CN111206923B - 一种利用钻能确定节理岩体模量比与强度比的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、场地利用随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速，计算节理岩体的钻能；步骤2、对所述步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理；步骤3、计算节理岩体的非连续频率；步骤4、计算节理岩体模量比和强度比。本发明解决了现有技术中存在的节理岩体的力学特性与室内测试结果存在着较大差异的问题。

Description

一种利用钻能确定节理岩体模量比与强度比的测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程原位测试技术领域，具体涉及一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法。

背景技术

对于设计核废料存储空间，石油和天然气存储系统以及输水隧道等岩石中的地下结构，可靠地确定节理岩体的力学性能如强度比和模量比具有非常重要的意义。通常，由于节理岩体中的尺寸规则、不连续性及不均匀性，使用小型节理样本的实验室无法准确测定节理岩体的强度比和模量比，并且在整个过程中也很难避免试样扰动等人为因素的影响，使得节理岩体的力学特性与室内测试结果存在着较大差异。当前，原位测试岩体力学参数的获取主要有二种途径，一是凭经验估算；二是现场试验。经验方法的可靠性、科学性、准确性等均无法保证，而现场试验方法都耗时(一般几周到几个月)、昂贵(一组参数就需要十几万到几十万不等)，且代表性差。由于室内试样试验扰动较大，原位测试试验制约较多，寻求获取节理岩体模量比与强度比的新方法，实现节理岩体原位确定方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，解决了现有技术中存在的节理岩体的力学特性与室内测试结果存在着较大差异的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、场地利用随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速，计算节理岩体的钻能；

步骤2、对所述步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理；

步骤3、计算节理岩体的非连续频率；

步骤4、计算节理岩体模量比和强度比。

本发明的特点还在于，

步骤1节理岩体的钻能e计算具体如下：

其中，

D₁和D₂表示钻头的外半径和内半径；F表示钻头推力；v表示给进速度；M表示钻头扭矩；w表示转速。

步骤2归一化处理具体如下：

其中，f表示钻能归一化结果，e_min表示一个钻孔中最小钻能，e_max表示一个钻孔中最大钻能，e表示节理岩体的钻能，n是钻能归一化结果总数，

表示钻能归一化结果的平均值，s表示钻能标准偏差。

步骤3节理岩体的非连续频率具体计算如下：

λ＝ζs                       (4)

其中，λ为非连续频率，ζ表示钻能系数，s为钻能标准偏差。

石灰石钻能系数ξ为0.065，凝灰岩钻能系数ξ为0.041，大理石钻能系数ξ为0.1。

步骤4中模量比a_E具体计算如下：

其中，E_m是节理岩体变形模量；E_r是完整岩石的弹性模量；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；η＝eζ/E_r。

步骤4中强度比计算具体如下：

E_r是完整岩石的弹性模量；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；η＝eζ/E_r。

本发明的有益效果是，一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，直接应用岩体的钻能开展节理岩体的强度比和模量比的计算，该方法仅需手工计算，计算过程简单，在不采用经验修正系数情况下，仍具有较高的计算精度。采用本发明方法计算参数仅需来自现场随钻监测试验，无需传统钻探取样，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。

附图说

图1钻井能量标准偏差与间断频率关系；

图2(a)是节理岩体模量比E_m/E_r对RMQR关系现场测试结果与预测结果图，其中小方块代表基于本方法计算的数值；

图2(b)是节理岩体模量比E_m/E_r对RQD关系现场测试结果与预测结果图，其中小方块代表基于本方法计算的数值；

图2(c)是节理岩体模量比E_m/E_r对GSI关系现场测试结果与预测结果图，其中小方块代表基于本方法计算的数值；

图2(d)是节理岩体强度比σ_cm/σ_c与RMQR的关系现场测试结果与预测结果图，其中小方块代表基于本方法计算的数值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、场地利用随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速，计算节理岩体的钻能；

步骤1节理岩体的钻能e计算具体如下：

其中，

D₁和D₂表示钻头的外半径和内半径；F表示钻头推力；v表示给进速度；M表示钻头扭矩；w表示转速。

步骤2、对所述步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理；

步骤2归一化处理具体如下：

其中，f表示钻能归一化结果，e_min表示一个钻孔中最小钻能，e_max表示一个钻孔中最大钻能，e表示节理岩体的钻能，n是钻能归一化结果总数，

表示钻能归一化结果的平均值，s表示钻能标准偏差。

步骤3、计算节理岩体的非连续频率；

步骤3节理岩体的非连续频率具体计算如下：

λ＝ζs                       (4)

其中，λ为非连续频率，ζ表示钻能系数，s为钻能标准偏差。

石灰石钻能系数ξ为0.065，凝灰岩钻能系数ξ为0.041，大理石钻能系数ξ为0.1。

步骤4、计算节理岩体模量比和强度比：

步骤4中模量比a_E具体计算如下：

其中，E_m是节理岩体变形模量；E_r是完整岩石的弹性模量；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；η＝eζ/E_r。

步骤4中强度比计算具体如下：

E_r是完整岩石的弹性模量；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；η＝eζ/E_r。

实施例

本实施例以中国汉江大河坝水电站的交通隧道钻探测试为例：

(1)中国汉江大河坝水电站的交通隧道工程背景及钻探测试设备

交通隧道位于中国汉江大河坝水电站右岸下方，处在陡坡上，具有良好的稳定性和良好的地质条件，坡度为45～52°。该地区的形态主要是高山和深谷，两侧陡峭，围岩主要由灰色志留纪大理石和结晶石灰岩组成。沿进口段到第一断层的隧道路线(约0～25m)进行钻探测试，在测试区域中，存在薄弱区域，包括破碎的碎片，接缝以及破碎和破碎的片段。

主要工程设备是现场岩体分析的钻孔过程监控设备DPMA，DPMA由轴向加载系统，扭转驱动系统，传感器监视系统，电动液压控制系统以及数据采集和处理系统五个系统组成。DPMA可以在现场条件下测量和记录钻井性能参数，包括钻井力，扭矩，转速，穿透率以及钻井深度和时间，并且由于DPMA是履带式，因此很容易用于现场钻探。两个无线发射器和两个接收器组成的传感器监视系统收集的无线信号用于准确获得钻头推力和钻头扭矩。具有0～500个数据采集能力的接收器每秒钟的点数能够准确地收集数百套钻探数据。DPMA还可以通过触摸屏在不同的钻孔力，穿透率，转速，扭矩率和钻孔深度下进行操作。DPMA在钻孔过程中是自控的，可以连续测量不同深度的推力F(N)，扭矩M(N·m)，转速w(rpm)和穿透率v(mm/min)，并将数据保存在Excel文件中。

(2)节理岩体的钻能计算

研究表明钻探过程中，钻能与钻头推力，给进速度，钻头扭矩，转速，钻进面积密切相关，其具体节理岩体的钻能e计算公式如下：

其中，

D₁和D₂表示钻头的外半径和内半径；F表示钻头推力；v表示给进速度；M表示钻头扭矩；w表示转速。

(3)节理岩体的钻能标准差计算

Teale的实验结果表明，当在较不均匀的页岩中使用钻探数据时，由于存在弱化区域，因此与完整岩石相比，所获得的钻探能量分布更加分散。

本工程钻探测试发现，钻探能量受不连续区域(断块)，打开和闭合不连续性的强烈影响。在不连续和不连续区域之后，随钻能量的变化，可以观察到分散效应。

因此对节理岩体钻能进行归一化处理，其具体计算公式如下：

其中，f表示钻能归一化结果，e_min表示一个钻孔中最小钻能，e_max表示一个钻孔中最大钻能，e表示节理岩体的钻能。

对钻能归一化结果计算其离散度，其具体公式具体如下：

f表示钻能归一化结果，n是钻能归一化结果总数，

钻能归一化结果的平均值，s标准偏差。

(4)确定钻井能量标准偏差与间断频率关系

Schunnesson的测试结果表明岩石中的不连续频率对钻探能量有很大的影响，钻探能量的可变性可以提供岩石不连续性的直接指示。为了研究不连续频率与钻探能量之间的统计相关性，针对与节理，破碎段和不连续段相关的岩石类型(凝灰岩，花岗岩和砂岩)的不同岩体，钻了多个钻孔(约200个钻孔)，汉江至渭河大河坝水电站工程不连续频率是从核心测井获得的。钻井能量的标准偏差使用1、1.5、2和3m的计算单位进行计算。不连续频率和钻井能量之间的关系如图1所示，图1表明，对于不同的计算单位，较大的不连续频率对应于较大的标准偏差值。随着不连续频率的增加，标准偏差线性增加，并且仅取决于岩石类型和钻探能量，但它与计算单位无关。

钻探能量的变化可以间接反映岩体的不连续频率。假设钻井能量的标准偏差与间断频率的比率恒定，则间断频率与钻井能量之间的关系可以估算为：

λ＝ζs                         (4)

s是节理岩体的钻能标准差，通过图1可知石灰石，凝灰岩和大理石的ξ分别为0.065、0.041和0.1。

(4)确定节理岩体模量比，模量比具体计算如下：

其中，E_m是节理岩体变形模量；E_r是完整岩石的弹性模量，其具体值见表1；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；石灰石，凝灰岩和大理石的ξ分别为0.065、0.041和0.1；η＝eζ/E_r。

表1现场岩石性质

(5)确定节理岩体强度比，强度比计算具体如下：

E_r是完整岩石的弹性模量，其具体值见表1；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；石灰石，凝灰岩和大理石的ξ分别为0.065、0.041和0.1；η＝eζ/E_r。

为了使用钻探能量方法评估经修改的E_m/E_r与RQD的关系以及σ_cm/σ_c与RQD的关系，以估计变形模量和强度，将它们应用于野外测试，并在汉江至渭河水电站工程右岸下方的交通隧道中获得了详细的岩土信息。此外，与来自现场测试结果的测试结果进行比较，以验证本方法的可靠性。将模量比E_m/E_r和强度比σ_cm/σ_c的修正经验关系与Aydan，Coon，Merritt，Bieniawski，Ebisu，Hoek，Diederichs对于各种岩石项目的现场测试结果进行了比较。图2a～图2c比较了岩体模量比E_m/E_r的现场测试结果。基于本发明方法修改后关系的值基本上在Aydan，Coon，Merritt，Bieniawski，Ebisu，Hoek，Diederichs的现场结果的范围内。E_m/E_r对RMQR关系(图2(a))和E_m/E_r对GSI关系(图2(c))，数据点是聚类在现场测试结果的范围内，尤其是与Coon和Merritt，Bieniawski，Ebisu等的结果吻合度高(见图2(c))。图2(d)将Aydan等人的现场测试结果与基于本发明方法岩体强度σ_cm/σ_c的修正关系进行了比较。RMQR<75的现场测试结果通常类似于Aydan等提出的关系，证实了使用钻探能量的修正关系。对于RMQR>75，强度比σ_cm/σ_c几乎没有现场测试结果。然而，来自修正关系的RMQR>75的数据点几乎被Aydan等的经验关系所笼罩。从所有图中可以看出，由于岩石类型的变化和差异，现场测试结果是分散的在实际和分配的RMQR和GSI值之间。几乎所有现场测试结果都包含修改后关系的估计值。因此，本发明提出的方法是合理和可靠的。

本发明提出修改的E_m/E_r和σ_cm/σ_c与RQD关系确定岩石质量特性时，考虑了E_m/E_r和σ_cm/σ_c随模型参数η的连续变化。与基于RMR，RMQR，Q和GSI的其他关系相比，修改后的E_m/E_r和σ_cm/σ_c与RQD关系提供的值更加合适，精确。

利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法是一种简单，简便和快速的方法，对于岩石工程项目的工程师来说是一种非常实用的工具。

Claims (2)

1.一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、场地利用随钻监测设备获取扭矩、钻压、转速和钻速，计算节理岩体的钻能；

所述步骤1节理岩体的钻能e计算具体如下：

其中，

D₁和D₂表示钻头的外半径和内半径；F表示钻头推力；v表示给进速度；M表示钻头扭矩；w表示转速；

步骤2、对所述步骤1获取的节理岩体的钻能进行归一化处理；

所述步骤2归一化处理具体如下：

其中，f表示钻能归一化结果，e_min表示一个钻孔中最小钻能，e_max表示一个钻孔中最大钻能，e表示节理岩体的钻能，n是钻能归一化结果总数，f表示钻能归一化结果的平均值，s表示钻能标准偏差；

步骤3、计算节理岩体的非连续频率；

所述步骤3节理岩体的非连续频率具体计算如下：

λ＝ζs                       (4)

其中，λ为非连续频率，ζ表示钻能系数，s为钻能标准偏差；

步骤4、计算节理岩体模量比和强度比；

所述步骤4中模量比a_E具体计算如下：

其中，E_m是节理岩体变形模量；E_r是完整岩石的弹性模量；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；η＝eζ/E_r；

所述步骤4中强度比计算具体如下：

E_r是完整岩石的弹性模量；e是节理岩体的钻能；λ是节理岩体的非连续频率；η＝eζ/E_r。

2.根据权利要求1所述的一种利用岩石钻能确定节理岩体模量比与强度比的原位测试方法，其特征在于，石灰石钻能系数ξ为0.065，凝灰岩钻能系数ξ为0.041，大理石钻能系数ξ为0.1。

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