[发明专利]横观各向同性岩体原位动弹性模量的各向异性系数的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩体的原位各向异性系数测试方法，更具体涉及一种针对具有横观各向同性特征的工程岩体的原位动弹性模量各向异性系数的测试方法，它可实现野外原位条件下通过钻设测试孔并采用超声波测试设备有效地获得横观各向同性岩体的原位动弹性模量的各向异性系数。

背景技术

在地球地表，有约70%的岩石为沉积岩，加上其它一些具有层状或层理结构的变质岩和火山岩，人类工程建设活动面临的工程岩体大部分都是具有横观各向同性或近似横观各向同性特征的岩体。诸如公路隧道开挖、城市地铁掘进、矿山边坡整治等工程实践表明，岩体的横观各向同性变形特性和非一致力学行极易导致隧道塌方、边坡失稳、路基滑动变形、地表非均匀沉降等，以及由此导致的工程建设成本的显著增加和人员伤亡事故。因此，深入认识横观各向同性岩体的力学性质对于岩土工程的安全与高效建设就十分重要了，而准确地掌握横观各向同性岩体的原位弹模模量的各向异性系数则是这一问题的关键。

超声波是一种用于了解岩体特性的较好无损探测方法，常用于测量岩体的松弛深度和松弛程度。由于该测试方法的原理是通过测量超声波在岩体内沿不同方向的传播速度来反映岩体的松弛特征和完整性，因而也可以通过测量声波在岩体中的平均波速来反映岩体的原位动弹性模量的各向异性特征。实践中，岩体的超声波测试方式分为用一个测量探头在一个测试孔内测量沿钻孔轴线方向的岩体声波波速的单孔测试方式，以及用两个测量探头在两个平行的测试孔内测量垂直钻孔轴线方向的岩体声波波速的孔间穿透测试方式（参见“中华人民共和国国家标准——工程岩体试验方法标准[GB/T50266-99]”，主编部位：原中华人民共和国电力工业部，1999.5.1）。

然而，由于工程岩体复杂的野外赋存环境和本身复杂的节理—岩块复合结构特点，现有横观各向同性岩体或岩石的各向异性特性的超声波测试技术储备却不足，仅有的几种涉及横观各向同性岩体或岩石的各向异性特性的超声波测试方法或试验手段要么过于复杂、要么测量结果不能准确反映横观各向同性岩体的野外原位状态：

(1)通常一些岩石各向异性的声波测试方法针对的对象基本都是试验室条件下的岩样或与原位岩体分离的岩芯，既不能充分反映原位工程岩体内蕴结构面的客观存在，又不能反映原位岩体赋存的地应力环境，因而其测量获得的岩体各向异性系数不能准确地代表原位岩体的最真实情况。《重庆建筑大学学报》，2007年第6期，题名“各向异性岩体超声波测试试验研究”，作者涂忠仁，该研究以厦门海底隧道为工程背景，针对采集的岩块开展了室内声波测试工作，研究岩样内部裂隙及岩样致密性对声波参数的影响，但未能给出其各向异性系数；《四川水力发电》，2009年第2期，题名“两河口水电站砂、板岩各向异性的研究”，作者赵勇进，该研究通过室内声波测试研究了砂岩和变形在垂直和平行各向同性面方向的波速特点，据此提出其各向异性系数，但其测试结果却与其它测试方法获得各向异性系数不一致，表明室内测试结果的可靠性不高；中国专利公开号CN201210191011A，公开日2012.10.03，发明名称“一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法”，该申请案通过建立薄片状压缩波换能器的机—电—声网络，对各向异性岩石样品在该能角方向上测量的能速的计算而准确地获得P-波相速，但该测量方法未考虑原位岩体的性态因而现场应用困难。

(2)一些测井方法的地层特性的声波测量方法过于复杂而缺乏现场灵活应用，或获得的参数仅表征的是不同地层或岩性之间的差异，未能针对岩体中平行或垂直各向同性面之间测量，从而也不能获得可靠的各向异性岩体的各向异性特征系数。《岩石力学与工程学报》，2006年第1期，题名“用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究”，作者潘起峰等，该研究过室内实验分别测定了不同地层岩芯垂直于和平行于地层层面方向的声波速度，得到了岩波速各向异性系数为可钻性提供了参考，但其测试对象不含原位地应力环境和结构面的岩芯，而非原位岩体；《中国石油大学胜利学院学报》，2009年第4期，题名“岩石力学特性及地层速度各向异性分析—中国大陆科学钻探1井”，作者翟勇等，该研究采用将偶极子技术与单极技术结合的正交多极子阵列声波测井仪获得不同地层的各向异性，但其测试结果反映的不是同一岩体在其平行各向同性面和垂直各向同性面之间各向异性系数；《四川水力发电》，2009年第5期，题名“单孔声波法在岩体松动圈测试中的应用”，作者胡文义等，该研究介绍了单孔声波法如何了解洞室周边介质应力状态、探测洞壁岩体的松弛厚度等，但其测试方法和测试结果方面都未考虑其横观各向同性介质的原位动弹性模量的各向异性系数特点。

发明内容