CN108614947A - 一种岩体风化、卸荷的数值判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体风化、卸荷的数值判别方法，包括在探硐壁上从硐口向硐底，沿腰线分别布置声波测试点和回弹测试区，在声波测试点用声波仪测试岩体的纵波传播速度，在回弹测试区用回弹仪测试岩石的回弹值；无论岩体是风化还是卸荷，其纵波速都存在级差，但风化岩体回弹值存在级差；而卸荷岩体回弹值不存在级差；并利用这两项参数进行组合，可判断岩体是风化还是卸荷及其风化和卸荷的程度等级。本发明的优点是操作简易，对野外条件要求不高，能较快地获得岩体资料，定量评价工程地质问题。

Description

一种岩体风化、卸荷的数值判别方法

技术领域

本发明涉及岩体地基和岩质边坡的风化和卸荷，尤其是涉及一种岩体风化、卸荷的数值判别方法 。

背景技术

水利水电工程往往涉及岩体地基和岩质边坡，自然状态下，风化作用和卸荷作用都会导致岩体破碎，对建筑工程的影响非常显著。

岩石在太阳热能、大气、水分和生物等各种风化应力作用下，不断发生物理和化学变化的过程即为岩石风化。这种促使岩石破碎甚至分解的地质作用称为风化作用。风化作用可使岩石性质发生变化，岩石风化后的颜色、结构、矿物成分及物理力学性质等方面均会发生变化。

一般情况下，越靠近地表的岩体，风化程度越深，而向地下深部的风化程度会逐渐减弱，直至过度到未受风化的新鲜岩体。

风化作用会导致岩石强度、岩体的承载力降低、变形模量减小、透水性增强，岩质边坡的稳定性变差，会促进滑坡、崩塌等不良地质现象的形成和发展。岩体风化程度不同，破碎程度和物理力学性质不同，对工程建筑的影响及施工时需要进行处理的程度和方法也都不同。为了确定岩体风化对工程建筑的影响，必须查明风化规律和特征，对岩体进行风化程度的分级。

岩体卸荷是由于河谷侵蚀下切或人工开挖形成新的临空面，破坏了岩体原有应力状态的平衡，岩体应力发生重分布，使浅表部岩体因应力释放而向临空面方向发生回弹、松弛的现象。卸荷带的工程地质特征主要表现在卸荷裂隙的产生、岩体结构的松弛，以及由此而产生的物理力学性质的变化。

岩体卸荷是岩体应力差异性释放的结果，表现为谷坡应力降低、岩体松弛、裂隙张开，其中裂隙张开时卸荷的重要标志。

同样的，一般情况下，越靠近地表的岩体，卸荷程度越深，而向岩体深部的卸荷程度逐渐减弱，直至过度到未发生卸荷岩体。

岩体卸荷带直接关系到坝肩稳定、边坡稳定、建筑物地基变形和洞室围岩稳定等，是影响基础开挖和处理工程量以及方案比选的重要因素。如对大型水利水电工程，强卸荷岩体不宜作为坝基（特别是拱坝坝基），一般予以挖除。弱卸荷岩体通过工程处理可作为坝基。

岩体发生风化作用或卸荷作用，给水利水电工程建设带来了复杂的地质问题，在深山峡谷、新构造运动强烈、高地应力等地质环境中，这种问题更为突出。准确判别岩体是发生风化作用或是卸荷作用，以及判别岩体风化带与卸荷带的等级对水利水电工程的位置确定及地基、边坡的处理关系重大。因此，判别岩体的风化与卸荷及其等级划分就显得非常重要。

目前，判断岩体是发生风化作用还是卸荷作用，主要是通过野外现场人为定性进行。对于岩体风化分带、卸荷分带，以定性为主，也有一些定量判断的研究。对岩体风化带的鉴定主要考虑风化岩石的类型及组合特征，岩体的宏观结构及完整性，物理力学性质、水文地质条件、波速比等。对岩体卸荷带的鉴定是以地质特征为主要标志，辅以裂隙张开宽度及波速比等特征指标。

由于对岩体风化与卸荷的定性判别及风化带、卸荷带的划分往往由于勘察人员的经验及对评价标准掌握情况的差异,会得出不同的分带量级,不可避免地存在评价时的任意性；而且目前岩体风化带、卸荷带的定量划分方法中，对风化带、卸荷带的界面关系研究较少，部分规范体系提出的定量划分标准主要为“波速比及风化系数”，其中风化系数主要依据饱和抗压强度进行计算，但抗压强度试验在野外难以进行，因此风化系数这一定量标准的实用性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，根据岩体风化卸荷的本质，提供一种岩体风化、卸荷的数值判别方法。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的岩体风化、卸荷的数值判别方法，包括下述步骤：

第一步，进行岩体声波测试

沿探硐硐壁腰线，每间隔2米布置一个声波测试点；从硐口向硐底，按照布置的声波测试点，依次测试声波在岩体中纵波的传播速度；对测得的纵波波速进行数值处理；以硐深为横坐标，纵波波速为纵坐标，绘制出硐深波速关系曲线图；

实际测试时，可以根据野外工程地质勘察环境的条件，选择岩体由表及里（亦即岩体风化、卸荷由强变弱）的方向，测试声波在岩体中的传播速度。由于声波在不同类型的岩体中具有不同的传播特性，声波探测是测定声波在岩体中的传播速度、振幅和频率等声学参数及变化，根据声波在岩土介质中的声速、声幅及频谱，推断被测岩土介质的结构和致密完整程度。

测试时，利用声波仪，在岩体某一点激发（发射）声波，在表面另一点接收声波，测试声波自发射点至接收点的传播时间，测量发射点到接收点的距离，并按下式计算声波速度：

式中：v _p 为声波纵速度；t _p 为声波传播时间；l为发射点到接收点的距离。

第二步，进行岩石回弹测试

沿探硐硐壁腰线，每间隔0.5米布置一个回弹测试区；从硐口向硐底，按照布置的回弹测试区点，依次连续测试岩石的回弹值；对测得的回弹值进行数值处理；以硐深为横坐标，回弹值为纵坐标，绘制出硐深回弹值关系曲线图；

实际测试时，根据野外工程地质勘察环境条件，选择岩体由表及里（亦即岩体风化、卸荷由强变弱）的方向，进行岩石回弹锤击试验：根据岩石强度与冲击回弹高度在一定条件下存在着某种函数关系，利用岩体受冲击后的反作用，使弹击锤回跳的数值即为回弹值。此值愈大，表明岩体愈富弹性、愈坚硬；反之，说明岩体软弱，强度低。

测试时，按照选择的测试区，利用回弹仪，对岩石进行水平方向的回弹测试，取得岩石回弹值。测试完一个测试区的回弹值，再进行下一个测试区，以此往复，由点成线。

第三步，对岩体风化或卸荷进行判断

如果第一步绘制出的岩体波速关系曲线图存在等级差，第二步绘制出的岩石回弹值关系曲线图也存在等级差，则岩体发生风化作用；根据岩石回弹值关系曲线图存在的等级差，进一步划分岩体风化程度；

如果第一步绘制出的岩体波速关系曲线图存在等级差，第二步绘制出的岩石回弹值关系曲线图不存在等级差，则岩体发生卸荷作用；根据岩体波速关系曲线图存在的等级差，进一步划分岩体的卸荷程度。

岩性相同，风化程度不同，岩体声波波速不同，岩石回弹值也不同。岩性相同，卸荷程度不同，岩体的声波波速不同，但岩石回弹值相同。

所述第一步中对测得的纵波波速进行数值处理时，根据所测得的纵波波速之间的距离及其相关系数的亲疏程度，利用聚类分析方法，将最相近的纵波波速结合在一起，以逐次聚合的方式，对纵波波速进行分级。

分别对测得的岩体波速和岩石回弹值，经过聚类分析计算，分成若干数据组，然后对不同的数据组进行对比分析，则判断岩体是风化还是卸荷。

所述第一步中对测得的纵波波速进行数值处理时，利用下述数学函数模型，对岩体纵波波速进行拟合数值计算分析，

，式中各字母代表的含义为：x为硐深；y为纵波速；A₁为最小值；A₂为最大值；x₀为分界值；dx为步长；求出每两级回弹

值之间数学函数模型中的各参数值，其中x₀的位置即为两分级之间的界线，亦即岩体风化等级分界。

所述第二步中对测得的回弹值进行数值处理时，在回弹值由小变大，再由大变小，再变大的情况下，将其回弹值均值与大数据库中不同岩性新鲜岩石回弹值进行对比分析，检验两者是否存在显著性差异，据此判断岩体是软岩还是风化岩。

岩体风化带划分：对测得的风化岩体的一系列回弹值和声波波速，利用数学模型，进行数值计算处理，划分成不同的等级，并求解回弹值的等级界线；根据回弹值的等级，参照声波波速等级，划分岩体风化程度。

岩体卸荷带划分：对测得的卸荷岩体的声波波速，利用数学模型，进行数值计算处理，将其划分成不同的等级，并求解等级界线。根据岩体波速的不同等级，划分岩体卸荷程度。

本发明根据岩体的声波特征和岩石的回弹特征进行判别，按照岩体风化与卸荷不同的本质及不同的风化程度、卸荷程度，利用声波在岩体中的传播速度差异及岩石的回弹强度差异，更客观、更科学、更简捷地对岩体风化与卸荷进行数值判别，并可进一步定量的划分岩体风化带或卸荷带。其有益效果具体体现在以下几点：

1、本发明利用声波在岩体中的传播速度及岩石的回弹强度，定量判别岩体发生风化作用还是卸荷作用，避免了传统的定性判别所带来的人为差异性和随意性。

2、本发明利用数学模型，通过对数据的最优分割，数值化判断，客观有效地完成对风化岩体的分带和卸荷岩体的分带，以定量评价工程地质问题。

3、本发明所利用的基础资料仅两项，即岩体波速和岩石的回弹值，影响因素少。

4、本发明对工作环境条件要求不高，操作简易，可以在现场较快地获得工程建筑地区岩体的定量资料。

附图说明

图1是本发明测试时声波测试点和回弹值测试区的位置布置图。

图2是根据测算出的数值绘制出的硐深波速关系曲线图。

图3是本发明风化岩体回弹值示意图。

图4是本发明卸荷岩体回弹值示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更加详细的介绍。

本发明的岩体风化、卸荷的数值判别方法包括下述步骤：

一、岩体声波测试

在地质勘察开挖的探硐内，用声波仪对硐壁岩体进行声波测试；测试方式采用表面声波探测平测法：

声波测试测线沿探硐硐壁腰线1布置，在探硐硐壁腰线1上，每两米布置一个声波测试点3，并对测试点3进行编号，记录每个编号的位置，如图1所示；

采用换能器激发，发射与接收换能器依次对准测试点，即两个换能器之间间距为两米；

从探硐洞口向硐底，按照布置的声波测试点，依次测试声波在岩体中纵波的传播速度，换能器与岩体之间用黄油、凡士林或石膏等材料耦合，测读纵波传播时间；每两测点之间测读两次，取其平均值为读数值；用纵波传播时间的平均值去除传播距离2米，得到纵波波速；

以硐深为横坐标，纵波波速为纵坐标，绘制出硐深波速关系曲线图，如图2所示，图2中的实线a为测试的声波曲线，虚线b为声波数值计算拟合曲线；

对测得的纵波波速进行数值处理：

根据所测得的纵波波速之间的距离及其相关系数的亲疏程度，将最相近的纵波波速结合在一起，以逐次聚合的方式，将纵波波速进行分级；

利用下述函数模型，对岩体纵波波速进行数值拟合计算分析，

式中，x为硐深；y为纵波速；A₁为最小值；A₂为最大值；x₀为分界值；dx为步长。

求出每两级纵波波速之间函数模型中的各参数值，其中X₀ 的位置即为两分级之间的界线，亦即岩体卸荷等级分界。

注意：在岩体声波测试中，不可避免地会遇到断层、节理密集带或岩体破碎带，波速会明显降低。不能根据这种低波速区，简单地判断为风化带或卸荷带。这种低波速区与两侧岩体波速存在显著差异，根据波速的趋势，对这种异常数据要进行特殊对待。

二、岩石回弹测试（回弹锤击试验）

利用地质勘察开挖的探硐，在硐壁腰线1上，按每0.5米布置一个回弹测试区2；并对测试区进行编号，记录每个编号的位置，如图1所示；要求测试区岩块稳定，厚度大于5-10cm，面积以能容纳16个回弹测试点为宜，测试点距岩体棱角、边缘不宜小于3cm；

从探硐硐口向硐底方向，按照布置的回弹测试区点，使用回弹仪依次对每个测试区测试岩石的回弹值；回弹仪以水平方向弹击岩体，操作时手持回弹仪使其对测面缓慢均匀施压，待弹击锤脱钩冲击弹击杆后，弹击锤即带动指针向后移动，直至达到一定位置时，即在刻度尺上指示出某一回弹值；按住回弹仪，进行读数并记录回弹值；换个测试点，重复上述操作进行下一测点的测试；

注意：每个回弹测试点不能重复测试，每个测试区布置16个测试点。对于测区内测得的16个回弹值，舍去3个最大值和3个最小值，将余下的10个回弹值按下列公式计算出平均回弹值：

式中N为测试区平均回弹值，精确至0.1；N _i 为第i个测点的回弹值。

根据所测得的每个测区平均回弹值之间的距离及其相关系数的亲疏程度，将最相近的平均回弹值结合在一起，以逐次聚合的方式，将平均回弹值分级；

以探硐硐深为横坐标，每个回弹测试区平均回弹值为纵坐标，绘制硐深回弹值关系曲线图，图3是风化岩体回弹值示意图，图3中曲线c为测试回弹值曲线，曲线d为回弹值数值计算拟合曲线。图4是卸荷岩体回弹值示意图。

三、对岩体风化或卸荷进行判断

如果绘制出的岩体波速关系曲线图（如图2）存在等级差，绘制出的岩石回弹值关系曲线图（如图3）也存在等级差，则可判断出岩体发生风化作用；根据岩石回弹值关系曲线图存在的等级差，即可进一步划分岩体风化程度（等级）；

如果绘制出的岩体波速关系曲线图（如图2）存在等级差，绘制出的岩石回弹值关系曲线图（如图4）不存在等级差，则可判断岩体发生卸荷作用；根据岩体波速关系曲线图存在的等级差，即可进一步划分岩体的卸荷程度（等级）。

在遇到软岩时，其回弹值较小，不能误认为是风化岩。将其回弹值均值与大数据库中不同岩性新鲜岩石回弹值进行对比分析，检验两者是否存在显著性差异，据此判断岩体是软岩还是风化岩。

判断出岩体为风化还是卸荷后，需要进一步划分岩体风化等级或卸荷等级。

四、岩体风化带划分

对测得的风化岩体的一系列平均回弹值，利用下列函数模型，进行数值拟合计算分析，

，式中：x为硐深；y为纵波速；A₁为最小值；A₂为最大值；x₀为分界值；dx为步长。

求出每两级平均回弹值之间函数模型中的各参数值，其中X ₀ 的位置即为两分级之间的界线；

根据拟合回弹值的等级，参照拟合纵声波波速等级，从新鲜岩体开始，将岩体依次划分为新鲜、微风化、弱风化（上带、下带）、强风化、全风化；

根据平均回弹值拟合数学函数中的X ₀ 的值，确定各风化带之间的界线位置。

五、岩体卸荷带划分：

利用岩体纵波波速，进行卸荷带的划分；根据前面对岩体纵波速的数值拟合计算得到的数学函数曲线，从未卸荷岩体开始将岩体划分为未卸荷、弱卸荷带、强卸荷带；根据岩体纵波波速拟合数学函数中X ₀ 的值，确定各卸荷带之间的界线位置。

Claims (5)

1.一种岩体风化、卸荷的数值判别方法，其特征在于：包括下述步骤：

第一步，进行岩体声波测试

沿探硐硐壁腰线，每间隔2米布置一个声波测试点；从硐口向硐底，按照布置的声波测试点，依次测试声波在岩体中纵波的传播速度；对测得的纵波波速进行数值处理；以硐深为横坐标，纵波波速为纵坐标，绘制出硐深波速关系曲线图；

第二步，进行岩石回弹测试

沿探硐硐壁腰线，每间隔0.5米布置一个回弹测试区；从硐口向硐底，按照布置的回弹测试区点，依次连续测试岩石的回弹值；对测得的回弹值进行数值处理；以硐深为横坐标，回弹值为纵坐标，绘制出硐深回弹值关系曲线图；

第三步，对岩体风化或卸荷进行判断

如果第一步绘制出的岩体波速关系曲线图存在等级差，第二步绘制出的岩石回弹值关系曲线图也存在等级差，则岩体发生风化作用；根据岩石回弹值关系曲线图存在的等级差，进一步划分岩体风化程度；

如果第一步绘制出的岩体波速关系曲线图存在等级差，第二步绘制出的岩石回弹值关系曲线图不存在等级差，则岩体发生卸荷作用；根据岩体波速关系曲线图存在的等级差，进一步划分岩体的卸荷程度。

2.根据权利要求1所述的岩体风化、卸荷的数值判别方法，其特征在于：所述第一步中对测得的纵波波速进行数值处理时，根据所测得的纵波波速之间的距离及其相关系数的亲疏程度，利用聚类分析方法，将最相近的纵波波速结合在一起，以逐次聚合的方式，对纵波波速进行分级。

3.根据权利要求1所述的岩体风化、卸荷的数值判别方法，其特征在于：所述第一步中对测得的纵波波速进行数值处理时，利用下述数学函数模型，对岩体纵波波速进行拟合数值计算分析，

，式中：x为硐深；y为纵波速；A₁为最小值；A₂为最大值；x₀为分界值；dx为步长；求出每两级纵波波速之间数学函数模型中的各参数值，其中x₀ 的位置即为两分级之间的界线，亦即岩体卸荷等级分界。

4. 根据权利要求1所述的岩体风化、卸荷的数值判别方法，其特征在于：所述第二步中对测得的回弹值进行数值处理时，利用下述数学函数模型，对岩体回弹值进行拟合分析，

，式中，x为硐深；y为纵波速；A₁为最小值；A₂为最大值；x₀为分界值；dx为步长；求出每两级回弹值之间数学函数模型中的

各参数值，其中x₀的位置即为两分级之间的界线，亦即岩体风化等级分界。

5.根据权利要求1所述的岩体风化、卸荷的数值判别方法，其特征在于：所述第二步中对测得的回弹值进行数值处理时，在回弹值由小变大，再由大变小，再变大的情况下，将其回弹值均值与大数据库中不同岩性新鲜岩石回弹值进行对比分析，检验两者是否存在显著性差异，据此判断岩体是软岩还是风化岩。