岩土体弹性波速与开挖等级的相关性理论研究.docVIP

岩土体弹性波速与开挖等级的相关性理论研究 李汉江,陈斌文,刘 勇 （江西省交通设计院，江西 南昌 330002） 摘 要：该文在弹性波场理论的基础上，通过分析影响岩土体弹性波速的几个主要因素以 及决定土石开挖等级的几个重要指标，推导出岩土体的弹性波速与其土石开挖等级的内在 联系，得出通过求取岩土体的弹性波速来进行土石等级划分的结论，为浅层地震勘探应用 于土石方勘察打下了理论基础。 关键词：岩土工程；浅层地震勘探；弹性波速；土石开挖等级；相关性研究 0 前 言 随着我省高速公路建设全面进入山区，公路土石方的确定越来越成为公路建设中的一个较为突出的问题。由于勘察工期紧，对深挖方布置的钻探工作量非常有限，并且钻探施工难度很大、周期长、费用高，且单个深挖方段钻孔布置数量有限，少量钻孔也很难有效地控制土石方在横纵向上的变化，因此，很大一部分深挖方的土石方含量只能单凭地表地质调绘和经验来估算确定，其精度难于把握，特别是风化层较厚的岩层，其估算与实际情况有较大的出入，造成了较大的土石方变更，严重的还将造成山体滑坡，因此，在土石方勘察中引进其它勘探方法显得非常有必要。 本文以引进并使用浅层地震勘探方法为目的，就岩土体的弹性波速度与开挖等级划分的相关性进行了理论分析研究，希望找到它们的对应关系，然后通过求取岩土体的弹性波速度来准确划分岩土体的开挖等级，并确定土石含量。 1 弹性波的形成理论 根据弹性理论，对于均匀、各向异性、理想弹性介质，则有三维波动方程式［1］为： (1) 式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的位移. 、为拉梅常数. 为介质密度. 若波动引起介质的形变，只有体积上的变化而无旋转时，则方程式［1］变为： (2) 该方程代表的波是疏密波或压缩波，即纵波。 若波动引起介质的形变，只有剪切变形和转动而无体积变化时，则方程［1］变为 (3) 此方程代表的波为剪切波或等容波，即横波。 纵波和横波的波动方程可简化为下列形式： (4) 式中：Vp＝. Vs=分别表示为纵波和横波的传播速度,即介质的弹性波速. 2 岩土体介质弹性波速的影响因素分析 地震勘探中，影响弹性波速度传播的地质因素很多，除具有不同岩石成分和结构的岩性外，主要还与岩石的密度、孔隙度、孔隙充填物、地质年代、埋藏深度等因素有关。 2.1密度［1］［2］ 如果岩石密度处于1.9g/cm3与2.7g/cm3之间， 则V、ρ间存在线性关系，表达式为： （5） 图1表示了不同岩石的密度与速度的关系。 图1 2.2 孔隙度［1］［2］ 岩石属于双相介质，由矿物颗粒本身和各种气体或液体充填的孔隙组成。岩石弹性波速与孔隙度的关系式为： (6) 式中：θ-孔隙度. V-波速. Vm- 骨架波速. VL-孔隙介质波速. 图2孔隙度和速度的关系曲线，由图中可知孔隙度大的岩石，波速减小；反之，孔隙度变小，速度增大。 图2 2.3 孔隙充填物［1］［2］ 岩石或土层中孔隙的空间不是被水充填就是被气体充填，当地震波在这些充填物中传播时，速度就会降低，其中气体的传播速最低，水中波速相对较高。当砂岩孔隙中或第四系覆盖层中含气或水时，两者之间及它们与顶、底围岩之间会形成良好的波阻抗界面，产生较强的反射波。 2.4 风化程度［1］［2］ 风化作用使岩体矿物变异、原生结构破坏导致质点间弹性联系减弱岩体波速随风化程度增加而减小。全、