一种基于旋切触探技术的岩体快速分级方法与流程

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快速分级方法。

背景技术

随着我国国民工程建设的长足发展，各种岩体工程如水利工程、洞隧道工程、公路工程等工程问题日益增多。快速科学的确定各种工程岩体的基本质量等级是各类岩体工程设计与施工的关键问题。当前岩体基本质量等级的获取主要是经验类比法，经验类比法的盲目性、非科学性日益严重，使所得的岩体基本质量等级不准确；而现有的现场勘察非常耗时费力且非常昂贵，代表性很差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于旋切触探技术的岩体快速分级方法，用以快速准确地测定现场岩体岩体力学性能及质量等级。

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快速分级方法，具体按照如下步骤实施：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，获得旋转触探钻进参数；

步骤2、利用步骤1得到的钻进参数进行岩体级别识别；

步骤3、确定岩体级别后，判断此岩体是否为完整岩体；若不是完整岩体，则根据钻进参数智能识别岩体结构面组数、结构面平均间距和结构面结合程度，确定出该岩体结构面等级；若是完整岩体，则进行步骤4；

步骤4，对完整岩体进行力学参数计算和质量等级的判断。

本发明的特点还在于，

步骤1中，旋转触探钻进参数包括旋切触探钻进速度、旋转速度、钻进压力和钻进扭矩。

步骤2中，岩体级别采用logistic回归分析方法进行识别。

logistic回归分析方法具体如下：

由于按照岩体坚硬程度的定量评价将岩层划分为5级，因此建立5分量logistic回归模型如下：

p1+p2+p3+p4+p5＝1(6)；

式(1)～式(6)中，y为1、2、3、4、5分别代表1、2、3、4、5级岩体；x1，x2，x3，x4分别代表转速、扭矩、钻压、钻速。

步骤4中，所述完整岩体的力学参数包括抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角，其计算方法分别如下：

内摩擦角：

粘聚力：

弹性模量：

抗压强度：

式(7)～式(10)中，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角，μ为岩体的摩擦系数，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为转进扭矩，a为钻头的有效面积。

步骤4中，通过《gbt50218-2014工程岩体分级标准》对岩体的质量等级进行判断。

本发明的有益效果是：

一种基于旋切触探技术的岩体快速分级方法，提出了岩石基本力学参数(弹性模量、抗压强度、粘聚力和内摩擦角)确定方法及数学模型；基于《工程岩体分级标准》规范，建立岩石级别智能识别模块、岩体基本力学参数智能识别模块、岩体结构面智能识别模块、岩体质量等级识别模块，实现旋切触探技术现场快速获取岩石力学参数、岩石等级和岩体基本质量等级的方法；本发明可以主动适应岩体工程勘察、设计和施工的发展要求，提高获取岩体力学参数的自动化水平，提高岩体工程勘察作业效率，使岩体工程勘察实现信息化、数字化及智能化，具有显著的社会经济效益及实际应用价值。

附图说明

图1是本发明一种基于旋切触探技术的岩体快速分级方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和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快速分级方法，如图1所示，通过对旋切触探试验获得的四个参数(钻进速度、旋转速度、钻进压力和钻进扭矩)，依次进行岩体级别识别、岩体结构面识别、岩体力学参数预测，即可快速获得该岩体的力学参数(弹性模量、抗压强度、粘聚力和内摩擦角)及质量分级。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，获得旋转触探钻进参数，包括旋切触探钻进速度(钻速)、旋转速度(转速)、钻进压力(钻压)和钻进扭矩(扭矩)；

下面的内容是对步骤1如何测定参数的限定。对于ⅱ级围岩，此阶段设定钻速和转速分别为0.1mm/s和400rpm，0.2mm/s和400rpm，0.3mm/s和400rpm，0.4mm/s和400rpm，0.5mm/s和400rpm。对于ⅲ级围岩，此阶段设定钻速和转速分别为0.1mm/s和300rpm，0.3mm/s和300rpm，0.5mm/s和300rpm，0.7mm/s和300rpm，1mm/s和300rpm。对于ⅳ级围岩，此阶段设定钻速和转速分别为0.3mm/s和300rpm，0.6mm/s和300rpm，0.9mm/s和300rpm，1.2mm/s和300rpm，1.5mm/s和300rpm。每组钻进距离分别为5厘米，初步确定岩体的等级和强度，同时根据所检测的钻速、转速、钻压和扭矩，确定最大钻压和最大扭矩，如果最大钻压和最大扭矩超过钻杆的承载力，则需要增大转速降低钻速，反之则确定合理的钻速、转速、钻压和扭矩。

接下来进行钻压控制钻进，此阶段为正式测试阶段，将确定好的转速和钻压作为钻进参数，钻速和扭矩作为响应参数。对于ⅱ级围岩设定钻压为800n，转速为400rpm以上较为合理。初步设定钻进参数钻压为1000n，转速为400rpm。钻进过程观察扭矩的大小，如果扭矩大于100n.m，则需要将钻压逐渐减小，直到扭矩在20～80n.m的范围内，并且保持稳定。对于ⅲ级围岩，设定钻压为1000n，转速为400rpm较为合理。初步设定钻进参数钻压为1000n，转速为400rpm。钻进过程观察扭矩的大小，如果扭矩大于100n.m，则需要将钻压逐渐减小，直到扭矩在10～50n.m的范围内，并且保持稳定。对于ⅳ级围岩，设定钻压为1500n，转速为300rpm较为合理。初步设定钻进参数钻压为1500n，转速为300rpm。钻进过程观察扭矩的大小，如果扭矩大于100n.m，则需要将钻压逐渐减小，直到扭矩在10～80n.m的范围内，并且保持稳定。

对于ⅱ级～ⅳ级围岩钻进速度控制阶段的控制方式。控制方式一：在钻进工作开始前，应将移速调节等旋钮置于0％，设定所需的动力头移速；在钻进开始时，选择模式开关、加压等操作进行钻进；在钻进结束时，关闭加压或选择减压，然后保存数据；最后，关闭模式开关。控制方式二：在钻进工作开始前，将移速调节等旋钮置于0％；在钻进开始时，选择模式开关，逐渐调节移速调节旋钮，当该值大于15％后，动力头开始向岩体内部移动，在此过程中选择合适的移动速度与钻进压力进行稳定钻进；在钻进结束时，调节移速调节旋钮使其小于15％，然后保存数据；最后，关闭模式开关。控制钻进速度的方法，可以使得钻进速度保持恒定，在遇到不同岩性的岩体时，能更清晰明了地反映出钻进压力和钻进扭矩随岩性的变化幅度及量值。但是，在遇到较为软弱的岩体时，无法得到稳定的参数，甚至出现无参数的现象。但是如若遇到岩性变化较大的围岩，容易损坏钻头。

对于ⅱ级～ⅳ级围岩钻进压力控制阶段的控制方式。在钻进工作开始前，应将给进力调节等旋钮置于0％；在钻进开始时，选择模式开关，逐渐调节移速调节旋钮，当该值大于25％后，动力头开始向岩体内部移动，在此过程中通过调节给进压力微调旋钮，选择合适的钻进与移动速度进行稳定钻进；在钻进结束时，调节给进力旋钮使其小于25％，然后保存数据；最后，关闭模式开关。控制钻进压力的方法，可以保证钻进压力在某个常量附近波动，在遇到不同岩性的岩体时，能更稳定地反映出钻进速度随岩性的变化情况。此控制方式所测得的数据一般较为稳定此方法较为通用，ⅱ级～ⅳ级均可采用。

步骤2、利用步骤1得到的钻进参数进行岩体级别识别；

将步骤1得到钻进参数输入logistic回归分析中确定出岩体级别，具体的logistic回归分析方法如下：

由于按照岩体坚硬程度的定量评价将岩层划分为5级，因此建立5分量logistic回归模型如下：

p1+p2+p3+p4+p5＝1(6)；

式(1)～式(6)中，y为1、2、3、4、5分别代表1、2、3、4、5级岩体；x1，x2，x3，x4分别代表转速、扭矩、钻压、钻速。

步骤3、确定岩体级别后，通过《gbt50218-2014工程岩体分级标准》判断是否为完整岩体；若不是完整岩体，则根据钻进参数智能识别岩体结构面组数、结构面平均间距和结构面结合程度，确定出该岩体结构面等级；若是完整岩体，则进行步骤4。

步骤4，对完整岩体进行力学参数计算和质量等级的判断。

对于完整性较好的岩体通过理论计算得出岩体力学参数，具体计算公式如下：

内摩擦角：

粘聚力：

弹性模量：

抗压强度：

式(7)～式(10)中，a为剪切角，β为刀刃上的平均摩擦角，μ为岩体的摩擦系数，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为转进扭矩，a为钻头的有效面积。

通过《gbt50218-2014工程岩体分级标准》判断岩体的质量等级。

将监测到的数据进行数据处理和计算，这是xcy-1型旋切触探仪实现岩体力学参数预测和岩体质量等级识别最为重要的过程。如何准确的计算岩体力学参数，抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角是至关重要的。首先，根据岩体等级识别模型，识别岩体是否为完整岩体，如果岩体完整性很好，则根据理论方法直接计算岩体力学参数。如果岩体完整性较差，则需要根据岩体力学参数识别模块进行识别，每隔0.5厘米识别一次，同时识别岩体等级，两者识别完成后，将相同的等级岩体的力学参数最小值全部相加求平均值，此平均值为该距离段的岩体力学参数。

本发明经过理论计算的方法，实现了现场快速获取岩体力学参数、岩体等级和岩体基本质量等级。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切实可行，实际应用效果较好。xcy-1型岩体力学参数旋切触探仪的现场应用过程主要分为3个阶段：准备阶段、测试阶段和结束阶段。准备阶段主要包括通水供电，检查仪器是否有故障并排除故障和仪器整平。仪器整平最为关键，主要包括仪器的位置调整和动力头调整，首先将仪器调整到最佳可以钻孔的位置，并且严格要求仪器与水平线平行，然后调节动力头在合适的钻进角度和合适的高度。开机后应当预热约10min，使仪器正常运行。完成以上准备工作后，方可进行测试阶段。

结束阶段，主要包括保存数据，仪器恢复，钻进参数调零。数据存储采用外插u盘的形式。在钻进开始时，选择存储开始；当数据采集稳定后，选择钻进开始；在钻进结束时，选择usb保存和删除存储操作，完成数据保存。

本发明基于旋切触探技术，提出了岩体基本力学参数(弹性模量、抗压强度、粘聚力和内摩擦角)确定方法及数学模型；基于《工程岩体分级标准》规范，建立岩体级别智能识别模块、岩体基本力学参数智能识别模块、岩体结构面智能识别模块、岩体质量等级识别模块，实现旋切触探技术现场快速获取岩体力学参数、岩体等级和岩体基本质量等级的方法。本发明可以主动适应岩体工程勘察、设计和施工的发展要求，提高获取岩体力学参数的自动化水平，提高岩体工程勘察作业效率，使岩体工程勘察实现信息化、数字化及智能化，具有显著的社会经济效益及实际应用价值。

采用本发明的基于旋切触探技术的岩体快速分级方法对围岩岩体的力学参数和质量等级进行预测，见表1。

表1围岩岩体质量等级预测结果

从表1中可看出，采用本发明的方法能够对围岩岩体的力学参数和质量等级进行全面的预测，且其结果与实际结果基本相符。