何 勇，李天斌，孟陸波，唐 林

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

聲波探測(cè)技術(shù)是通過(guò)研究超聲波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律來(lái)判斷物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其它物理性質(zhì)指標(biāo)的一種測(cè)試技術(shù)［1］。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖體質(zhì)量分類、圍巖松弛帶劃分等許多方面［2］。在巖石聲波測(cè)試方法及波速與各物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系方面國(guó)內(nèi)外都做了大量研究［3-4］。但上述研究工作主要是針對(duì)室內(nèi)巖塊，由于波速在巖體中的傳播受到風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度、含水狀態(tài)等內(nèi)外部因素的影響。因此，室內(nèi)巖塊試驗(yàn)很難真實(shí)反映實(shí)際工程巖體性質(zhì)，許多研究者已注意到巖體物理力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)巖塊試件物理力學(xué)參數(shù)間存在相當(dāng)大的差異［3］。不同作者雖對(duì)這些影響因素進(jìn)行了研究，但往往僅針對(duì)某一單一因素［4］，多因素條件下的研究也多為室內(nèi)巖塊的模擬［5］。本文針對(duì)具體工程區(qū)影響絹云母片巖的主要外部因素進(jìn)行了室內(nèi)巖塊、室外巖體的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方法

巖體聲波測(cè)試采用的儀器為FDP204SW型超聲波測(cè)試儀及其配套的縱橫波換能器。室內(nèi)測(cè)試巖塊規(guī)格為5 cm×5 cm×10 cm的長(zhǎng)方體;室外巖體為開(kāi)挖邊坡面上長(zhǎng)約15～35 cm的不同風(fēng)化程度和不同節(jié)理發(fā)育程度的巖體。測(cè)試時(shí)采用直透法，人工鑿平兩端面，并對(duì)測(cè)試部位進(jìn)行詳細(xì)描述。工程區(qū)主要巖體為絹云母片巖，片理面對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)起主要作用，因此本次巖體波速測(cè)試方向?yàn)槠叫衅砻?，測(cè)試時(shí)同時(shí)測(cè)量巖體的縱、橫波速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水對(duì)波速的影響

為了研究水對(duì)工程區(qū)絹云母片巖波速的影響，在室內(nèi)進(jìn)行了天然和飽水狀態(tài)下的波速測(cè)試，并對(duì)不同飽水時(shí)間下的巖塊進(jìn)行了對(duì)比分析。巖樣水理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，波速測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

表1 絹云母片巖水理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果分析可知，飽水5 d后縱波速度下降幅度在5%以內(nèi)，平均下降幅度約2.98%;橫波速度下降幅度在5%～12%之間，平均降幅約8.82%。飽水20 d后縱波速度下降幅度在9% ～19%之間，平均降幅約14.2%;橫波速度下降幅度在17% ～26%之間，平均降幅約20.79%?？梢?jiàn)水對(duì)絹云母片巖波速的影響較為明顯，飽水5 d后縱橫波速度即呈下降趨勢(shì)，飽水20 d后下降趨勢(shì)更加明顯，且總體橫波速度較縱波速度下降幅度大。

通過(guò)分析可知，飽水對(duì)巖體縱橫波速度有降低作用。由于水對(duì)巖樣波速的影響主要決定于巖石的孔隙率和軟硬程度，因此綜合分析原因?yàn)?①巖樣屬致密巖體，吸水率較低，水對(duì)空隙充填的影響較小，水對(duì)致密巖樣波速的影響較不敏感;②絹云母片巖片理面力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差，在水的長(zhǎng)期作用下，部分礦物溶解，巖石骨架被軟化，片理面的牢固性減弱，使波速降低，飽水時(shí)間越長(zhǎng)降低越明顯，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。

圖1 不同飽水時(shí)間對(duì)波速影響曲線

2.2 節(jié)理對(duì)波速的影響

工程巖體由于經(jīng)受過(guò)復(fù)雜的地質(zhì)歷史過(guò)程，節(jié)理、裂隙一般較為發(fā)育。節(jié)理、裂隙對(duì)巖體質(zhì)量有較大的影響，聲波穿過(guò)時(shí)將會(huì)發(fā)生反射、折射和繞射現(xiàn)象，影響聲波傳播速度。本文在絹云母片巖大量室外波速測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇同一風(fēng)化程度同一測(cè)試段的巖體，對(duì)其節(jié)理發(fā)育程度與波速關(guān)系進(jìn)行分析(本文所統(tǒng)計(jì)節(jié)理均為閉合狀態(tài))。由圖2和圖3可知，在同一風(fēng)化程度下，節(jié)理?xiàng)l數(shù)與波速并無(wú)明顯關(guān)系，但對(duì)同一風(fēng)化程度下同一節(jié)理?xiàng)l數(shù)的波速，剔除明顯異常點(diǎn)后統(tǒng)計(jì)平均值，作相關(guān)曲線可知，平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)存在一定的相關(guān)關(guān)系(圖4和圖5)。由圖可知，弱風(fēng)化條件下平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)具有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均為0.95;而強(qiáng)風(fēng)化條件下平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)也具有一定的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較弱風(fēng)化條件下差，相關(guān)系數(shù)分別為0.73和0.67。

圖2 弱風(fēng)化巖體波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)關(guān)系

圖3 強(qiáng)風(fēng)化巖體波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)關(guān)系

圖4 弱風(fēng)化巖體平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)關(guān)系

圖5 強(qiáng)風(fēng)化巖體平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)關(guān)系

通過(guò)分析可知，弱風(fēng)化條件下巖體波速主要受節(jié)理發(fā)育程度影響，節(jié)理越發(fā)育，巖體波速越低;而強(qiáng)風(fēng)化條件下，由于風(fēng)化對(duì)巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分等均有較大的影響，因此波速同時(shí)受到風(fēng)化程度和節(jié)理發(fā)育程度的影響，平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)相關(guān)關(guān)系相對(duì)較差。

2.3 風(fēng)化程度對(duì)波速的影響

為了研究風(fēng)化程度對(duì)波速的影響，本文對(duì)同一測(cè)試段同一節(jié)理?xiàng)l數(shù)下不同風(fēng)化程度的巖體平均波速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2。

表2 絹云母片巖不同風(fēng)化程度下平均波速統(tǒng)計(jì)

由表2可知，在相同節(jié)理?xiàng)l數(shù)下強(qiáng)風(fēng)化巖體比弱風(fēng)化巖體波速低，且降低幅度較大?？v波最大降幅達(dá)28.31%，平均降幅約13.87%;而橫波最大降幅達(dá)38.19%，平均降幅約19.52%。說(shuō)明風(fēng)化對(duì)巖體波速有較為明顯的影響，且風(fēng)化程度對(duì)橫波的影響比縱波更明顯。

3 結(jié)論

1)絹云母片巖波速受水的影響較大，短期飽水后即有明顯降低，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期飽水后下降趨勢(shì)更明顯，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，且橫波較縱波更為敏感。

2)節(jié)理對(duì)波速無(wú)明顯的影響，但平均波速與節(jié)理?xiàng)l數(shù)具有一定的相關(guān)關(guān)系。弱風(fēng)化條件下相關(guān)性較好，強(qiáng)風(fēng)化條件下相關(guān)性較差，這是由于波速同時(shí)受到風(fēng)化程度和節(jié)理發(fā)育程度的影響。

3)風(fēng)化對(duì)巖體波速有較大的影響，風(fēng)化程度越強(qiáng)，波速越低，且橫波較縱波更為敏感。

4)對(duì)影響絹云母片巖聲波速度主要因素的綜合分析，有利于正確運(yùn)用聲波資料，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)工程巖體，合理進(jìn)行參數(shù)取值。

［1］趙奎，萬(wàn)林海，饒運(yùn)章，等．基于聲波測(cè)試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(11):1804-1809．

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［3］丁梧秀，姚增，蔣振，等．巖體工程特性研究中彈性波速參數(shù)取值方法探討［J］．巖體力學(xué)，2004，25(9):1353-1356．

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［5］李元輝，趙興東，趙有國(guó)，等．不同條件下花崗巖中聲波傳播速度的規(guī)律［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，27(9):1030-1033．