含水率对红砂岩纵波波速影响规律研究.pdf

含水率对红砂岩纵波波速影响规律研究胡玮锋王明照李昕航(.江西理工大学 土木与测绘工程学院江西 赣州.广东天信电力工程检测有限公司广东 广州.龙岩市稀土开发有限公司福建 龙岩.中国铁路广州局集团有限公司广东 广州)收稿日期:作者简介:胡玮锋()男江西抚州人在读硕士主要研究方向:岩石动力学摘 要:地下岩体工程的稳定性普遍受到地下水的困扰 含水率的不同会引起岩石力学性质的变化导致地下岩体工程围岩体力学特性的改变 利用声波测速仪对干燥到饱和过程中不同含水率下的红砂岩波速进行测定 通过分析含水率对岩石波速的影响得出如下结论:从干燥状态到饱和状态红砂岩纵波波速随含水率的变化趋势可分为 个阶段由于岩石内部的黏性矿物成分的存在外界水与矿物颗粒发生溶解导致岩石内部骨架受损 当矿物颗粒的溶解反应达到极限外界水将不再受其约束形成自由水填充岩石孔隙中的空气介质关键词:含水率 应力波波速 红砂岩中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言在地下工程开挖时开挖面或者围岩体受地下水位变化的影响 每当枯水期和丰水期交替时地下岩体将从干燥状态向饱和状态转变其内部岩石的物理力学性能将受含水率的影响 特别地在某些特殊时期地下水位急剧上涨岩体将承受巨大的水压力作用由此而导致岩石内部孔隙水压上升从微观角度上讲将影响岩石内部骨架的有效应力从本质上改变了岩石的基本物理力学性能地下水位的改变也导致了各类地下岩石工程灾害的发生例如:由于季节变化强降水引起的渗水导致矿井巷道底板破坏地下水渗流导致岩溶塌陷等 由于开挖时的掌子面和围岩表面暴露在空气中水分的蒸发导致其含水率的降低而深部围岩在处于更高的地应力条件下水分子在高压下更容易进入岩石孔隙中这导致了开挖面与深部围岩具有更大的含水率差异进而影响岩石的稳定性与施工安全性 因此研究地下岩体从干燥到饱和状态下岩石纵波波速变化情况具有重要意义为地下赋水环境下岩体工程开挖提供重要指导根据 理论以及大量的实测数据随着含水率的增加由于岩石矿物成分吸附水以及水体占据孔隙中的空间岩石密度随含水率的增加而增加 众多研究 表明含水率的改变对岩石声波或纵横波速有较大的影响 由于包含的矿物成分和微观结构不同不同岩石声波波速或纵横波波速随含水率的变化规律不同 基于声波波速、波形时域或频域特性可以反演岩石内部的孔隙、微裂隙的发育情况以及岩石饱水程度本文旨在研究从干燥到饱和状态下不同含水率对岩石纵波波速的影响 本文的研究不仅有益于岩石力学理论的完善对于地下赋水工程岩体的安全高效开挖也具有重要意义 试验方案 试 件试件采用完整性和均质性较好的红砂岩根据(国际岩石力学学会)建议规范中的标准岩样尺寸为 试件两横截面平整度误差 端面与其轴线的垂直度小于 弧度 在测量所有试件的质量、尺寸及其纵波波速后将离散性较大的岩石试件剔除选出质量、尺寸和波速接近的两个岩石试件进行试验基于这一点本试验设计了一套试验流程:将所选的岩石试件进行烘干以此作为零含水率基点再将岩石放入恒温箱内使其自然吸水 当岩石自然吸水达到极限后将其放置于饱和容器内进行强制吸水直到完全饱和 试验方法将挑选出的岩石试件放入烘干机内烘干 使其达到干燥状态 干燥后取出立即测量其质量及纵波波速 此时的质量为干燥质量其含水率取零 测量结束后为避免岩石试件在恒温箱内吸水过快可能导致其自由水分布不均匀将岩石试件用保鲜膜完全包裹起来放置在恒温箱内(试验时保持温度、湿度恒定)每隔 取出对其进行质量及波速测试 如此持续 将岩石试件取出并置于真空负压饱和仪内进行强制饱水 饱水过程中密封仪器内的气压为 (约 )并确保岩石试件始终处于水面下方每隔 对其进行测试其质量不再变化为止认为其达到饱和状态试验时的所用到的工具包括精确度达 的电子秤用来测试岩石试件的质量 ()非金属声波测速仪用来测试岩石试件的纵波波速 测量时将两个超声波探头贴紧试件的两端探头与试件之间须涂上无机耦合剂(耦合剂的作用是填充探头与试件之间的缝隙避免缝隙中的空气影响波速测试结果)试验结果不同含水率下岩石试件的纵波波速变化情况如表 所示其变化趋势图如图 所示表 和 纵波波速随含水率变化含水率/岩石声波波速/()含水率/岩石声波波速/()图 给出了两个岩石试件的纵波波速随含水率的变化关系图 从图 中可以看出两个不同试件波速随含水率的变化趋势大致相同 整体上来看对于 试件来说其最小波速为 /对应的岩石含水率为 岩石饱和度为 以此为分界点岩石饱和度在 时其纵波波速整体上处于逐渐下降阶段记为 含水率从 上升到 其对应饱和度从 增加到 在这一范围内岩石试件整体上处于上升阶段记为 含水 率 从 上 升 到 对 应 饱 和 度 从 增加到 岩石波速逐渐下降记为 含水率从 上升到 对应饱和度从 上升到此时岩石波速逐渐上升记为图 岩石试件波速随含水率的变化趋势图对于 试件其最小波速为 /对应的含水率为 岩石饱和度为 其饱和度在 岩石纵波波速整体上可以看作随含水率的增加逐渐下降记为 当含水率从 上升到 其对应饱和度从 增加到 在这一范围内岩石试件整体上处于上升阶段记为 含水率从 上升到 对应饱和度从 增加到 岩石波速逐渐下降记为 含水率从 上升到 对应饱和度从 上升到 此时岩石波速逐渐上升记为岩石在干燥情况下其内部孔隙被空气介质填充 在阶段内随着含水率的逐渐上升外界水开始进入岩石孔隙对于红砂岩这种含黏性矿物成分较多的岩石当外界水进入岩石内部时水与岩石矿物颗粒接触部分矿物颗粒被水溶解外界水与矿物颗粒形成结合物 水被约束在矿物颗粒表面固体颗粒之间的相互联结被削弱使得岩石内部的骨架强度下降本质上表现为岩石纵波波速下降 在阶段中当岩石含水率逐渐增加时外界水与矿物颗粒之间的溶解程度已经达到上限后续进入的水将不被黏性矿物约束呈现出自由水的状态 此时自由水将填充内部孔隙空间不被矿物颗粒约束 对于空气和自由水这两种介质超声波在其中的传播速度不同即水中超声波的波速更大 由于自由水代替了孔隙空间内原来的空气介质超声波穿过岩石时其传播时间减小表现为岩石纵波波速上升特别地当岩石在恒温箱内达到吸水极限时即为阶段的末尾点 当岩石试件被放入真空负压饱和仪内进行强制饱水时岩石含水率开始变化即进入到阶段 由于在阶段、中岩石为自然吸水其吸水过程主要集中在岩石试件的外围部位且孔隙内部仍然存在一定的空气介质 当岩石试件进入到阶段时由于负压饱和仪内的气压远低于岩石内部孔隙的气压将使得岩石内部的空气介质外逸进一步导致了外界水进入到岩石试件的中间部位 由于阶段、的岩石处于负压的环境下外界水开始大量进入到岩石试件的中间部位其变化过程与阶段、类似 在阶段中外界水与岩石中间部位的矿物颗粒发生溶解反应外接水被矿物颗粒约束改变了其内部骨架使其波速下降当这一过程达到极限时岩石试件开始进入阶段此时外界水不受矿物颗粒的约束成为自由水代替之前的空气介质使得岩石的波速上升 结 论)红砂岩而言从干燥状态到饱和状态其纵波波速随含水率的变化趋势可分为四个阶段 即阶段、和)在阶段和中由于岩石内部的黏性矿物成分的存在外界水与矿物颗粒发生溶解导致岩石内部骨架受损即岩石强度下降其纵波波速也下降(下转第 页)质地较硬农作物生长困难土地利用效益不佳 同时该工程的治理成本较高使用的填充材料和支挡材料费用较高给当地政府和农民带来一定的经济负担因此粉质黏土地层天然冲沟治理工程需要解决土地利用效益低、成本高、土壤质量和水文条件不佳等问题以提高治理效果和经济效益 针对这些问题可以尝试采用更加环保、成本更低的填充材料和支挡材料如生物降解材料或再生材料 同时可以使用新型的土壤改良剂来改善处理后的土壤质地和水文条件如有机肥料或土壤修复剂 此外还需要加强对治理效果的长期监测和评估不断总结经验和教训进一步完善处理技术和流程 技术改进建议首先可以针对传统的填充和支挡技术进行改进 可以使用新型的填充材料和支挡材料如生物降解材料或再生材料既可以降低成本又可以保护环境 另外可以采用新型的支挡结构设计例如加筋钢筋混凝土支挡结构等来提高支挡的稳定性和承载能力同时减少材料使用量其次可以尝试采用多种技术相结合的方式进行治理如将填充处理技术和植被处理技术相结合可以提高土壤质地和水文条件并且减少填充材料和支挡材料的使用量 另外可以利用植物生态修复技术来增强治理效果例如选择适宜的植被种类通过根系的固土作用和地下水的调节作用来稳定土壤改善水文条件从而达到治理目的此外可以加强对土壤改良剂的研究和应用选择适合的土壤改良剂进行处理以改善处理后的土壤质地和水文条件 例如可以使用有机肥料或土壤修复剂来改善土壤质量增加土壤肥力提高农作物产量最后建议加强对治理技术的推广和宣传提高广大群众对粉质黏土地层天然冲沟治理的认识和意识推动技术的广泛应用和推广 同时应加强技术研发持续不断地进行技术创新不断提高治理效果和经济效益 未来研究方向首先需要进一步探索适用于粉质黏土地层天然冲沟处理的新型技术和材料 例如可以研究新型的土壤改良剂、生物材料和再生材料等以及新型的支挡结构和植被生态修复技术等 这些技术和材料有望更好地解决处理过程中的一些难点和问题其次需要加强对治理效果和治理成本的评估和研究可以采用现代科技手段如遥感技术和 技术对治理后的土地资源、水资源、生态环境等进行长期监测和评估以确保治理工程的效益和可持续性 同时需要研究降低治理成本的新型技术和方法以提高治理的经济效益再次还可以研究粉质黏土地层天然冲沟治理的适宜性和可行性 例如可以研究不同地貌和地形条件下的治理效果和成本差异以及对农业生产和生态环境的影响 这些研究有助于为治理工程的规划和实施提供科学的依据最后需要加强技术推广和普及提高公众对粉质黏土地层天然冲沟治理的认识促进技术的广泛应用和推广 同时需要积极与相关部门合作制定和完善相关政策和标准推动治理工程的有序开展和可持续发展 结 语粉质黏土地层天然冲沟是一个较为严重的地质问题需要采取科学的处理措施来治理 针对这一问题表面处理、填充处理、植被处理和支挡处理等能够有效地防止土壤侵蚀和水土流失减缓环境恶化 然而对于治理工程的效果评估和研究还不够充分需要进一步加强对治理效果的综合评估和研究以确保治理工程的长期效益和可持续性 为了保障治理工程的长期效益和可持续性需要加强对治理工程的管理和维护并推广应用科学、经济、实用的治理技术和措施 未来的研究和应用方向应该聚焦于处理技术的改进、治理效果评估和研究、技术推广和应用以及治理工程的管理和维护等方面为建设美丽中国、实现可持续发展做出更大的贡献:参 考 文 献:张超王飞吴华等.粉质黏土地层隧道沉降变形控制技术研究.土工基础():历朋林.粉质黏土地层泥水盾构泥浆脱水处理技术研究.铁道建筑技术():肖云之.粉质黏土地层渣土改良试验研究.甘肃科技纵横():(上接第 页)在阶段和中由于矿物颗粒的溶解反应达到上限外界水在进入时不再受其约束形成自由水填充了孔隙中的空气介质使其纵波波速上升)当岩石试件自然吸水达到极限时其处于阶段的末尾点 此时外界水进入到岩石内部的速度与岩石内部水的蒸发速度一致 进入到阶段由于外界压力变化外界水开始加速进入到岩石内部尤其是岩石的中间部位:参 考 文 献:.():黄宏伟车平.泥岩遇水软化微观机理研究.同济大学学报(自然科学版)():李杨杨杨维弘张士川等.隧道开挖扰动断层围岩破裂涌水机制试验研.岩土力学():夏开文徐颖陈荣.考虑深部赋存条件的岩石动态破坏试验研究进展.隧道与地下工程灾害防治():.():邓华锋原先凡李建林等.饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究.岩石力学与工程学报():陈旭俞缙李宏等.不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究.岩土力学():王海洋孙赞东.岩石中波传播速度频散与衰减.石油学报():.: