CN108153947A - 一种基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，以现场泥质岩状态的崩解演化过程为基础，从多角度描述崩解特征:影响深度、裂隙率、颗粒分布特征、崩解率四个方面进行描述。影响深度是一维线性变量，描述崩解单向影响范围；裂隙率是二维平面变量，描述平面崩解颗粒边界特征指标，可间接反映颗粒大小与分布；颗粒分布特征是三维立体变量，可描述崩解深度内颗粒大小与分布；崩解率是综合确定了崩解物的颗粒分布值。因此影响深度、平面裂隙率、崩解物颗粒分布、崩解率是全面描述崩解发展阶段对应的崩解特征。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：能系统反映极软岩的崩解过程的多种指标，使描述参数更接近于实际岩坡面崩解现象。

Description

一种基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种极软岩基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法。

背景技术

《工程岩体分级标准》(GB50218T-2014)3.3.3条规定，天然湿度单轴抗压强度小于15MPa，大于5MPa的岩石称为软岩；小于5MPa，称为极软岩；《岩石与岩体鉴定和描述标准》(CECS239-2008)中4.4.5条规定，天然湿度单轴抗压强度小于15MPa，大于5MPa的岩石称为软岩；小于5MPa，大于1MPa称为很软岩。天然湿度单轴抗压强度小于1MPa的岩石称为极软岩。泥质岩，包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩等，是含有粘土矿物成分的沉积岩，是一种特殊的极软岩类型。由于岩层产状、厚度、岩性、颜色等方面都比较稳定，形成年代为第三纪至白垩系(K)，成岩度不高，导致在物质组成、结构和构造等方面，既具有土的部分特征，又具有岩石的部分特征，国内有学者将其界定为硬土-软岩，而在地质学上，将这种似岩非岩，似土非土的地层称为半成岩。崩解性是泥质岩的基本特性，是泥质岩地区的边坡、坝基、矿井及隧道等岩石工程的安全问题的重要影响因素。泥质岩中粘土矿物与水发生作用后，出现崩解现象，导致岩体局部开裂、解体，整体强度下降，对工程建设的影响很大，许多专家学者对泥质岩的崩解特性进行了研究。

现行规范的崩解评价方法：现有岩石崩解特性测试与研究均以耐崩解性试验方法为基础的，评价方法采用现行规范《工程岩体试验方法标准规范》(GB/T50266-2013)中推荐的二次干湿循环耐崩解性指数，或干湿循环不同次数的耐崩解性指数。岩石的二次干湿循环耐崩解性指数描述方法已经得到国际岩石力学学会(ISRM)推广，在国际上已经广泛应用。

单一参数描述方法不适合复杂的崩解特性：除规范中二次干湿循环耐崩解性指数之外，根据最近5年来的国内外文献资料，基于现场气候条件的岩石崩解特性研究，还提出了级配崩解率D_R(Deintegration Ratio)方法，根据现场岩石在自然气候条件所形成的裂隙发育频率提出了耐崩解等级SDR(Slake Durability Rating)的评价方法，这些也全是单一参数法。但软岩对环境水分变化敏感性与岩石的渗透率、矿物成分与组成、结构与构造、微裂隙存在等状态相关；并且现有研究成果显示，根据软岩的崩解度与崩解物破坏样式，软岩定性为Ⅴ类崩解岩和5种崩解破坏形式。因此一个参数很难科学、合理地表征复杂的软岩体崩解特征。

现有方法的问题：单一参数描述方法只适用于无侧限、室内试验成果，试验过程很难反映现场泥质岩崩解现象，具体问题为：

(1)自然边坡条件下基岩为半无限空间体，表现为顶部单面失水，侧向变形受限，顶部单面遇水崩解；而室内试验岩块崩解是多向，所以适用于现有无侧限岩块崩解试验的单一参数很难反映现场单面崩解现象；

(2)自然边坡上崩解物受到剥蚀而流失，单一参数无法评价现场整体崩解情况；

(3)现场崩解应考虑裂隙因素；

(4)现场沉积岩的结构、构造对崩解有影响。

发明内容

解决的技术问题：针对现有软岩崩解试验中存在的问题和规范耐崩解性试验中没有说明取2mm为崩解粒径阈值的原因的缺陷，本发明提供了一种基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，该方法以现场泥质岩状态的崩解演化过程为基础，从多角度多层次描述崩解特征。

一种基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，崩解特征包括四个一级指标，分别为：崩解影响深度特征、崩解裂隙发育特征、崩解颗粒分布特征和崩解率，

崩解影响深度特征是一维线性变量，用于描述崩解单向影响范围；

崩解裂隙发育特征是二维平面变量，用于描述平面崩解颗粒边界特征指标，可间接反映颗粒大小与分布；

崩解颗粒分布特征即颗粒分布曲线，是三维立体变量，可描述崩解深度内颗粒大小与分布；

崩解率是描述崩解物颗粒大小与分布的整体特征量。

崩解影响深度特征的确定可由崩解物干质量Δm_1ST、干密度ρ_d和水气交换面的面积A，运用式(1)计算干湿循环后的崩解深度ΔH_d，

崩解裂隙发育特征包括裂隙的密度、裂隙的长度和裂隙的宽度，定量描述裂隙在干湿循环过程中的发展规律，需用图像处理软件对多次脱湿后的试样表面裂隙照片作进一步处理；包括以下步骤：

(1)用photoshop将多次脱湿后表面裂隙照片用直径比环刀略小的圆截取，当采用直径为60mm的圆进行裁剪时，直径上像素点个数为375，于是6.25个像素点相当于长度1mm；

(2)对图像进行USM锐化处理，增加图像清晰度，将裂隙更明显地展现出来；随后图像二值化，先将图像的对比度调至最高，然后调整阈值至默认值128，即可完成图像二值化处理；

(3)用Image-Pro图像处理软件将每次脱湿后的极大裂隙长度、极大宽度及裂隙率算出；裂隙率的计算式：

式中：δ_f为裂隙率；n为裂缝总条数；A为统计试样面积；A_i是第i条裂缝所占面积。

确定崩解颗粒分布特征时，使试样分别过孔径分别为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.075mm的标准筛，进行筛分、称重，得到通过不同标准筛孔径的崩解物质量；得到颗粒分布特征曲线；根据颗粒分布特征曲线，确定界限粒径d₆₀，即小于该粒径颗粒占总质量的60％；平均粒径d₅₀，即小于该粒径颗粒占总质量的50％；中间粒径d₃₀，即小于该粒径颗粒占总质量的30％；有效粒径d₁₀，即小于该粒径颗粒占总质量的10％；不均匀系数C_u，不均匀系数C_u越大表明崩解物的粒度越不均匀，其计算公式为：

曲率系数C_c，表示某种粒径的粒组是否缺失，其计算公式为：

确定崩解率时，定义粒径小于标准筛孔径的崩解物颗粒为完全崩解物，取标准筛的孔径分别为完全崩解物粒径的阈值D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆……D_k，则崩解率DR_i为粒径小于阈值D_i的颗粒崩解物的干质量占试样总干质量的百分数，其中i＝1,2,3,4,5,6……k，则：

上式中，m_Di为粒径小于阈值D_i的颗粒崩解物的干质量；m₀为试样总干质量；

进一步，所述崩解率指标还包括崩解率的平均值AV(DR)，公式如下：

进一步，所述崩解率指标还包括崩解率的标准方差SD(DR)，计算公式如下：

进一步，所述崩解率指标还包括崩解率的变异系数DCV，计算公式如下：

进一步，所述崩解率指标还包括级配崩解率DRD，以粒径小于标准筛孔径的崩解物的质量与试样总质量的百分数作为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标系统上绘制颗粒大小级配曲线；级配崩解率DRD为崩解物颗粒大小级配曲线面积Area(ebcf)占试样总面积Area(abcd)的百分数，计算公式如下：

本发明所达到的有益技术效果：本发明提供的软岩崩解描述方法，能系统反映极软岩的崩解过程的多种指标，使描述参数更接近于实际岩坡面崩解现象；提出了进一步完善的系统描述崩解方法，极大地丰富了耐崩解特性评价指标信息。

附图说明

图1为本发明的泥质砂岩样品和泥岩样品有侧崩解后筛分结束时粒径大于20mm的残余试样的结构示意图：

(a)为泥质砂岩试样SY1，(b)为泥质砂岩试样SY2，(c)为泥岩试样NY1，(d)为泥岩试样 NY2；

图2为本发明的由崩解物颗粒大小级配曲线计算级配崩解率方法示意；

图3为本发明的固定体积条件下原状泥岩环刀试样；

图4为本发明的固定体积条件下环刀试样饱和器；

图5为本发明的固定体积条件下试样裂隙二值图；

(a)为第1次干湿循环后试样裂隙二值图，(b)为第2次干湿循环后试样裂隙二值图，(c)为第3次干湿循环后试样裂隙二值图，(d)为第4次干湿循环后试样裂隙二值图，(e)为第5次干湿循环后试样裂隙二值图；

图6为本发明的泥岩的崩解物颗粒分布特征曲线图；

图7为本发明的泥质砂岩的崩解物颗粒分布特征曲线图。

具体实施方式

实施例1：非固定体积的有侧限崩解试验成果描述

泥质砂岩与泥岩原状试样均取自于引江济淮试验工程K42+040，渠道中部位置，深度 12-13m。通过规范的耐崩解试验方法确定岩石的二次循环耐崩解性指数I_d2均小于2.5％，为强崩解性，无法区分其差别。本试验是在此基础上研究侧限对崩解性试验成果的影响。

如图1所示：

(1)崩解物筛分。

泥质砂岩与泥岩试样各2组的试验成果。如图1所示,筛分结果能显著区分泥质砂岩与泥岩的崩解特征。泥质砂岩试样大部分粒径在20mm以上，试样上部分崩解，下部分完整，粒径为61.8mm；泥岩试样整体呈碎颗粒状，完整性较差,大部分粒径均小于20mm。

(2)崩解深度确定。

A.确定方法：确定未崩解试样及密封材料的剩余干总质量m_1dT，确定崩解物干质量Δm_1ST、干密度ρ_d和水气交换面的面积A，运用公式(1)计算干湿循环后的崩解深度。

B.分析成果：如表1所示，泥质砂岩与泥岩的崩解深度。

表1崩解深度

C.结论：表1显示泥质砂岩崩解深度明显小于泥岩。

(3)崩解率确定。

A.确定方法：让试样分别通过孔径分别60mm、40mm、20mm、10mm、5mm和2mm的标准筛，筛分、称重，得到通过不同标准筛孔径的崩解物质量。取筛孔径2mm、5mm、10mm、20mm、40mm和60mm分别为完全崩解粒径阈值D₁、D₂、D₃、D₄、D₅和D₆，定义崩解率DR_i为小于粒径阈值D_i(i＝1,2,3,4,5,6)的颗粒崩解物占试样总干质量的百分数，即

式中，m_Di为筛孔径D_i时，小于粒径D_i的颗粒崩解物的干质量；m₀为试样总干质量。

定义为崩解颗粒大小级配曲线面积在试样面积的质量百分数，如图2所示，泥质岩级配崩解率DRD的计算式：

用级配崩解率DRD，小于筛孔径的崩解物颗粒视为完全崩解，级配法所计算的崩解率实质上是各完全崩解粒径阈值所对应崩解率平均值。

定义崩解率的平均值AV(DR)：

定义崩解率的标准方差SD(DR)：

定义崩解率的变异系数DCV：

B.分析成果。如表2所示，泥质砂岩与泥岩的崩解率。

表2崩解物的崩解率分析

C试验结论：崩解率的标准方差、变异系数大小反映了颗粒连接强弱的特征。

实施例2：干湿循环条件下固定体积时侧限崩解试验成果描述

由于试样成岩度低，为弱胶结泥质极软岩，兼有岩、土的部分特性，因此可按照土工原状试样的制备方法制备环刀原状样，如图3所示。侧限是通过环刀实现，浸水时用饱和器固定环刀样，如图4。采集岩样表面信息采用相机拍照和裂缝宽度测量仪测量岩样表面裂缝宽度。拍照时，为保证每次拍摄的距离、位置以及外界光线环境一致，将摄像头置于环刀样表面正中央约5cm高度处进行拍摄，且均在晴朗白天正常采光的室内进行拍摄。

A.确定方法：首先用photoshop将多次脱湿后表面裂隙照片用直径比环刀略小的圆截取，当采用直径60mm的圆进行裁剪时，直径上像素点个数为375，于是6.25个像素点相当于长度 1mm；然后对图像进行USM锐化处理，增加图像清晰度，将裂隙更明显地展现出来；随后图像二值化，先将图像的对比度调至最高，然后调整阈值至默认值128，即可完成图像二值化处理，如图5。最后用Image-Pro图像处理软件将每次脱湿后的极大裂隙长度、极大宽度及裂隙率算出。裂隙率的计算式：

式中：δ_f为裂隙率；n1为裂缝总条数；A为统计试样面积；A_i是第i条裂缝所占面积。

B.分析成果。如表3所示。

表3固定体积条件下崩解物的裂隙特征量统计

干湿循环次数	1	2	3	4	5
						裂隙率(％)	5.376	6.194	6.600	6.900	7.296
最大裂隙长度(mm)	24.12	21.77	17.11	14.42	11.59
						平均裂隙长度(mm)	3.311	2.357	2.052	1.841	1.897
最大裂隙宽度(mm)	0.9429	0.6726	0.6197	0.6285	0.6325
						平均裂隙宽度(mm)	0.4005	0.3181	0.2796	0.3058	0.3807

C.试验结论：随着干湿循环次数增加，裂隙率逐渐增大，而裂隙长度逐渐减小。

实施例3：岩块静态崩解试验研究成果描述

泥岩初始岩样块烘干质量D₀＝260.10g；泥质砂岩初始岩样块烘干质量D₀＝245.00g。浸水后开始崩解。崩解结束后对崩解物进行颗粒分析。

A.确定方法：对试样分别过60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.075mm孔径的标准筛，进行筛分、称重，得到通过不同标准筛孔径的崩解物干质量，如表4、表5 所示。得到颗粒分布特征曲线，如图6、图7。根据颗粒分布特征曲线，确定界限粒径d₆₀，即小于该粒径颗粒占总质量的60％；平均粒径d₅₀，即小于该粒径颗粒占总质量的50％；中间粒径d₃₀，即小于该粒径颗粒占总质量的30％；有效粒径d₁₀，即小于该粒径颗粒占总质量的10％；不均匀系数C_u，表明崩解物的粒度愈不均匀，其计算公式为：

曲率系数C_c，表征某种粒径的粒组是否缺失，其计算公式为：

泥质砂岩与泥岩的崩解物颗粒分析：

表4泥岩岩块的崩解物颗粒分析

表5泥质砂岩岩块崩解物的颗粒分析

B.分析成果。如图6、图7分别所示的泥岩及泥质砂岩的崩解物颗粒分布特征曲线，根据颗粒分布特征曲线，计算颗粒分布特征值，如表6；

表6岩块无侧限崩解物的颗粒分布特征值统计

C.试验结论：岩性不同，其块体崩解粒径组成也有显著差别。两种岩的崩解物颗粒均介于0.074mm-2mm，属于砂类土；其中泥岩崩解物平均粒径d₅₀＝0.486mm，满足中砂级(0.5-0.25mm的颗粒占50％以上)，C_u<5，为级配不良材料；泥质砂岩崩解物平均粒径 d₅₀＝0.197mm，满足细砂级(0.25-0.074mm的颗粒占50％以上)，C_u<5，为级配不良材料。

Claims (5)

1.一种基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，其特征在于：崩解特征包括四个一级指标，分别为：崩解影响深度特征、崩解裂隙发育特征、崩解颗粒分布特征和崩解率，

崩解影响深度特征是一维线性变量，用于描述崩解单向影响范围；

崩解裂隙发育特征是二维平面变量，用于描述平面崩解颗粒边界特征指标，可间接反映颗粒大小与分布；

崩解颗粒分布特征即颗粒分布曲线，是三维立体变量，可描述崩解深度内颗粒大小与分布；

崩解率是描述崩解物颗粒大小与分布的整体特征量。

2.根据权利要求1所述的基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，其特征在于：崩解影响深度特征的确定可由崩解物干质量Δm_1ST、干密度ρ_d和水气交换面的面积A，运用式(1)计算干湿循环后的崩解深度ΔH_d，

3.根据权利要求1所述的基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，其特征在于：崩解裂隙发育特征包括裂隙的密度、裂隙的长度和裂隙的宽度，定量描述裂隙在干湿循环过程中的发展规律，需用图像处理软件对多次脱湿后的试样表面裂隙照片作进一步处理；包括以下步骤：

(1)用photoshop将多次脱湿后表面裂隙照片用直径比环刀略小的圆截取，当采用直径为60mm的圆进行裁剪时，直径上像素点个数为375，于是6.25个像素点相当于长度1mm；

(2)对图像进行USM锐化处理，增加图像清晰度，将裂隙更明显地展现出来；随后图像二值化，先将图像的对比度调至最高，然后调整阈值至默认值128，即可完成图像二值化处理；

(3)用Image-Pro图像处理软件将每次脱湿后的极大裂隙长度、极大宽度及裂隙率算出；裂隙率的计算式：

式中：δ_f为裂隙率；n为裂缝总条数；A为统计试样面积；A_i是第i条裂缝所占面积。

4.根据权利要求1所述的基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，其特征在于：确定崩解颗粒分布特征时，使试样分别过孔径分别为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm和0.075mm的标准筛，进行筛分、称重，得到通过不同标准筛孔径的崩解物质量；得到颗粒分布特征曲线；根据颗粒分布特征曲线，确定界限粒径d₆₀，即小于该粒径颗粒占总质量的60％；平均粒径d₅₀，即小于该粒径颗粒占总质量的50％；中间粒径d₃₀，即小于该粒径颗粒占总质量的30％；有效粒径d₁₀，即小于该粒径颗粒占总质量的10％；不均匀系数C_u，不均匀系数C_u越大表明崩解物的粒度越不均匀，其计算公式为：

曲率系数C_c，表示某种粒径的粒组是否缺失，其计算公式为：

5.根据权利要求1所述的基于软岩现场状态的崩解特征的描述方法，其特征在于：确定崩解率时，定义粒径小于标准筛孔径的崩解物颗粒为完全崩解物，取标准筛的孔径分别为完全崩解物粒径的阈值D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆……D_k，则崩解率DR_i为粒径小于阈值D_i的颗粒崩解物的干质量占试样总干质量的百分数，其中i＝1,2,3,4,5,6……k则：

上式中，m_Di为粒径小于阈值D_i的颗粒崩解物的干质量；m₀为试样总干质量；

进一步，所述崩解率指标还包括崩解率的平均值AV(DR)，公式如下：

进一步，所述崩解率指标还包括崩解率的标准方差SD(DR)，计算公式如下：

进一步，所述崩解率指标还包括崩解率的变异系数DCV，计算公式如下：

进一步，所述崩解率指标还包括级配崩解率DRD，以粒径小于标准筛孔径的崩解物的质量与试样总质量的百分数作为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标系统上绘制颗粒大小级配曲线；级配崩解率DRD为崩解物颗粒大小级配曲线面积Area(ebcf)占试样总面积Area(abcd)的百分数，计算公式如下：