CN112525777A - 一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法 - Google Patents

一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法 Download PDF

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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution

Abstract

本发明涉及一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，将粒度分析在判别沉积环境类型中的应用成果，与采砂采空区影响范围判别建立联系，基于砂层土样颗粒分析资料，运用沉积学中粒度分析方法，对砂层土样粒度成分特性和规律进行综合分析，给出分布界限，判断该砂层土样来源属于是未采砂区、采砂扰动区还是采砂区，进而推测采砂采空区分布和影响范围；本发明可直接利用工程勘察钻探取样测得的颗粒组分数据进行分析，基于粒度分析资料，结合沉积环境类型判别原理，综合应用这些成果，快速判断出采砂采空区的影响范围，具有操作便捷、判别高效的优点，为开展专项治理工作提供较可靠的科学依据，具有实际工程应用价值。

Description

一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定 方法
技术领域
本发明涉及一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，属于工程地质勘察技术领域。
背景技术
在公路桥梁勘察设计中，对于釆空区边界及影响范围的确定、采空区变形及地基稳定性的评估、采空区处理技术方案的制定等，直接影响到整个方案的选择、优化和工程投资的估算。公路桥梁的安全不仅涉及巨额工程费用问题，甚至涉及整体道路的安全运营以及人身安全。科学合理的分析采空区上地基评价与处理方法是道路建设中必须解决的一个技术难点。采空区的存在对桥梁的安全通过有着至关重要的决定性作用，只有有效查明釆空区的分布范围、工程特征，才能科学进行稳定性评价以及对釆空区进行合理处治。因此，采砂采空区分布范围的判别和工程特征的分析，对保障桥梁安全建设与运营至关重要。
目前，采砂采空区工程地质勘察，一般采用现场调查、测量、物探和钻探相结合的综合勘察方法。通过现场调查，了解当地的采砂工艺、技术手段、开采时间和开采范围等；运用工程地质测绘技术得到水下地形图及相关参数；运用综合物探技术查明采砂区的平面分布范围和深度分布范围；通过钻探鉴别、描述土层，佐证物探结论，取样进行室内土工试验和现场原位测试，得到场地地基土的相关参数。但目前还没有统一的采砂采空区的判定流程，给工程实际带来困难，同时，在实际工程中，对特殊地质现象的影响范围应尽早有一个较明确的判断，为开展专项治理工作赢得时间。因此，高效、便捷、科学的采砂采空区判定方法值得深入研究。
发明内容
本发明提供一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，在传统土力学颗粒分析的基础上，运用沉积学粒度分析手段，对土样粒度成分特性和规律进行综合分析，将土样大致归为未采砂区、采砂扰动区、采砂区，进而推测大致采砂采空区影响范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，具体包括以下步骤：
第一步，在工程勘察钻探的基础上，选取土样某一剖面某一深度的砂层土样，筛分测得土样的粒度组分含量数据；
第二步，将获取的粒度组分含量数据中的粒径值转化为Φ格式，其中定义小于62微米的筛余部分全部当作6Φ来处理；
第三步，根据转化格式后的粒度组分含量数据绘制粒度累积频率图并获取特征粒径；
第四步，利用获取的特征粒径计算粒度参数；
第五步，通过计算的粒度参数绘制选取土样的砂层粒度参数分布图；
第六步，重新选取土样同一剖面同一深度的砂层土样，重复第一至第五步步骤；
第七步，获取多个砂层土样粒度参数的变化规律；
第八步，绘制选取砂层土样的粒度参数散点图，对比分析各个散点图中数据点的分布规律；
第九步，根据获取的特征粒径，运用道格拉斯三指数法对砂层土样进行分类命名，将砂层土样的三指数整数化，观察分析同一土样的砂层土样三指数命名分类的异同；
第十步，将绘制出的粒度参数分布图、粒度参数散点图以及三指数整数化进行综合分析，将土样的来源分为采砂区、采砂扰动区、未采砂区三类，并初步画出分布界限，推测采砂采空区影响范围；
作为本发明的进一步优选，其特征在于：第二步中，将粒度组分含量数据中的粒径值转化为Φ格式的转化公式为：
Φ＝-log2d
其中，d为粒径值，即为粒度直径毫米值；
作为本发明的进一步优选，第三步中，将转化格式后的粒度组分含量数据导入origin2020b软件绘制粒度累积频率图，数据点采用Akima Spline连接，插值获取土样粒度累积频率曲线上累积粒径含量分别为1％、5％、16％、25％、50％、75％、84％、95％、99％的粒径Φ1、Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95、Φ99；
作为本发明的进一步优选，第四步中，粒度参数包括中值粒径、平均粒径、概括图解标准差、概括图解偏度以及图解峰度，其中，中值粒径计算公式为Md＝Φ50，平均粒径计算公式为
Figure BDA0002784780250000021
概括图解标准差计算公式为
Figure BDA0002784780250000022
概括图解偏度计算公式为
Figure BDA0002784780250000023
图解峰度计算公式为
Figure BDA0002784780250000024
作为本发明的进一步优选，第八步中，绘制粒度参数散点图包括砂层土样的平均粒径对概括图解偏度、概括图解偏度对概括图解标准差、平均粒径对概括图解标准差的结构参数散点图。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的判定方法与粒度分析在判别沉积环境类型中的应用相结合，直接利用工程勘察钻探取样测得的颗粒组分数据进行分析，能够快速地初步判断出采砂采空区的影响范围，具有操作便捷、判别高效的优点，为开展专项治理工作提供较可靠的科学依据，具有实际工程应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法的技术路线图；
图2是本发明提供的实施例中钻孔布置图；
图3是本发明提供的实施例的粒度累积频率图；
图4是本发明提供的实施例的粒度参数分布图；
图5是本发明提供的实施例的平均粒径对概括图解偏度的结构参数散点图；
图6是本发明提供的实施例的概括图解偏度对概括图解标准差的结构参数散点图；
图7是本发明提供的实施例的平均粒径对概括图解标准差的结构参数散点图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明旨在提供一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，尽可能保证判定的高效、便捷以及科学；如图1所示，是本申请判定方法的技术路线图，具体包括以下步骤：
第一步，在工程勘察钻探的基础上，按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)筛分法进行钻孔取样，即选取土样某一剖面某一深度的砂层土样，采用标准筛测得土样的粒度组分含量数据；
第二步，将获取的粒度组分含量数据中的粒径值转化为Φ格式，其中定义小于62微米的筛余部分全部当作6Φ来处理，转化公式为
Φ＝-log2d
其中，d为粒径值，即为粒度直径毫米值；
在这里需要做一个简要阐述的是，此处的62微米是基于弗里德曼结构参数散点图作图的数据处理，本申请经过多次实验以后也同样选择了此为分界值；
第三步，根据转化格式后的粒度组分含量数据绘制粒度累积频率图并获取特征粒径，绘制累积频率图的方法具体为，将转化格式后的粒度组分含量数据导入origin 2020b软件绘制粒度累积频率图，数据点采用Akima Spline连接，插值获取土样粒度累积频率曲线上累积粒径含量分别为1％、5％、16％、25％、50％、75％、84％、95％、99％的粒径Φ1、Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95、Φ99；
第四步，利用获取的特征粒径计算粒度参数，这里的粒度参数包括中值粒径、平均粒径、概括图解标准差、概括图解偏度以及图解峰度，其中，中值粒径计算公式为Md＝Φ50，平均粒径计算公式为
Figure BDA0002784780250000041
概括图解标准差计算公式为
Figure BDA0002784780250000042
概括图解偏度计算公式为
Figure BDA0002784780250000043
图解峰度计算公式为
Figure BDA0002784780250000044
第五步，通过计算的粒度参数绘制选取土样的砂层粒度参数分布图；
第六步，重新选取土样同一剖面同一深度的砂层土样，重复第一至第五步步骤，对比分析；
第七步，获取多个砂层土样粒度参数的变化规律；
第八步，绘制选取砂层土样的平均粒径对概括图解偏度、概括图解偏度对概括图解标准差、平均粒径对概括图解标准差的结构参数散点图，对比分析各个散点图中数据点的分布规律；
第九步，根据获取的特征粒径，运用道格拉斯三指数法对砂层土样进行分类命名，将砂层土样的Q1-Md-Q3三指数整数化，观察分析同一土样的砂层土样三指数命名分类的异同；
第十步，将绘制出的粒度参数分布图、粒度参数散点图以及三指数整数化进行综合分析，将土样的来源分为采砂区、采砂扰动区、未采砂区三类，并初步画出分布界限，推测采砂采空区影响范围。
实施例：
现针对给出的判定方法，做一个具体案例的分析，以证实本申请的有效性，具体案例为344省道京杭运河特大桥拟建桥梁局部路段位于第四系砂层采空区，运用本发明判别采砂采空区影响范围具体步骤如下：
⑴在工程勘察钻探的基础上，选取1-1′剖面9-1层土样(图2)进行筛分实验，测得各土样粒度组分含量数据。
⑵将粒径值转化为Φ格式，其中小于62微米的筛余部分全部当作6Φ来处理，整理见表1。
表1大于某一粒径(Φ)的质量分数统计表
Figure BDA0002784780250000051
⑶根据粒度组分含量数据绘制粒度累积频率图(图3)并获取特征粒径，汇总见表2。
表2粒度累积频率曲线特征点统计表
Figure BDA0002784780250000052
⑷利用特征粒径计算粒度参数(中值粒径、平均粒径、概括图解标准差、概括图解偏度、图解峰度)，汇总见表3。
表3粒度参数计算汇总表
Figure BDA0002784780250000053
Figure BDA0002784780250000061
⑸绘制该土层粒度参数分布图(图4)，对比分析各土样粒度参数的变化规律；数据表明1-1′剖面9-1层各土样粒度组成总体上以细砂和粉砂为主，呈现粉粒含量由中部向两侧逐步增加、粗砂由中心向两侧递减的趋势，正偏程度呈中部高、两侧平缓，峰度从两侧向中部大致呈很尖锐-尖锐-中等尖锐-平坦的变化趋势。
⑹绘制该土层各土样平均粒径对概括图解偏度的结构参数散点图(图5)、概括图解偏度对概括图解标准差的结构参数散点图(图6)、平均粒径对概括图解标准差的结构参数散点图(图7)，对比分析各个散点图中数据点的分布规律。由结构参数散点图中，可以看出数据点具有一定的分布特征，可以大致的画出分布界限，且呈一定的递变规律。
⑺运用道格拉斯三指数法对土样进行分类命名，将土样Q1-Md-Q3三指数整数化，汇总见表4，观察分析各土样三指数命名分类的异同。
表4 9-1层土样命名汇总表
Figure BDA0002784780250000062
从道格拉斯分类命名的名称上可以明显看出，9-1层砂土样在粒度组分上存在差异。根据三指数表的分布规律可知，中部向两侧过渡，Q1值由增大，负偏度变小、粗尾消失；Q3值增大，正偏度增大、细尾更明显。
⑻综合分析数据，可以将各砂土样大致划分为采砂区、采砂扰动区、未采砂区三类，并大致画出分布界限，推测采砂采空区影响范围。
综上可知，本发明所述基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，在344省道京杭运河特大桥实例中运用，能够快速地初步判断出采砂采空区的影响范围，具有操作便捷、判别高效的优点，其判断结果与实际工程勘察成果基本一致，较好的满足实际工程的需要。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种基于沉积学中粒度分析原理的采砂采空区影响范围判定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
第一步，在工程勘察钻探的基础上，选取土样某一剖面某一深度的砂层土样，筛分测得土样的粒度组分含量数据；
第二步，将获取的粒度组分含量数据中的粒径值转化为Φ格式，其中定义小于62微米的筛余部分全部当作6Φ来处理；
第三步，根据转化格式后的粒度组分含量数据绘制粒度累积频率图并获取特征粒径；
第四步，利用获取的特征粒径计算粒度参数；
第五步，通过计算的粒度参数绘制选取土样的砂层粒度参数分布图；
第六步，重新选取土样同一剖面同一深度的砂层土样，重复第一至第五步步骤；
第七步，获取多个砂层土样粒度参数的变化规律；
第八步，绘制选取砂层土样的粒度参数散点图，对比分析各个散点图中数据点的分布规律；
第九步，根据获取的特征粒径，运用道格拉斯三指数法对砂层土样进行分类命名，将砂层土样的三指数整数化，观察分析同一土样的砂层土样三指数命名分类的异同；
第十步，将绘制出的粒度参数分布图、粒度参数散点图以及三指数整数化进行综合分析，将土样的来源分为采砂区、采砂扰动区、未采砂区三类，并初步画出分布界限，推测采砂采空区影响范围。
2.根据权利要求1所述的基于沉积学中粒度分析原理的判定采砂采空区影响范围方法，其特征在于：第二步中，将粒度组分含量数据中的粒径值转化为Φ格式的转化公式为：
Φ＝-log2d
其中，d为粒径值，即为粒度直径毫米值。
3.根据权利要求1所述的基于沉积学中粒度分析原理的判定采砂采空区影响范围方法，其特征在于：第三步中，将转化格式后的粒度组分含量数据导入origin 2020b软件绘制粒度累积频率图，数据点采用Akima Spline连接，插值获取土样粒度累积频率曲线上累积粒径含量分别为1％、5％、16％、25％、50％、75％、84％、95％、99％的粒径Φ1、Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95、Φ99。
4.根据权利要求1所述的基于沉积学中粒度分析原理的判定采砂采空区影响范围方法，其特征在于：第四步中，粒度参数包括中值粒径、平均粒径、概括图解标准差、概括图解偏度以及图解峰度，其中，中值粒径计算公式为Md＝Φ50，平均粒径计算公式为
Figure FDA0002784780240000011
概括图解标准差计算公式为
Figure FDA0002784780240000021
概括图解偏度计算公式为
Figure FDA0002784780240000022
图解峰度计算公式为
Figure FDA0002784780240000023
5.根据权利要求1所述的基于沉积学中粒度分析原理的判定采砂采空区影响范围方法，其特征在于：第八步中，绘制粒度参数散点图包括砂层土样的平均粒径对概括图解偏度、概括图解偏度对概括图解标准差、平均粒径对概括图解标准差的结构参数散点图。
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