速度传感器同时开始记录时间；

对三向振动速度传感器测量获得的P波与S波的混合波场进行波场分离，并将检测到P波与S波的时间，即P波与S波到达测点的时间发送至多通道数据采集器；

多通道数据采集器将接收数据发送至控制中心，控制中心根据P波与S波到达各测点的时间及两测点间距，计算P波与S波在同一测线任意两测点间的传播速度；

控制中心根据P波与S波在任意两测点间的传播速度，计算该两测点间岩体的动弹性模量。

上述控制中心根据P波与S波在任意两测点间的传播速度，计算该两测点间岩体的动态弹性常数，具体为：

根据Hooke介质无限体中横波传播速度V_S与纵波传播速度V_P公式 $\left\{\begin{array}{c}{V}_S=\sqrt{G/\mathrm{\ρ}}\\ V_P=\sqrt{(\mathrm{\λ}+2G)/\mathrm{\ρ}}\end{array}\right.$ (1)，反推动态弹性常数G、v、E，为 $\left\{\begin{array}{c}G={V_S}^2\mathrm{\ρ}\\ v=[\frac{1}{2}\left(\frac{V_P}{V_S}\right)-1]/[{\left(\frac{V_P}{V_S}\right)}^2-1]\\ E=2G(1+v)\end{array}\right.---\left(2\right),$ 其中，ρ为介质密度；λ为Lame弹性常数，G和E为动态弹性模量，v为泊松比，λ＝2Gv/(1-2v)；

以S波在两测点间的传播速度V_Sn为横波传播速度V_S，以P波在两测点间的传播速度V_Pn为纵波传播速度V_P，根据公式(1)获得两测点间的动态弹性常数G、v、E。

具体实施中，控制中心为远程电脑。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)可结合常规爆破振动测试完成，操作简单，可以作为常规地质勘测的有效补充，从而节省大量的时间和工作量。

(2)可沿爆源的不同方向布置多条测线，每条测线上安装多个三向振动速度传感器，且每条测线使用一台多通道数据采集器，测量数据全面；并且不同测线上的数据可以相互校正，使得结果更可靠。

(3)不仅适用于地下洞室爆破开挖时的地质勘测，同样适用于边坡的地质勘测，根据计算结果对爆源附近的岩体质量分类并对岩体的动力参数进行估计。

(4)适用于水利水电工程、交通、矿山、国防等领域，具有良好的工程推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的具体流程图；

图2为隧洞地质勘测测点布置示意图；

图3为隧洞地质勘测测线布置示意图；

图4为边坡地质勘测测线布置示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式进一步说明本发明技术方案。

本发明针对现有的岩体质量分类方法和动力参数估计方法存在的缺陷而提出，本发明按照常规爆破振动测试布置测点，通过多通道数据采集器获得P波与S波到达各测点的时间，并通过P波与S波到达测点的时间差和测点间距离计算P波与S波在两测点间的传播速度，根据传播速度即可判断两测点间的岩体质量并求得两测点间岩体的动弹性模量。同时，该方法也适用于边坡爆破开挖。

参见图1，本发明具体步骤包括：

步骤1，三向振动速度传感器和多通道数据采集器的布置。

为确保结果准确可靠，首先对爆源附近待检测对象进行调查，本发明中待检测对象即隧洞围岩或边坡；然后对三向振动速度传感器和多通道数据采集器进行检查、检测和标定；同时，根据待检测对象与爆源的相对位置，确定测点位置及测点间距L，在各测点布置三向振动速度传感器，为了防止三向振动速度传感器移动，采用石膏将其固定。作为优选，测点间距取为10～20m。测点位置的确定需要考虑待检测对象与爆源的相对位置，具体可参见常规爆破振动测试方法中的测点布置。

将布置于同一测线测点的三向振动速度传感器与多通道数据采集器相连，本具体实施中采用的多通道数据采集器为北京声振研究所的SZSC-N多通道数据采集器，该设备测量精度高，速度快，编程简便，且具有USB设备体积小巧，连接方便，其触发方式有定时器触发和软件触发两种。定时器触发根据预先设定的时间触发信号采集，软件触发是通过软件主动查询信号或系统当前状态，符合设定条件则触发信号采集，通过软件触发方式来控制所有三向振动速度传感器同时开始记录时间，这样即可测出爆破振动波到达各三向振动速度传感器的时间。

步骤2，振动信号的识别。

通常情况下，三向振动速度传感器直接测量获得的是P波与S波的混合波场，两种不同性质波场的混杂不利于波动信号的处理，由于纵波和横波在地下传播过程中具有不同的动力学特征和运动学特征，使得纵横波的分离成为可能。工程应用中通常会采用滤波法、波动方程法、τ-p变换法、Radon变换法等进行波场分离。波场分离后，通过P波与S波到达各测点的时间差，即可求得P波与S波在测点间的传播速度。

步骤3，P波与S波在测点间传播速度的计算。

根据测点间距L和P波、S波到达各测点的时间，计算P波和S波在任意两测点间的传播速度。在同一测线上，假设P波到达该测线第n个测点的时间为t_n，到达第n+1个测点的时间为t_n+1，则P波在两测点间的传播速度V_Pn：

$V_{\mathrm{Pn}}=\frac{L}{t_{n+1}-t_n}---\left(1\right)$

同理可求得S波在两测点间的传播速度V_Sn。

步骤4，根据P波和S波在测点间的传播速度判断测点间岩体基本质量，并进行岩体质量分类。

根据《工程岩体分级标准GB50218-94》，岩石的坚硬程度和完整程度决定岩体的基本质量，通常采用岩石饱和单轴抗压强度R_c(MPa)划分岩石坚硬程度，采用完整性系数K_v划分岩体完整程度，其中，岩石饱和单轴抗压强度是指标准岩石式样在水中吸水饱和后，在单向受压破坏时，单位面积上所承受的最大压应力，常采用压力机直接压坏标准式样测得。

完整性系数K_v计算公式如下：

$K_v={\left(\frac{V_{\mathrm{Pm}}}{V_{\mathrm{Pr}}}\right)}^2---\left(2\right)$

式(2)中：V_Pm与V_Pr分别为岩体和岩石的弹性纵波波速，其中，V_Pm为步骤3中测得的岩体纵波传播速度V_Pn，V_Pr为岩体中取出的岩石式样室内声波测试测出的纵波传播速度。

然后根据公式BQ＝90+3R_c+250K_v计算岩体基本质量指标BQ，参照《工程岩体分级标准GB50218-94》中规定，根据岩体基本质量指标BQ对待检测岩体进行质量分类。

由于弹性波的特性与岩体质量密切相关，面对复杂的地质条件时，本发明结合常规生产爆破测量的波速数据，同样可作为上述岩体质量分类方法的有效补充，且可与上述结果相互对比校核，其特点表现在以下五个方面：

(1)岩体的弹性波速与岩体种类、岩石密度和生成年代有关。岩石的完整性和密度越高，波速越大，反之就越小。

(2)岩体波速与岩体中的裂隙夹层有关。弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，会由于裂隙中的填充物不同而产生不同的现象。弹性波的频率越低，则反映出跨越裂隙的宽度越大，反之越小；P波的波速随着裂隙数目的增多而减小；岩体风化程度越高、夹层厚度越大，则弹性波的波速越小。

(3)波速与岩体有效孔隙率及吸水率有关。纵波的波速会随着有效孔隙率的增加和吸水率的增加而急剧的下降。

(4)波速与岩体的各向异性性质有关。可根据平行层面纵波波速与垂直层面的波速比值求得各向异性系数；岩体的应力越大，纵波波速的各向异性系数越小，波速也越大。

(5)岩体所受的应力对弹性波的传播有影响。

步骤5，根据P波和S波在测点间的传播速度计算待检测岩体的动力参数。

Hooke介质无限体中横波传播速度V_S与纵波传播速度V_P的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_S=\sqrt{G/\mathrm{\ρ}}\\ V_P=\sqrt{(\mathrm{\λ}+2G)/\mathrm{\ρ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据公式(3)反推G、v、E，如下：

$\left\{\begin{array}{c}G={V_S}^2\mathrm{\ρ}\\ v=[\frac{1}{2}\left(\frac{V_P}{V_S}\right)-1]/[{\left(\frac{V_P}{V_S}\right)}^2-1]\\ E=2G(1+v)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中：ρ为介质密度；λ为Lame弹性常数，λ＝2Gv/(1-2v)。

以步骤3获得的S波在两测点间的传播速度V_Sn为横波传播速度V_S，以步骤3获得的P波在两测点间的传播速度V_Pn为纵波传播速度V_P，根据公式(4)获得两测点间的动态弹性常数G、v、E，其中，G和E为动态弹性模量，v为泊松比。

当仅采用一条测线，可能会由于采集数据不充分造成计算结果不准确。具体实施时可布置多条测线，每条测线采用一台多通道数据采集器采集数据，最后将各多通道数据采集器采集的数据汇总，相互校正，从而得到更准确和全面的测量数据。根据不同测线上所得的岩石质量和动态弹性常数，对勘测部位地质情况进行详细的校核和总结，最终绘制勘测区域范围的地质资料，可作为数值计算之用。

测线布置一般需遵循以下原则：(1)在待检测岩体的关键部位进行测线的布置，如隧洞底部的角点、隧洞顶部，边坡上的马道岩体等；(2)在隧洞和边坡上岩体质量差的部位进行测线的布置，如裂隙发育和自然风化严重的部位、隧洞中存在有软弱夹层的部位等；(3)需对存在有贯穿裂隙或大的裂缝的部位进行检测线的布置，以获得岩体的准确的质量情况，为选择合理的支护方式之用；(4)在遵循上述原则的前提下，为增加监测数据的准确性，完善测量结果，可根据现场施工条件在测线布置较疏的部位布置测线。

下面通过具体的实施例，并结合附图对本发明技术方案作进一步的说明。

实施例1：

洞室地质勘测：

爆破振动检测传感器采用三向振动速度传感器。在检测过程中，各测点均布置一台三向振动速度传感器，可测量水平径向、水平切向和竖直向的振动信号，并将信号传输至多通道数据采集器，再输入电脑进行存储和分析。检测开始前，对所待检测对象进行初步检查，并对三向振动速度传感器和多通道数据采集器校核检验，三向振动速度传感器使用石膏固定于测点。

本具体实施中，为防止隧洞爆破时对检测设备(即三向振动速度传感器和多通道数据采集器)造成损害，每条测线的第一个测点(即该测线上距离爆源最近的测点)距离掌子面距离不能过近，可取15～20m；测点间距L取10～20m，见图2，其中数字1、2、3……为测点编号。当需要隧洞围岩的整体质量状况资料时，也可在隧洞四周布置多条测线，见图3，每条测线使用一台多通道数据采集器，互不干扰。

多通道数据采集器采用软件触发方式触发检测系统，控制所有三向振动速度传感器同步记录，以便求出同一测线上任两测点间的振动波传播时间差，从而求出P波与S波在任两测点间的传播速度。

根据弹性波在岩体中的传播特性可对隧洞围岩质量状况进行分类，并运用公式(4)推出岩体在动荷载条件下的参数，包括动态弹性常数G、v、E。整合所有测线上所测数据，相互校正，即可计算出隧洞围岩整体的岩体质量以及动力参数。

实施例2：

边坡地质勘测：

采用实施例1中同样的检测设备。在边坡爆破开挖过程中，沿爆源的不同方向布置7条测线，如图4所示，每条测线均布置多个测点。为保护检测设备安全，同一测线上离爆源最近的测点距离爆源距离为15～20m，相邻测点间距为10～20m。

采用同实施例1同样的方法对爆破振动信号处理，可求得边坡爆破开挖时不同测点间的P波与S波的传播速度，并通过传播速度进行岩体质量的判断以及动力参数的估计。

Claims (8)

1.基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计系统，其特征是：

包括三向振动速度传感器、多通道数据采集器和控制中心，三向振动速度传感器布置于各测点，基于爆破振动测试方法确定测点位置；布置于同一测线测点的三向振动速度传感器与同一多通道数据采集器相连；多通道数据采集器用来采集三向振动速度传感器检测数据，并将采集的监测数据发送至控制中心。

2.如权利要求1所述的基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计系统，其特征是：

所述的多通道数据采集器为SZSC-N多通道数据采集器。

3.如权利要求1所述的基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计系统，其特征是：

同一测线中相邻测点间距为10～20m。

4.如权利要求1所述的基于爆破振动测试的岩体质量分类及动力参数估计系统，其特征是：

各测线中距离爆源最近的测点和爆源距离为15～20m。

5.基于爆破振动测试的岩体质量分类方法，其特征是，包括：

当爆炸振动波传递到第一个三向振动速度传感器时，多通道数据采集器通过软件触发方式控制对应的测线上所有三向振动速度传感器同时开始记录时间；

对三向振动速度传感器测量获得的P波与S波的混合波场进行波场分离，并将检测到P波与S波的时间，即P波与S波到达测点的时间发送至多通道数据采集器；

多通道数据采集器将接收数据发送至控制中心，控制中心根据P波与S波到达各测点的时间及两测点间距，计算P波与S波在同一测线任意两测点间的传播速度；

控制中心根据P波与S波在任意两测点间的传播速度计算该两测点间岩体基本质量，并进行岩体质量分类。

6.如权利要求5所述的基于爆破振动测试的岩体质量分类方法，其特征是：

所述的波场分离采用滤波法、波动方程法、τ-p变换法或Radon变换法进行。

7.基于爆破振动测试的岩体动力参数估计方法，其特征是，包括步骤：

当爆炸振动波传递到第一个三向振动速度传感器时，多通道数据采集器通过软件触发方式控制对应的测线上所有三向振动速度传感器同时开始记录时间；

对三向振动速度传感器测量获得的P波与S波的混合波场进行波场分离，并将检测到P波与S波的时间，即P波与S波到达测点的时间发送至多通道数据采集器；

多通道数据采集器将接收数据发送至控制中心，控制中心根据P波与S波到达各测点的时间及两测点间距，计算P波与S波在同一测线任意两测点间的传播速度；

控制中心根据P波与S波在任意两测点间的传播速度，计算该两测点间岩体的动弹性模量。

8.如权利要求7所述的基于爆破振动测试的岩体动力参数估计方法，其特征是：

所述的控制中心根据P波与S波在任意两测点间的传播速度，计算该两测点间岩体的动态弹性常数，具体为：

根据Hooke介质无限体中横波传播速度V_S与纵波传播速度V_P公式 $\left\{\begin{array}{c}{V}_S=\sqrt{G/\mathrm{\ρ}}\\ V_P=\sqrt{(\mathrm{\λ}+2G)/\mathrm{\ρ}}\end{array}\right.---\left(1\right),$ 反推动态弹性常数G、v、E，为 $\left\{\begin{array}{c}G={V_S}^2\mathrm{\ρ}\\ v=[\frac{1}{2}\left(\frac{V_P}{V_S}\right)-1]/[{\left(\frac{V_P}{V_S}\right)}^2-1]\\ E=2G(1+v)\end{array}\right.---\left(2\right),$

其中，ρ为介质密度；λ为Lame弹性常数，G和E为动态弹性模量，v为泊松比，λ＝2Gv/(1-2v)；

以S波在两测点间的传播速度V_Sn为横波传播速度V_S，以P波在两测点间的传播速度V_Pn为纵波传播速度V_P，根据公式(1)获得两测点间的动态弹性常数G、v、E。