(中國地質調查局水文地質工程地質技術與方法研究所,河北保定,071051)
三峽庫區松散地質體灌漿加固試驗聲波測試,可獲取松散巖體主要地球物理動力學參數,為庫區地基處理和移民安置區合理開發提供科學依據,定量綜合評價三峽庫區松散巖體穩定性。本文結合前人聲波測試成果,利用聲波測試技術和方法,探討聲波測試方法對庫區松散工程灌漿加固的效果。
關鍵詞聲波測試;三峽庫區松散地質體
1前言
在長江三峽庫區移民安置中,奉節、巫山等許多新城址都遇到了由第四紀松散堆積層構成、成因復雜的滑坡、崩塌、巖溶等地質災害的土地資源開發利用問題。這些區域基本上是縣城新址的主要部分。由於其成因復雜,工程地質條件特殊,在縣城遷建規劃中沒有得到充分利用,嚴重阻礙了城市的建設和發展。第四系松散堆積體雖然地質成因復雜特殊,但作為建築基礎,其工程地質條件並不十分惡劣。只要能夠充分論證,輔以必要的地質體重建工程,用於搬遷城市,可以增加搬遷城鎮的土地資源,產生巨大的經濟效益和社會效益。近年來,對這種復雜的第四紀堆積物的研究已成為工程地質學的熱點。介紹了聲波測試技術及其在三峽庫區工程地質體註漿加固中的試驗研究。結合前人對庫區巖土彈性參數與力學性質關系的壹些試驗和研究工作,通過聲波測試結果給出工程地質體的力學指標,在壹定程度上可以反映試驗場地的動力性質,可以定量綜合評價加固效果。
2試驗場地的地質條件和地球物理特征
2.1試驗場地地質條件
試驗地點選在移民安置急需、地質條件典型的地方,即奉節寶塔坪規劃小區趙家梁子地區和巫山四達溝地區。由於位置不同,試驗場地的地質條件差異較大,體現了松散堆積結構的差異。各試驗場的巖性特征簡述如下:
奉節第壹組上部約3m為第四系殘積粘土,含碎塊,密實。下部為深灰色薄層-中厚層泥灰巖,裂隙發育,巖層破碎,巖芯呈短柱狀、餅狀、碎塊狀。
奉節第二組上部為粉質粘土,夾碎石角礫巖,稍密,透水性弱,下部為碎石和粘土充填。開挖後證實2m以上碎石坡壤土密實;2m以下為黃褐色-灰色泥灰巖。巖石裂隙發育,強風化。6m以上段裂縫被泥質物質緊密充填,6m以下段充填較少。
巫山壹組上部13m以上為綠灰色泥灰巖,中等風化,垂直裂隙發育,多為泥質巖充填。巖芯破碎,3 ~ 12m段鉆進時易坍塌,壹般不漏。13m以下為鈣質粉砂質泥巖,暗紫紅色,裂隙發育,巖芯仍較破碎。
根據設計要求,每個試驗組由7個鉆孔組成,中間1鉆孔,外圍6個鉆孔,呈梅花形分布,其中3個鉆孔為灌漿試驗孔,4個鉆孔為試驗觀測井。奉節試驗點孔深20m,巫山試驗點孔深18m。每個孔的漿液配比和註漿量不同。
2.2試驗場地的地球物理特征
根據以往在巴東黃土坡滑坡和萬州官塘口滑坡的實測資料,試驗場完整巖體聲波速度壹般在3000 m/s以上,由於庫區大部分地質條件較差,基巖以上地層破碎,裂隙發育,完整性差。聲波速度變化很大,大多在700 ~ 2600m/s之間,聲波在巖體中傳播時,其參數的變化直接反映了地質結構和巖體的物理力學性質。
在快速瞬時加載條件下,用聲波測量巖體(石料)的彈性力學參數,稱為動態法。測得的參數稱為動態彈性參數,如動態彈性模量ed、動態泊松比μd、動態剪切模量Gd等。只要測得巖體的縱波速度、橫波速度和密度,就可以根據下面的工程公式計算出巖體(巖石)的動彈性參數。
動態彈性模量計算公式:
地質災害調查與監測技術方法論文集
動態剪切模量計算公式:
地質災害調查與監測技術方法論文集
動態泊松比計算公式:
地質災害調查與監測技術方法論文集
其中:VP——縱波速度(km/s);
Vs——橫波速度(千米/秒);
ρ-巖石密度(克/厘米);
ed——動態彈性模量;
GD-動態剪切模量;
μd——動態泊松比。
因此,縱波速度、橫波速度、振幅和頻率等參數可以作為評價工程巖體和檢查工程地質體註漿加固效果的定量依據。聲波測試主要是評價灌漿質量,灌漿質量主要是根據聲波速度來評價的。根據聲波測試得到的波速數據和地質資料,可以準確、定量地評價註漿效果,為試驗場地的穩定性評價提供科學依據。
3測試方法和技術
為了了解第四系松散堆積體的註漿加固效果,要求方法快速、經濟,聲波測試技術是滿足上述條件的首選。經過反復對比研究,巖芯試驗、單孔聲波試驗和跨孔聲波試驗是松散堆積體灌漿加固試驗的主要檢測方法。
在固體中傳播的聲波是機械波。其作用力的大小所引起的變形是在線性範圍內的,符合胡克定律,也可稱為彈性波。聲波測試、淺層地震和面波勘探都屬於彈性波測試技術。聲波檢測使用的波動頻率從幾十Hz到50kHz(原位檢測)和50kHz到500kHz(巖石和混凝土樣品的檢測),覆蓋音頻到超聲波頻率,在檢測聲學領域仍稱為“聲波檢測”。由於所用信號的頻率高於地震波和面波,因此分辨率高,適用於對巖體等地質目標的詳細研究。測定動態參數具有設備輕便、試驗簡單、經濟快速等優點,而且許多大型工程都要考慮巖土的動態特性,因此測定巖體的動態彈性參數具有實際意義。
3.1芯樣測試
首先對所選柱狀巖石的巖心進行切割和研磨,為測試做準備,然後通過耦合P波換能器、凡士林和巖心進行P波速度測試。橫波速度是由橫波換能器、錫鉑紙和巖心耦合測量的。
所用儀器為CYC-4型超聲波巖石測試儀,BPFT和WT縱波探頭頻率分別為100kHz 25kHz和25kHz。HT橫波探頭的頻率為460kHz。表1列出了灌漿前鉆孔和取芯的巖石樣品的聲速和相關動態參數的測量數據。
表1核心測試結果表
3.2單孔聲波測試
單孔聲波測試采用長源距,雙接收探管,收發距離50cm,收發距離30cm。聲學信息在鉆孔(存在井產流體的裸孔)中沿著鉆孔壁傳輸和接收。測井時,探管下到井底,按測井點距向上測試(本次測試選0.5m點距)。筆記本電腦完成采集和存儲,在室內通過回放和數據處理拾取P波,根據采集波形中的波形幹擾點、振幅和頻譜分析確定P波的初至和出發時間,計算P波速度。
測試使用的儀器為超級噴機-4D全波聲波測井儀,井下探頭為:源距0.5m,間距0.3m,直徑78mm;電纜長度為300米。表2列出了該試驗場灌漿加固試驗中不同時期的單孔波速實測數據。
表2奉節和巫山單孔波速表
3.3井間聲波測試
井間聲波測試法采用同步提升法:在壹個鉆孔(裸孔)激發,在另壹個鉆孔(裸孔)接收,從孔底向上部同步上升,按測試要求向上測試。在壹個鉆孔中,信號由電火花(或剪切錘)發出,聲波信息由換能器接收。儀器完成采集和存儲,在室內通過回放和數據處理拾取波形。
儀器采用SWS-1多功能儀器(北京水電物探研究所研制),測試激勵源壹般采用電火花(湘潭無線電廠生產)或剪切錘兩種激勵方式。壁掛式三分量探測器接收。表3列出了該試驗場灌漿加固試驗中不同時期的跨孔波速實測數據。
表3奉節和巫山跨孔波速表
4試驗場地的力學參數和方法分析
4.1的力學參數提升明顯。
通過聲波測井方法對註漿效果的檢測,註漿後工程地質體的力學參數得到明顯改善。
(1)聲學參數
①灌漿前:
A.含粘土的松散巖土體(巫山),縱波速度1320米/秒~ 1480米/秒
B.斷裂基巖破碎巖體(奉節),縱波速度810m/s ~ 1100m/s
②灌漿後:
A.含粘土的松散巖土體(巫山),單孔波速平均提高11%,跨孔波速平均提高25%。
b破碎基巖裂隙巖體(奉節),平均單孔波速提高14.6%,平均井間波速提高65%。
(2)場地力學參數
①灌漿前:
A.含粘土的松散巖土體(巫山),地基承載力[R]=557(kPa),黏聚力[c]=151(kPa),壓縮性[Es]=8.9(MPa),摩擦角[φ] = 36(度)。
b .基巖破碎的松散巖體(奉節),地基承載力[R]=388-438(kPa),凝聚力[c] = 92-110 (kpa),壓縮[es] = 6.9-7.3 (MPa),摩擦角[φ
②灌漿後:
A.含粘土的松散巖土體(巫山),地基承載力[R]=636(kPa),黏聚力[c]=181(kPa),壓縮性[Es]=10.3(MPa),摩擦角[φ] = 46544。
b基巖破碎的松散巖體(奉節),地基承載力[r] = 504 ~ 568 (kpa),粘聚力[c] = 134 ~ 157 (kpa),壓縮性[es] = 8.1 ~ 8.9 (MPa)。
4.2測試方法分析
從上面可以看出,巖心標本、單孔、跨孔的縱波速度都有明顯的變化,因為巖心標本、單孔聲波、跨孔聲波的測試結果具有可比性,各種方法中波速變化與巖石、巖石的關系是對應的,趨勢是壹致的。只是因為測試方法的不同,結果也呈現出不同的特點。
芯樣的測試通常在規定的尺寸上進行。相對而言,可以看作是對巖體某壹點的測試,測試頻率範圍為超高頻;單孔聲波測試的間隔為30cm,僅測量鉆孔圓柱體壹個波長附近有限範圍內的巖體聲學特性,可視為壹維棒狀巖體的測試,頻率範圍較高。跨孔法是在小孔距範圍內進行的。與上述兩種方法相比,測量範圍要大得多。在更大的範圍內,彈性波的傳播不僅受巖體的制約,還受巖體結構面的控制。也可以看作是在二維平面巖體上的試驗,頻率範圍比較低。由於上述差異,波速參數的關系是巖心試件測得的聲速大於單孔聲速,單孔聲速大於跨孔聲速(V形巖心> V形單孔> V形跨孔)。以上是符合客觀規律的。巖心測試反映的是巖體點的聲學特征,單孔反映的是局部巖體的縱向聲學特征,跨孔代表的是巖體的橫向變化。
5結論和討論
聲波測試技術用於三峽庫區松散堆積體灌漿加固試驗,取得了良好的效果。奉節和巫山的灌漿加固試驗結果表明,上述方法是可行和有效的。聲波檢測不僅快速、簡便、準確,而且是壹種無損檢測方法,可以對灌漿質量進行整體和全方位的評價。
需要指出的是,由於動力法是在瞬時荷載下測試的,且施加在巖體上的應力較小,因此動彈性參數與靜彈性參數存在壹定差異。為了滿足工程技術界仍需將動彈性參數換算成載荷條件相似的靜彈性參數的要求,有必要進壹步研究它們之間的關系。但這個問題比較復雜,對應關系壹般隨巖性不同、地區不同而不同。在實際工作中,往往需要對壹定數量的動、靜彈性參數進行對比試驗,以找出相應的規律。
參考
郭等。地質災害勘查地球物理技術手冊。北京:地質出版社,2003。
林宗元。巖土工程測試手冊。沈陽:遼寧科學技術出版社,1994。
工程與環境地球物理勘探教程。北京:地質出版社,1999。