巖石試件縱波測(cè)試的影響因素

龔興耀 尹全勇 胡 惠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

巖石的彈性性質(zhì)和聲波在巖石中的傳播特性,是巖石聲波測(cè)試的理論基礎(chǔ)。聲波測(cè)試是利用頻率為數(shù)千赫的聲頻彈性波通過(guò)巖體,了解聲波在巖石中傳播的規(guī)律與巖石介質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系,研究聲波在不同性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的巖體中的傳播特性,在工程巖體分類(lèi)和評(píng)估方面具有重要的作用。

巖石內(nèi)在和外部特征上的差異,如巖石的礦物成分、化學(xué)成分、膠結(jié)物和膠結(jié)狀況、顆粒度、孔隙率、天然裂隙、硬度和強(qiáng)度、風(fēng)化程度、變質(zhì)程度及結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等因素，都將引起波速的變化,所以聲波檢測(cè)能在很大程度上綜合評(píng)價(jià)巖石的固有屬性,故準(zhǔn)確地測(cè)試巖石的縱波波速對(duì)提高鐵路勘察設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性有著重要的意義。

本文從影響巖石試件聲波測(cè)試的內(nèi)在原因和外部因素著手,進(jìn)行分析總結(jié),為在試驗(yàn)檢測(cè)中準(zhǔn)確測(cè)試巖石試件的縱波波速提供參考。

1 巖石試件波速測(cè)試的基本原理及方法

巖石超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用人工激發(fā)產(chǎn)生的超聲波研究聲波在巖體內(nèi)傳播規(guī)律的一種技術(shù)。采用帶波形顯示記錄功能的超聲波檢測(cè)儀和頻率為50 kHz～1 MHz聲波換能器,測(cè)量超聲波在巖石中的傳播速度、首波振幅和接收信號(hào)頻譜變化等聲學(xué)參數(shù),并根據(jù)這些參數(shù)及其相對(duì)變化,可以判斷巖石的風(fēng)化及物理性能,以及巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)狀態(tài)、彈性參數(shù)及巖體物理力學(xué)性質(zhì)等。

在進(jìn)行巖石試件縱波測(cè)試時(shí),在柱狀巖樣的兩端或直徑方向上放置縱波發(fā)射換能器及接收換能器,選用凡士林或黃油作為耦合劑,在非受力狀態(tài)下測(cè)定巖樣的縱波波速(Vp),不同大小的巖樣應(yīng)使用不同型號(hào)的換能器。巖樣超聲波縱波波速測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 巖石聲波測(cè)試原理

(1)

式中Vp——縱波速度/(m/s)；

L——發(fā)射、接收換能器中心間的距離/m；

tp——縱波在試件中行走的時(shí)間/s；

t0——儀器系統(tǒng)的零延時(shí)/s。

2 巖石試件聲波檢測(cè)的條件

在進(jìn)行巖石試件縱波測(cè)試時(shí),必須合理選擇巖石試件的尺寸和換能器的頻率,使巖石試件能被視為均勻無(wú)限體介質(zhì)。要把巖石試件視為均勻介質(zhì),就要求波長(zhǎng)大到可以忽略巖石顆粒等界面造成的各種影響；要把巖石試件看作無(wú)限體介質(zhì),則要求波長(zhǎng)與試件尺寸比小到某一數(shù)值,使波的傳播不受試件界面的影響。對(duì)于固定尺寸的巖石試件來(lái)說(shuō)，只要選擇換能器頻率,使聲波在巖石試件中傳播的波長(zhǎng)既能滿(mǎn)足無(wú)限體又能滿(mǎn)足均勻體的要求,就可以把巖石試件看作是均勻無(wú)限體介質(zhì)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定,換能器頻率要滿(mǎn)足以下要求

(2)

式中f——換能器發(fā)射頻率/Hz；

Vp——巖石縱波速度/(m/s)；

D——試件的直徑/m。

3 巖石試件縱波波速的影響因素

巖石本身的性質(zhì)是影響縱波波速大小的關(guān)鍵因素,其中包括巖石的礦物成分、化學(xué)成分、膠結(jié)物和膠結(jié)狀況、顆粒度、密度、孔隙率、天然裂隙、硬度和強(qiáng)度、風(fēng)化程度、變質(zhì)程度以及結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等,因而縱波在同種巖石中的傳播速度也有不同變化；同時(shí)在巖石試件縱波測(cè)試過(guò)程中,儀器設(shè)備、參數(shù)設(shè)置以及人員操作的影響因素也必須加以考慮。

3.1 縱波速度與巖性之間的關(guān)系

實(shí)踐表明,各類(lèi)巖石具有不同的縱波速度,同類(lèi)巖石由于受顆粒度、密度、孔隙率、天然裂隙、硬度、強(qiáng)度、風(fēng)化程度、變質(zhì)程度等因素的影響,測(cè)試值的離散程度不一。但是總的規(guī)律是：每一類(lèi)巖石具有代表性的縱波速度值和離散系數(shù)；大理巖的縱波速度一般高于閃長(zhǎng)巖和花崗巖；片巖、片麻巖的縱波速度,由于片理的影響,波動(dòng)較大,離散系數(shù)也大。

新鮮完整的巖石波速較高,風(fēng)化巖石波速較低,風(fēng)化越嚴(yán)重,波速就越低。這是由于風(fēng)化作用使巖石中的結(jié)構(gòu)面增加,且原有的礦物分解成次生的親水礦物,礦物或巖屑顆粒之間的連結(jié)狀態(tài),也由原來(lái)的結(jié)晶連結(jié)或膠結(jié)連結(jié)轉(zhuǎn)化為水膠連結(jié),較為松散,從而使聲波傳播時(shí)間增長(zhǎng),波速降低,而吸收衰減增大,波幅大大縮小,聲波在風(fēng)化巖石中的穿透能力也大為減弱。

任何一種巖石物理力學(xué)性能的檢測(cè)值都是在很大范圍內(nèi)變化的,因此巖性對(duì)縱波速度的影響不能進(jìn)行簡(jiǎn)單的滿(mǎn)意描述,本文僅就巖石密度與縱波速度的關(guān)系進(jìn)行分析,并對(duì)日常工作中檢測(cè)的部分種類(lèi)巖石的密度與縱波速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表1)。

從表1可以看出,巖石本身的性質(zhì)使得縱波在其中傳播的速度不同,但其變化卻在一定的范圍內(nèi),即在一般情況下,巖石的波速與巖石的密度呈正相關(guān)關(guān)系。在火成巖正常類(lèi)型巖系中,花崗巖的平均密度最低,縱波速度隨巖石基性度增加而增高；在變質(zhì)巖中,縱波速度受巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響很大；由于大部分沉積巖屬多孔介質(zhì),巖石的孔隙率以及孔隙內(nèi)填充物質(zhì)對(duì)波速的影響很大,沉積巖的縱波速度與火成巖相比變化范圍要大的多。

表1 不同巖石密度、縱波波速

3.2 測(cè)量?jī)x器

在工作中同時(shí)采用北京智博聯(lián)以及武漢巖海兩種不同儀器，測(cè)試各種不同類(lèi)型巖石的縱波波速,所測(cè)試的縱波波速的結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出,兩種儀器設(shè)備的測(cè)試結(jié)果基本接近,說(shuō)明采用不同設(shè)備,只要正確設(shè)置合理的參數(shù),測(cè)試結(jié)果都是準(zhǔn)確的。

表2 兩種儀器所測(cè)縱波波速統(tǒng)計(jì)

3.3 零延時(shí)t0的影響

由式(1)也可以看出零延時(shí)t0對(duì)巖石縱波波速計(jì)算的重要性。零延時(shí)t0是指儀器系統(tǒng)換能器的滯后時(shí)間,與耦合劑的種類(lèi)有很大的關(guān)系,是測(cè)試巖石縱波波速首先要標(biāo)定的重要參數(shù)。不同的儀器設(shè)備和耦合劑的零延時(shí)t0有所不同。因此，試驗(yàn)前最重要的準(zhǔn)備工作便是準(zhǔn)確測(cè)定其零延時(shí)t0。

3.4 不同人員影響因素的考慮

為了盡量較小測(cè)試人員所帶來(lái)的誤差,同一組試件由某單位測(cè)試后作為基準(zhǔn)值后又安排了兩組測(cè)試人員進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,測(cè)試巖石的縱波波速測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同測(cè)試人員測(cè)試的不同巖石的縱波波速

從表4可以看出,對(duì)于不同的測(cè)試人員,其帶來(lái)的測(cè)試結(jié)果誤差在允許范圍,幾乎可以忽略。

4 結(jié) 論

人員及儀器設(shè)備對(duì)巖石縱波波速測(cè)試結(jié)果的影響均較小,巖石本身的性質(zhì)是影響巖石縱波波速的最主要因素,這是造成巖石縱波波速測(cè)試值波動(dòng)較大的根本原因；另一方面,正是這種波動(dòng)性反應(yīng)了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)講,對(duì)于這種波動(dòng)性測(cè)試結(jié)果的認(rèn)可是提高工程勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提。

[1]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.TB10115—1998 鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,1998

[2]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.工程地質(zhì)試驗(yàn)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1982

[3]王讓甲.聲波巖石分級(jí)和巖石動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)的分級(jí)研究[M].北京：地質(zhì)出版社,1997