CN109086502A - 一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，具体按照如下步骤实施：步骤1、对岩体进行场地旋转触探测试，获得旋转触探测试数据；步骤2、对步骤1获得的旋转触探测试数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括钻头的旋转扭矩平均值和钻进压力平均值；步骤3、利用步骤2得到的参数计算岩石中各地层的内摩擦角、粘聚力、弹性模量和抗压强度，采用本发明方法进行岩体基础参数的确定，其计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。

Description

一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法。

背景技术

在进行公路和铁路的路基铺设、岩质边坡稳定性分析、地下洞室围岩稳定性分析、隧道及隧洞的衬砌支护计算，以及岩体开挖和灌浆加固等过程中，能否快速准确地探测到岩体断层、节理和裂隙等几何信息，预判岩爆和突水等不良地质现象的可能发生位置，获得它们对工程安全施工的影响，据此提出处理加固方案以保障工程安全的关键问题，是能否快速准确地获得岩石力学参数。

岩体力学参数的测定方法通常采用室内岩块试样试验和现场大型原位测试。室内岩块试样试验具有易于获得试验结果的优点，但是不利的扰动因素致使与现场岩体的实际情况存在差异；对于现场原位测试技术来说扰动较少，更接近岩体现场实际情况，但是工程量浩大，而且受到多种因素的限制和制约。通常岩土工程中采用先钻探取样，将所取试样运回实验室进行尺寸加工，而后在实验机上进行试验测定，获得试样的基本物理力学参数，这种方法所需的时间较长，在整个过程中也很难避免试样扰动和人为干扰等情况的发生，使得岩体的力学行为与室内试样试验中体现的力学行为存在着差异。由于室内试样试验扰动较大，原位测试试验制约较多，寻求获取岩体力学参数的改进技术或新技术，摒弃弊端，实现真正的工程现场岩体原位测试就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，用以快速准确地测定现场岩体力学参数。

本发明所采用的技术方案是，一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1、对岩体进行场地旋转触探测试，获得旋转触探测试数据；

步骤2、对步骤1获得的旋转触探测试数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括钻头的旋转扭矩平均值和钻进压力平均值；

步骤3、利用步骤2得到的参数计算岩石中各地层的内摩擦角、粘聚力、弹性模量和抗压强度。

本发明的特点还在于，

步骤1中，场地旋转触探测试包括测试旋转触探钻头匀速贯入地层中随深度连续变化的压力即钻进压力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m，并记录钻头钻进过程中切削接触面积即钻头的有效面积，单位为m²。

步骤2的具体过程如下：

根据步骤1得到的旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探钻进压力和旋转扭矩的测试曲线，并根据测试曲线形态划分地层，判定地层岩性名称，计算出各地层旋转触探钻进参数的平均值，包括：各地层旋转触探钻进压力平均值，单位为MPa；各地层旋转触探钻头旋转扭矩平均值，单位为MN·m。

步骤3中，各地层的内摩擦角的计算方法为：

式(1)中，为内摩擦力，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角。

步骤3中，各地层的粘聚力的计算方法为：

式(2)中，c为粘聚力，μ为岩石的摩擦系数，F为每个刀刃的钻进压力，P为每个刀刃切削力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，为内摩擦力，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角。

步骤3中，各地层的弹性模量的计算方法为：

式(3)中，E为弹性模量，F为每个刀刃的钻进压力，P为每个刀刃切削力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，μ为岩石的摩擦系数，ν为泊松比。

步骤3中，各地层的抗压强度的计算方法为：

式(4)中，σ_o为抗压强度，F为每个刀刃的钻进压力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，μ为岩石的摩擦系数，M为旋转扭矩，A为钻头的有效面积。

本发明的有益效果是：

本发明的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，直接应用旋转触探测试所得结果开展岩石的抗压强度、弹性模量、内摩擦角和粘聚力计算，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。采用本发明方法进行岩体参数的确定，计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，不仅能够在室内快速、准确的测量岩石的力学参数，也可以在现场实时测量岩石力学参数，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，通过对旋切触探试验获得的钻进压力、旋转扭矩、切削厚度及钻头的相关参数，即可快速获得该岩体的力学参数，包括弹性模量、抗压强度、粘聚力和内摩擦角。具体按照如下步骤实施：

步骤1、对岩体进行场地旋转触探测试，获得旋转触探测试数据；

用岩土工程原位旋转触探车，在墩台基础处开展旋转触探场地测试，场地旋转触探测试包括测试旋转触探钻头匀速贯入地层中随深度连续变化的压力即钻进压力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m，并记录钻头钻进过程中切削接触面积即钻头的有效面积，单位为m²。

步骤2、对步骤1获得的旋转触探测试数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括钻头的旋转扭矩平均值和钻进压力平均值；

根据步骤1得到的旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探钻进压力和旋转扭矩的测试曲线，并根据测试曲线形态划分地层，判定地层岩性名称，计算出各地层旋转触探钻进参数的平均值，包括：各地层旋转触探钻进压力平均值，单位为MPa；各地层旋转触探钻头旋转扭矩平均值，单位为MN·m。

步骤3、利用步骤2得到的参数计算岩石中各地层的内摩擦角、粘聚力、弹性模量和抗压强度。

对于完整性较好的岩石通过理论计算得出岩石力学参数，具体计算公式如下：

内摩擦角：

粘聚力：

弹性模量：

抗压强度：

式(1)～式(4)中，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角，μ为岩石的摩擦系数，F为每个刀刃的钻进压力，P为每个刀刃切削力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，ν为泊松比，M为旋转扭矩，A为钻头的有效面积。

本发明直接应用旋转触探测试所得结果开展岩石的抗压强度、弹性模量、内摩擦角和粘聚力计算，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。采用本发明方法进行岩体参数的确定，计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。

将采用本发明的方法得到的岩石力学参数与实际测量结果进行比较，如表1。

表1围岩力学参数预测结果与实际结果对比

从表1中可以看出，利用旋切触探技术测量的岩石力学参数基本符合实际的结果，整体误差小于10％，说明该方法是可靠的，XCY-1型岩体力学参数旋切触探仪的现场实际应用验证了本发明的方法切实可行，实际应用效果较好。

Claims (7)

1.一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1、对岩体进行场地旋转触探测试，获得旋转触探测试数据；

步骤2、对步骤1获得的旋转触探测试数据进行处理，得到各地层的旋转触探钻进参数的平均值，包括钻头的旋转扭矩平均值和钻进压力平均值；

步骤3、利用步骤2得到的参数计算岩石中各地层的内摩擦角、粘聚力、弹性模量和抗压强度。

2.如权利要求1所述的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，步骤1中，所述场地旋转触探测试包括测试旋转触探钻头匀速贯入地层中随深度连续变化的压力即钻进压力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m，并记录钻头钻进过程中切削接触面积即钻头的有效面积，单位为m²。

3.如权利要求1所述的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：

根据步骤1得到的旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探钻进压力和旋转扭矩的测试曲线，并根据测试曲线形态划分地层，判定地层岩性名称，计算出各地层旋转触探钻进参数的平均值，包括：各地层旋转触探钻进压力平均值，单位为MPa；各地层旋转触探钻头旋转扭矩平均值，单位为MN·m。

4.如权利要求1所述的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，步骤3中，各地层的内摩擦角的计算方法为：

式(1)中，为内摩擦力，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角。

5.如权利要求1所述的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，步骤3中，各地层的粘聚力的计算方法为：

式(2)中，c为粘聚力，μ为岩石的摩擦系数，F为每个刀刃的钻进压力，P为每个刀刃切削力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，为内摩擦力，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角。

6.如权利要求1所述的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，步骤3中，各地层的弹性模量的计算方法为：

式(3)中，E为弹性模量，F为每个刀刃的钻进压力，P为每个刀刃切削力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，μ为岩石的摩擦系数，ν为泊松比。

7.如权利要求1所述的一种基于旋切触探技术的岩体力学参数快速确定方法，其特征在于，步骤3中，各地层的抗压强度的计算方法为：

式(4)中，σ_o为抗压强度，F为每个刀刃的钻进压力，R为钻头平均半径，h为切削厚度，μ为岩石的摩擦系数，M为旋转扭矩，A为钻头的有效面积。