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岩体结构控制论是岩体力学的基础,岩体力学的复杂性导致目前尚无破坏准则能较好满足实际要求。工程物探工作大部分的对象是浅、小的岩体,探测深度从几十厘米到几十米,要求探测的分辨率高、定量解释精度高。合理解决岩体结构力学参数与岩体结构地球物理探测等问题对浅层工程勘察设计意义重大。
很多地下工程与浅层花岗岩关系密切,而花岗岩中不良地质体分布、岩脉穿插、地下水及风化等问题控制着工程建设。CSNS(中国散裂中子源--ChinaSpallationNeutronSource)工程是国家重大科技基础建设项目(发展中国家的第一台中子源),CSNS前期勘察的278个钻孔和5594m长的地球物理勘探为本文的研究奠下了主要基础。
论文从岩石物性的现状出发,引进岩体结构地球物理特性的概念后,分别从基于钻探岩芯及岩石矿物结构的花岗岩岩体结构和基于地质-地球物理模型的岩体结构地球物理特性进行研究,研究成果集中在以下两大部分:
(1)以Hoek-Brown准则中地质强度指标(GeologicalStrengthIndex-GSI)为代表的岩体结构研究
受Hoek针对泥砂岩的GSI取值表启发,作者针对花岗岩引进岩石矿物结构、完整岩芯长度等概念来对GSI取值表进行量化研究;尝试用野外典型完整岩芯照片代替GSI取值表里岩体结构的素描图;结合野外岩芯RQD、采芯率、完整岩芯长度(RockCoreLength-RCL)等特征对照片描述,最终建立一个基于钻探与岩石矿物结构的花岗岩GSI取值表。根据Hoek-Brown准则利用花岗岩GSI表计算出弹性模量E、地基承载力Qult,对比作者计算出来的与勘查单位给出的结果,发现弹模误差在5%,地基承载力误差在2%左右,说明了花岗岩GSI取值表的科学性,该方法可用于基于钻探的场地岩体参数初步估算,具有一定的实用价值。
(2)浅层花岗岩岩体结构地球物理特性模型
岩体结构地球物理特性(简称结构物性--Geophysicalfeaturesinrockmassstructure)是描述地下不同的岩体结构(完整结构、块状结构、镶嵌结构、碎裂结构、散体结构、剪碎结构)在地球物理勘探中的不同响应特征的一种性质。
论文在提出岩体结构地球物理特性概念后,对电阻率与折射波数据进行反演,最终在三维软件中建立CSNS三维地质-地球物理模型。实现CSNS浅层花岗岩岩体结构、地球物理特征现象综合到一起的抽象模型,解释了具有几何形态和物性差异等参数描述的地球物理异常体,如风化带差异、破碎岩、岩脉、岩体结构差异和地下水等的电阻率异常、波速异常、岩芯块度指标(RockCoreIndex-RCI)和RQD异常等,对花岗岩物探异常解释给予了深入研究。
得出以RCI为约束条件的多种不良地质体的地质-地球物理模型,为电法-地震联合反演与分析打下基础。采用类比法和反馈方法不断修正以CSNS工程为代表的浅层花岗岩的地质-地球物理模型,利用相关分析方法,对不同岩体结构(RCI信息)与地球物理场(电阻率、波速)进行回归分析,得出在满足一定假设条件下一系列的回归关系式;同时也发现浅层花岗岩RCI在大于10时RCI与RQD相关性不理想,当RCI小于10时相关性好。
因此,本文以多年来对CSNS开展的工程地质勘察工作和资料为依托,以浅表花岗岩为研究对象,利用三维软件进行建模,通过研究岩体结构力学与电阻率纵波波速等核心内容,取得了地质与地球物理相关参数关系等成果。对工程地质与工程物探的融合、更好地分析和评价重大工程场地地质条件进行了有益的探索和积累。