一種基于ct掃描的深部巖石取樣方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法，先用常規(guī)取樣方法獲得大直徑的巖芯，確定巖樣的損傷程度和范圍，再套取其中心無(wú)損傷區(qū)域作為小直徑巖樣，可大大減輕取樣卸載損傷的影響，獲得無(wú)損巖樣。所取得的無(wú)損巖樣平均強(qiáng)度、彈性模量等各方面性能得到提高。本發(fā)明方法對(duì)于解決高應(yīng)力取樣問題十分有效，可被廣泛應(yīng)用于水利水電工程、交通、礦山等領(lǐng)域深埋地下工程。
【專利說明】一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水利水電工程和深埋地下工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)高應(yīng)力地區(qū)隧洞開挖過程中巖爆等動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和評(píng)估，以及開挖損傷區(qū)的估計(jì)及支護(hù)設(shè)計(jì)而言，合理準(zhǔn)確地獲得圍巖巖體的強(qiáng)度估計(jì)無(wú)疑是十分必要的，對(duì)隧洞的施工期安全、圍巖穩(wěn)定及長(zhǎng)期安全運(yùn)行均具有重大意義。
[0003]然而，在高應(yīng)力地區(qū)，鉆孔取樣時(shí)隨著鉆頭的鉆進(jìn)，巖芯內(nèi)某點(diǎn)處的豎直向應(yīng)力被逐步解除，而水平應(yīng)力則是在鉆頭越過該點(diǎn)后才被解除，因此，在鉆孔過程中巖芯中將產(chǎn)生較大的主應(yīng)力差值，此差值將造成巖樣的取樣損傷。研究表明，在高地應(yīng)條件下進(jìn)行常規(guī)巖石鉆孔取樣時(shí)，巖樣外側(cè)受到取樣卸荷損傷的部分超過巖樣橫截面積的50%以上，常規(guī)取樣得到的巖樣的平均強(qiáng)度會(huì)降低5%?15%。同時(shí)，高應(yīng)力常規(guī)取樣還存在取樣損傷的巖樣彈性模量和聲波速度均有不同程度的降低，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度也受到較大影響。因此，如何在高應(yīng)力地區(qū)獲得損傷小的巖樣，是很多工程建設(shè)者需要面臨的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法，使得所取巖芯的損傷情況得到改善，可被廣泛應(yīng)用于各種深埋地下工程。
[0005]一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法，包括如下步驟:
[0006]1、在淺埋深條件下或大塊巖石中取得與目標(biāo)取樣地點(diǎn)巖性和地質(zhì)條件相同的大直徑巖樣3-5組，每組5個(gè)巖樣，利用CT掃描方法獲得無(wú)損巖樣的CT特征曲線；
[0007]2、在工程現(xiàn)場(chǎng)選定需要取樣的位置，通過高應(yīng)力常規(guī)取樣得到初始巖樣；對(duì)初始巖樣進(jìn)行CT掃描，每個(gè)巖樣從頂部到底部等距分設(shè)5?10個(gè)掃描橫斷面，每個(gè)掃描橫斷面劃分為多個(gè)同心圓統(tǒng)計(jì)圈，獲得初始巖樣各橫斷面不同直徑同心圓的CT特征曲線；
[0008]3、對(duì)比、分析步驟I和2的曲線圖，確定巖樣的損傷程度和范圍；
[0009]4、采用套鉆方法獲得無(wú)損傷巖芯。
[0010]所述大直徑巖樣的直徑為150mm-300mm。
[0011]所述CT特征曲線包括平均CT數(shù)分布曲線、CT數(shù)方差分布曲線和CT數(shù)尖峰值分布曲線。
[0012]所述同心圓統(tǒng)計(jì)圈為8個(gè)。
[0013]本發(fā)明一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法的優(yōu)點(diǎn)是:先用常規(guī)取樣方法獲得大直徑的巖芯，再套取其中心無(wú)損傷區(qū)域作為小直徑巖樣，可大大減輕取樣卸載損傷的影響，獲得無(wú)損巖樣。CT檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行多層斷面觀測(cè)，加載荷載大，可以立體成像。所取得的無(wú)損巖樣平均強(qiáng)度、彈性模量等各方面性能得到提高。本發(fā)明方法對(duì)于解決高應(yīng)力取樣問題十分有效，可被廣泛應(yīng)用于水利水電工程、交通、礦山等領(lǐng)域深埋地下工程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為原始巖樣橫斷面CT掃描示意圖；
[0015]圖2為同心圓統(tǒng)計(jì)圈分布示意圖；
[0016]圖3a為無(wú)損巖樣與高應(yīng)力取樣的各統(tǒng)計(jì)圈上的平均CT數(shù)分布對(duì)比曲線圖；
[0017]圖3b為無(wú)損巖樣與高應(yīng)力取樣的各統(tǒng)計(jì)圈上的CT數(shù)方差分布曲線圖；
[0018]圖3c為無(wú)損巖樣與高應(yīng)力取樣的各統(tǒng)計(jì)圈上的CT數(shù)尖峰值分布曲線圖；
[0019]圖4為對(duì)初始巖樣套鉆取得巖芯的不意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0021]首先在淺埋深條件下或大塊巖石中取得與目標(biāo)取樣地點(diǎn)巖性和地質(zhì)條件相同的大直徑巖樣(直徑為150mm-300mm，高度為300mm-600mm) 3-5組(每組5個(gè)巖樣)，利用CT掃描方法獲得無(wú)損巖樣的CT特征曲線，繪制于附圖3a、b、C。
[0022]再在現(xiàn)場(chǎng)選定需要取樣的位置，通過高應(yīng)力常規(guī)取樣得到一系列同直徑同性質(zhì)的初始巖樣。對(duì)取得的大直徑巖樣進(jìn)行CT掃描,每個(gè)巖樣從頂部到底部均勻間隔選取5?10個(gè)掃描橫斷面，如圖1所示，獲得原始巖樣不同橫斷面上的CT數(shù)分布。根據(jù)本次室內(nèi)試驗(yàn)的特點(diǎn)，制定了圖2所示的統(tǒng)計(jì)方案。統(tǒng)計(jì)的主要指標(biāo)有各同心圓上的平均CT數(shù)、CT數(shù)方差和CT數(shù)的尖峰值的個(gè)數(shù)，每個(gè)斷面取8個(gè)同心圓統(tǒng)計(jì)圈(統(tǒng)計(jì)圈的個(gè)數(shù)越多得到的結(jié)果越精確，同時(shí)考慮到試驗(yàn)的復(fù)雜程度，本文以8個(gè)為佳)。將高應(yīng)力常規(guī)取樣中各掃描斷面同心圓上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制于附圖3a、b、c。
[0023]由于高應(yīng)力常規(guī)取樣孔中的巖樣受到的損傷要遠(yuǎn)大于低應(yīng)力取樣孔中的巖樣，低應(yīng)力取樣孔巖樣的各同心圓統(tǒng)計(jì)圈的平均CT數(shù)要明顯大于常規(guī)高應(yīng)力取樣孔巖樣。兩種類型的巖樣平均CT數(shù)在外圈相差較大，Cir6以內(nèi)兩種巖樣的平均CT數(shù)基本一致，這意味著cir6以內(nèi)的巖樣幾乎未受到取樣卸載損傷的影響。各巖樣的CT數(shù)方差在各統(tǒng)計(jì)圈上相差不大，常規(guī)取樣孔巖樣中外圈的方差較低應(yīng)力取樣孔較大。在最外圈，常規(guī)取樣孔巖樣損傷嚴(yán)重，其CT數(shù)分布的尖峰個(gè)數(shù)要明顯大于低應(yīng)力取樣孔，對(duì)于cir5以內(nèi)各圈，各孔內(nèi)巖樣CT數(shù)分布的尖峰個(gè)數(shù)相差不大，這說明cir5以內(nèi)的巖樣受到的損傷很小。
[0024]常規(guī)高應(yīng)力取樣孔的巖樣在外圈損傷嚴(yán)重，將其CT特征值曲線與無(wú)損取樣孔巖樣的進(jìn)行對(duì)比分析，可以初步認(rèn)為，巖樣cir6以內(nèi)的部分較少地受到取樣損傷的影響。這樣以來(lái)，就可以通過對(duì)無(wú)損取樣孔巖樣進(jìn)行圖4所示的套鉆方法鉆取cir6以內(nèi)的巖芯獲得無(wú)損巖樣。
[0025]若對(duì)于取得的巖樣經(jīng)過CT掃描后，繪制出的圖3與上述結(jié)果存在較大的差異，即高應(yīng)力巖樣與無(wú)損巖樣的各項(xiàng)指標(biāo)始終相差較大。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是，所取初始巖樣的直徑較小，巖樣的整體損傷情況嚴(yán)重。因此在進(jìn)行高應(yīng)力取樣時(shí)，應(yīng)先鉆取較大直徑的巖樣，再通過套鉆的方法獲取無(wú)損巖樣。
[0026]本發(fā)明的原理在于:
[0027]對(duì)于鉆取的大直徑巖樣，需要先確定其初始損傷的范圍和程度，為套鉆無(wú)損巖樣提供依據(jù)。檢測(cè)巖樣損傷的方法有很多，如金相學(xué)的方法、物理量與等效量的檢測(cè)方法、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、掃描電鏡檢測(cè)技術(shù)等。但這些方法總會(huì)存在某些方面的缺陷，CT掃描技術(shù)是一門新興的研究巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，CT技術(shù)在巖石無(wú)損探測(cè)以及實(shí)時(shí)探測(cè)巖石在不同受載條件下內(nèi)部裂紋的變化狀況有著重要的作用。CT檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行多層斷面觀測(cè)，加載荷載大，可采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圓柱型試樣，可以立體成像。CT掃描還具有快速、無(wú)損，還可以定量化評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。
[0028]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多其他領(lǐng)域的技術(shù)方案被用于工程實(shí)際，CT技術(shù)現(xiàn)在也被用來(lái)對(duì)巖石進(jìn)行檢測(cè)。在CT檢測(cè)中，常將材料某點(diǎn)對(duì)X射線的吸收系數(shù)作為定量分析的CT數(shù)，只要對(duì)比圖像重建后的CT數(shù)，就可判斷材料斷面各部位的損傷缺陷情況。
[0029]CT的
【發(fā)明者】Hoursfield教授將空氣、水和冰的CT數(shù)(又稱Hounsfied數(shù)，簡(jiǎn)稱H)分別定義為一 1000，0和一 100，所以被檢測(cè)物體對(duì)X射線的吸收系數(shù)與CT數(shù)之間的換算關(guān)系為:
[0030]H= (μ t-μ w)/UwXlOOO (I)
[0031]式中，H為CT數(shù)，μ t、μ w分別為相應(yīng)礦物及水的X射線線性吸收系數(shù)。巖石CT圖像反映巖石各部位對(duì)X射線吸收程度的大小，本質(zhì)是一幅數(shù)字圖像，每一像素點(diǎn)的值即為CT數(shù)。CT數(shù)大小在CT圖像上由灰度表示，根據(jù)CT物理原理，CT數(shù)與對(duì)應(yīng)的巖石密度成正t匕，CT圖像的亮色表示巖石高密度區(qū)，暗色表示巖石低密度區(qū)。
[0032]CT圖像研究的目的是研究圖像結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與CT數(shù)分布的關(guān)系，方法是分區(qū)統(tǒng)計(jì)CT圖像每個(gè)區(qū)域內(nèi)的CT數(shù)分布規(guī)律。通過研究巖石CT圖像的特征，發(fā)現(xiàn)無(wú)裂隙時(shí)CT數(shù)直方圖呈現(xiàn)單峰曲線特點(diǎn)，有裂隙或空洞發(fā)育時(shí)直方圖呈現(xiàn)多峰曲線特點(diǎn)。
[0033]外圍CT平均數(shù)大于中心這與尖峰數(shù)的規(guī)律相反，這表明巖石CT圖像的CT數(shù)分布特征除了與巖石內(nèi)部存在的缺陷多寡相關(guān)外，還與X射線傳播的路徑相關(guān)，傳播距離越長(zhǎng)，能量衰減的越厲害，CT數(shù)分布的尖峰個(gè)數(shù)越高。因此，不能通過比較同一巖樣中各統(tǒng)計(jì)圓面上的平均CT數(shù)或CT數(shù)分布的尖峰數(shù)來(lái)判斷巖樣的取樣損傷，只能通過不同巖樣在同一統(tǒng)計(jì)圓面上的CT掃描結(jié)果比較不同應(yīng)力水平下巖樣的取樣損傷。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法，其特征在于包括如下步驟: ⑴在淺埋深條件下或大塊巖石中取得與目標(biāo)取樣地點(diǎn)巖性和地質(zhì)條件相同的大直徑巖樣3-5組，每組5個(gè)巖樣，利用CT掃描方法獲得無(wú)損巖樣的CT特征曲線； ⑵在工程現(xiàn)場(chǎng)選定需要取樣的位置，通過高應(yīng)力常規(guī)取樣得到初始巖樣；對(duì)初始巖樣進(jìn)行CT掃描，每個(gè)巖樣從頂部到底部等距分設(shè)5?10個(gè)掃描橫斷面，每個(gè)掃描橫斷面劃分為多個(gè)同心圓統(tǒng)計(jì)圈，獲得初始巖樣各橫斷面不同直徑同心圓的CT特征曲線； ⑶對(duì)比、分析步驟⑴和⑵的曲線圖，確定巖樣的損傷程度和范圍； ⑷采用套鉆方法獲得無(wú)損傷巖芯。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法,其特征在于:所述大直徑巖樣的直徑為150mm-300mm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法，其特征在于:所述CT特征曲線包括平均CT數(shù)分布曲線、CT數(shù)方差分布曲線和CT數(shù)尖峰值分布曲線。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于CT掃描的深部巖石取樣方法,其特征在于:所述同心圓統(tǒng)計(jì)圈為8個(gè)。
【文檔編號(hào)】G01N1/08GK104266862SQ201410579724
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】嚴(yán)鵬, 何艷麗, 盧文波, 陳明 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)