基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計方法，適用于 水利水電工程、交通、礦山、國防等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖體質(zhì)量分類W及動力參數(shù)是影響隧道工程設(shè)計、施工、安全、造價的主要因素之 一。在巖體工程施工過程中，是否能夠及時、準確、合理的對巖體質(zhì)量進行分類、巖石力學 參數(shù)進行估計，該對施工設(shè)計和施工進度，W及準確的估計工程的變形和穩(wěn)定都十分重要。 同時，巖體在動態(tài)荷載下的力學參數(shù)估計的準確與否直接影響到隧道工程的安全性與經(jīng)濟 性。
[0003] 工程巖體質(zhì)量分類目的是從工程實際需求出發(fā)，根據(jù)圍巖巖體不同特征將其劃分 為不同的區(qū)段，并進行相應(yīng)的試驗，得出計算指標參數(shù)，W便在設(shè)計和施工中分類指導。但 由于巖體結(jié)構(gòu)受原生構(gòu)造、后期構(gòu)造改造和淺表生物作用的影響，巖體中常常會發(fā)育多組 相互交錯的裂隙，并形成相互交切的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使巖體結(jié)構(gòu)復雜化，該使得巖體質(zhì)量 的評價難度加大，評價結(jié)果不夠準確，因此需要采取合理有效的方法進行巖體質(zhì)量分類。
[0004] 經(jīng)過多年的發(fā)展和研究，巖體質(zhì)量分類已由過去的傳統(tǒng)方法（定性描述、單指標 分類）發(fā)展為考慮多項因素的方法（定量評價、多指標共同參與分類）。上世紀60年代前， 巖體分類評價主要是W巖石材料強度該一單一指標為依據(jù)，而沒有考慮巖體周圍的賦存環(huán) 境W及巖體結(jié)構(gòu)面的作用，而巖體相對巖石，其中存在著不同類型、不同規(guī)模的各種結(jié)構(gòu) 面，受到天然應(yīng)力和地下水等地質(zhì)環(huán)境因素的影響，同時巖體中表現(xiàn)出非均質(zhì)、非連續(xù)、各 向異性和非彈性特征，單單依靠巖石材料強度作為劃分依據(jù)并不可靠。到了 60年代W后， 人們才逐步引入了巖體完整性該一全新的概念，并將表征巖體完整性的指標引入巖體質(zhì)量 分類系統(tǒng)，例如裂隙間距D、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv、塊度、巖石質(zhì)量指標RQD、巖體完整性系數(shù) Kv等。其中，巖芯鉆探法應(yīng)用最為廣泛，該種方法被廣泛應(yīng)用于水利水電工程、礦山、交通工 程之中，基于該種方法的評價指標之一是巖石質(zhì)量指標RQD，它是一種可W反映巖體完整性 的定量參數(shù)。但是R孤指標也存在著許多的不完善之處，由于巖體工程地質(zhì)特征的復雜性， R孤指標難W真實的反應(yīng)巖體中由于裂隙的發(fā)育、填充的特征W及自然風化的作用引起的 巖體非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性和非彈性特征，在不同的取樣部位R孤指標相差會很大；另 夕F，R孤指標為一維的線性指標，難W真實的反應(yīng)巖體復雜的H維特征。因此如果過分依賴 R孤指標，所得到的結(jié)果有時會很不準確并造成嚴重的后果。
[0005] 在巖體工程實踐中，力學參數(shù)的合理確定在巖石力學的研究和發(fā)展過程中始終是 難題之一。巖體的力學參數(shù)包括靜力學參數(shù)和動力學參數(shù)，傳統(tǒng)的確定巖體靜力學參數(shù)的 方法有；H軸應(yīng)力狀態(tài)下的卸荷H場禪合力學試驗；進行巖體流變特性試驗研究獲得巖體 的流變參數(shù)；建立力學模型；分析巖體節(jié)理情況等。但該些方法都不能準確的獲得巖石的 力學參數(shù)。而更難W獲得的是動態(tài)荷載作用下的巖體力學參數(shù)，即巖±體在爆炸荷載作用 下的動力性能，它是水電工程、礦山、交通工程等爆破開挖工程中的所必須的重要資料，對 工程施工的安全性與經(jīng)濟性有著重大影響，需要高效準確的方法來確定巖體動力參數(shù)。近 些年來，巖體動力學參數(shù)的研究在試驗方法（包括有沖擊荷載作用下巖石破碎特征、動態(tài) 張拉破壞特征等）、本構(gòu)模型研究（爆炸荷載作用下各向異性的本構(gòu)方程、循環(huán)荷載作用下 考慮疲勞效應(yīng)的節(jié)理巖體本構(gòu)等）和數(shù)值模擬方面都取得了很大的進展。但該些方法存在 著操作比較復雜，耗時長，在有些工程實踐過程中不易實施，在不同的地質(zhì)條件下所得到的 結(jié)果相差較大的缺點等。因此，需要提出一種適用性強、適用范圍廣、計算結(jié)果簡單可靠的 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分 類及動力參數(shù)估計方法。
[0007] 本發(fā)明思路為：
[0008] 采用常規(guī)方法進行爆破振動測試，采用多通道數(shù)據(jù)采集器采集P波和S波到達各 測點的時間，根據(jù)P波和S波到達各測點的時間差獲得P波和S波的波速，根據(jù)波速判斷兩 測點間的巖體質(zhì)量，并可估計動彈性模量。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0010] 一、基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計系統(tǒng)，包括H向振動速度 傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集器和控制中也，H向振動速度傳感器布置于各測點，基于爆破振動 測試方法確定測點位置；布置于同一測線測點的H向振動速度傳感器與同一多通道數(shù)據(jù)采 集器相連；多通道數(shù)據(jù)采集器用來采集H向振動速度傳感器檢測數(shù)據(jù)，并將采集的監(jiān)測數(shù) 據(jù)發(fā)送至控制中也。
[0011] 上述多通道數(shù)據(jù)采集器為SZSC-N多通道數(shù)據(jù)采集器。
[0012] 作為優(yōu)選，同一測線中相鄰測點間距為10?20m。
[0013] 作為優(yōu)選，各測線中距離爆源最近的測點和爆源距離為15?20m。
[0014] 二、基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類方法，包括：
[0015] 當爆炸振動波傳遞到第一個H向振動速度傳感器時，多通道數(shù)據(jù)采集器通過軟件 觸發(fā)方式控制對應(yīng)的測線上所有H向振動速度傳感器同時開始記錄時間；
[0016] 對H向振動速度傳感器測量獲得的P波與S波的混合波場進行波場分離，并將檢 測到P波與S波的時間，即P波與S波到達測點的時間發(fā)送至多通道數(shù)據(jù)采集器；
[0017] 多通道數(shù)據(jù)采集器將接收數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中也，控制中也根據(jù)P波與S波到達各 巧||點的時間及兩測點間距，計算P波與S波在同一測線任意兩測點間的傳播速度；
[001引控制中也根據(jù)P波與S波在任意兩測點間的傳播速度計算該兩測點間巖體基本質(zhì) 量，并進行巖體質(zhì)量分類。
[0019] 上述波場分離采用濾波法、波動方程法、X -P變換法或Radon變換法進行。
[0020] H、基于爆破振動測試的巖體動力參數(shù)估計方法，包括步驟：
[0021] 當爆炸振動波傳遞到第一個H向振動速度傳感器時，多通道數(shù)據(jù)采集器通過軟件 觸發(fā)方式控制對應(yīng)的測線上所有H向振動速度傳感器同時開始記錄時間；
[0022] 對H向振動速度傳感器測量獲得的P波與S波的混合波場進行波場分離，并將檢 測到P波與S波的時間，即P波與S波到達測點的時間發(fā)送至多通道數(shù)據(jù)采集器；
[0023] 多通道數(shù)據(jù)采集器將接收數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中也，控制中也根據(jù)P波與S波到達各 巧1|點的時間及兩測點間距，計算P波與S波在同一測線任意兩測點間的傳播速度；
[0024] 控制中也根據(jù)P波與S波在任意兩測點間的傳播速度，計算該兩測點間巖體的動 彈性模量。
[0025] 上述控制中也根據(jù)P波與S波在任意兩測點間的傳播速度，計算該兩測點間巖體 的動態(tài)彈性常數(shù)，具體為：
[002引根據(jù)化oke介質(zhì)無限體中橫波傳播速度Vs與縱波傳播速度V P公式
【主權(quán)項】
1. 基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計系統(tǒng)，其特征是： 包括三向振動速度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集器和控制中心，三向振動速度傳感器布置 于各測點，基于爆破振動測試方法確定測點位置；布置于同一測線測點的三向振動速度傳 感器與同一多通道數(shù)據(jù)采集器相連；多通道數(shù)據(jù)采集器用來采集三向振動速度傳感器檢測 數(shù)據(jù)，并將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計系統(tǒng)，其特 征是： 所述的多通道數(shù)據(jù)采集器為SZSC-N多通道數(shù)據(jù)采集器。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計系統(tǒng)，其特 征是： 同一測線中相鄰測點間距為10?20m。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計系統(tǒng)，其特 征是： 各測線中距離爆源最近的測點和爆源距離為15?20m。
5. 基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類方法，其特征是，包括： 當爆炸振動波傳遞到第一個三向振動速度傳感器時，多通道數(shù)據(jù)采集器通過軟件觸發(fā) 方式控制對應(yīng)的測線上所有三向振動速度傳感器同時開始記錄時間； 對三向振動速度傳感器測量獲得的P波與S波的混合波場進行波場分離，并將檢測到P波與S波的時間，即P波與S波到達測點的時間發(fā)送至多通道數(shù)據(jù)采集器； 多通道數(shù)據(jù)采集器將接收數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，控制中心根據(jù)P波與S波到達各測點 的時間及兩測點間距，計算P波與S波在同一測線任意兩測點間的傳播速度； 控制中心根據(jù)P波與S波在任意兩測點間的傳播速度計算該兩測點間巖體基本質(zhì)量， 并進行巖體質(zhì)量分類。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類方法，其特征是： 所述的波場分離采用濾波法、波動方程法、t-p變換法或Radon變換法進行。
7. 基于爆破振動測試的巖體動力參數(shù)估計方法，其特征是，包括步驟： 當爆炸振動波傳遞到第一個三向振動速度傳感器時，多通道數(shù)據(jù)采集器通過軟件觸發(fā) 方式控制對應(yīng)的測線上所有三向振動速度傳感器同時開始記錄時間； 對三向振動速度傳感器測量獲得的P波與S波的混合波場進行波場分離，并將檢測到P波與S波的時間，即P波與S波到達測點的時間發(fā)送至多通道數(shù)據(jù)采集器； 多通道數(shù)據(jù)采集器將接收數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，控制中心根據(jù)P波與S波到達各測點 的時間及兩測點間距，計算P波與S波在同一測線任意兩測點間的傳播速度； 控制中心根據(jù)P波與S波在任意兩測點間的傳播速度，計算該兩測點間巖體的動彈性 模量。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于爆破振動測試的巖體動力參數(shù)估計方法，其特征是： 所述的控制中心根據(jù)P波與S波在任意兩測點間的傳播速度，計算該兩測點間巖體的 動態(tài)彈性常數(shù)，具體為： 根據(jù)Hooke介質(zhì)無限體中橫波傳播速度\^與縱波傳播速度VP公式
，反推動態(tài)彈性常數(shù)G、v、E，為
其中，P為介質(zhì)密度；入為Lame彈性常數(shù),G和E為動態(tài)彈性模量，v為泊松比，X= 2Gv/(l-2v)； 以S波在兩測點間的傳播速度VSn為橫波傳播速度Vs，以P波在兩測點間的傳播速度VPn 為縱波傳播速度VP，根據(jù)公式（1)獲得兩測點間的動態(tài)彈性常數(shù)G、v、E。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于爆破振動測試的巖體質(zhì)量分類及動力參數(shù)估計方法，發(fā)明按照常規(guī)爆破振動測試布置測點，通過多通道數(shù)據(jù)采集器獲得P波與S波到達各測點的時間，并通過P波與S波到達測點的時間差和測點間距離計算P波與S波在兩測點間的傳播速度，根據(jù)傳播速度即可判斷兩測點間的巖體質(zhì)量并求得兩測點間巖體的動彈性模量。發(fā)明操作簡單，可作為常規(guī)地質(zhì)勘測的有效補充，從而節(jié)省大量的時間和工作量；不僅適用于地下洞室爆破開挖時的地質(zhì)勘測，同樣適用于邊坡的地質(zhì)勘測。
【IPC分類】G01N29-07
【公開號】CN104569158
【申請?zhí)枴緾N201510086176
【發(fā)明人】嚴鵬, 何琪, 盧文波, 陳明, 鄒玉君
【申請人】武漢大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年2月17日