絹云母片巖波速影響因素研究

何 勇，李天斌，孟陸波，唐 林

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

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

1 試驗方法

巖體聲波測試采用的儀器為FDP204SW型超聲波測試儀及其配套的縱橫波換能器。室內(nèi)測試巖塊規(guī)格為5 cm×5 cm×10 cm的長方體;室外巖體為開挖邊坡面上長約15～35 cm的不同風化程度和不同節(jié)理發(fā)育程度的巖體。測試時采用直透法，人工鑿平兩端面，并對測試部位進行詳細描述。工程區(qū)主要巖體為絹云母片巖，片理面對巖體力學參數(shù)起主要作用，因此本次巖體波速測試方向為平行片理面，測試時同時測量巖體的縱、橫波速度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水對波速的影響

為了研究水對工程區(qū)絹云母片巖波速的影響，在室內(nèi)進行了天然和飽水狀態(tài)下的波速測試，并對不同飽水時間下的巖塊進行了對比分析。巖樣水理性質(zhì)測試結(jié)果見表1，波速測試結(jié)果見圖1。

表1 絹云母片巖水理性質(zhì)測試結(jié)果

由測試結(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%?？梢娝畬佋颇钙瑤r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，飽水20 d后下降趨勢更加明顯，且總體橫波速度較縱波速度下降幅度大。

通過分析可知，飽水對巖體縱橫波速度有降低作用。由于水對巖樣波速的影響主要決定于巖石的孔隙率和軟硬程度，因此綜合分析原因為:①巖樣屬致密巖體，吸水率較低，水對空隙充填的影響較小，水對致密巖樣波速的影響較不敏感;②絹云母片巖片理面力學性質(zhì)相對較差，在水的長期作用下，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，飽水時間越長降低越明顯，具有明顯的時間效應。

圖1 不同飽水時間對波速影響曲線

2.2 節(jié)理對波速的影響

工程巖體由于經(jīng)受過復雜的地質(zhì)歷史過程，節(jié)理、裂隙一般較為發(fā)育。節(jié)理、裂隙對巖體質(zhì)量有較大的影響，聲波穿過時將會發(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試數(shù)據(jù)的基礎上，選擇同一風化程度同一測試段的巖體，對其節(jié)理發(fā)育程度與波速關(guān)系進行分析(本文所統(tǒng)計節(jié)理均為閉合狀態(tài))。由圖2和圖3可知，在同一風化程度下，節(jié)理條數(shù)與波速并無明顯關(guān)系，但對同一風化程度下同一節(jié)理條數(shù)的波速，剔除明顯異常點后統(tǒng)計平均值，作相關(guān)曲線可知，平均波速與節(jié)理條數(shù)存在一定的相關(guān)關(guān)系(圖4和圖5)。由圖可知，弱風化條件下平均波速與節(jié)理條數(shù)具有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均為0.95;而強風化條件下平均波速與節(jié)理條數(shù)也具有一定的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較弱風化條件下差，相關(guān)系數(shù)分別為0.73和0.67。

圖2 弱風化巖體波速與節(jié)理條數(shù)關(guān)系

圖3 強風化巖體波速與節(jié)理條數(shù)關(guān)系

圖4 弱風化巖體平均波速與節(jié)理條數(shù)關(guān)系

圖5 強風化巖體平均波速與節(jié)理條數(shù)關(guān)系

通過分析可知，弱風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;而強風化條件下，由于風化對巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分等均有較大的影響，因此波速同時受到風化程度和節(jié)理發(fā)育程度的影響，平均波速與節(jié)理條數(shù)相關(guān)關(guān)系相對較差。

2.3 風化程度對波速的影響

為了研究風化程度對波速的影響，本文對同一測試段同一節(jié)理條數(shù)下不同風化程度的巖體平均波速進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2。

表2 絹云母片巖不同風化程度下平均波速統(tǒng)計

由表2可知，在相同節(jié)理條數(shù)下強風化巖體比弱風化巖體波速低，且降低幅度較大?？v波最大降幅達28.31%，平均降幅約13.87%;而橫波最大降幅達38.19%，平均降幅約19.52%。說明風化對巖體波速有較為明顯的影響，且風化程度對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)過長期飽水后下降趨勢更明顯，具有明顯的時間效應，且橫波較縱波更為敏感。

2)節(jié)理對波速無明顯的影響，但平均波速與節(jié)理條數(shù)具有一定的相關(guān)關(guān)系。弱風化條件下相關(guān)性較好，強風化條件下相關(guān)性較差，這是由于波速同時受到風化程度和節(jié)理發(fā)育程度的影響。

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

4)對影響絹云母片巖聲波速度主要因素的綜合分析，有利于正確運用聲波資料，準確評價工程巖體，合理進行參數(shù)取值。

［1］趙奎，萬林海，饒運章，等．基于聲波測試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應用［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(11):1804-1809．

［2］趙明階，吳德倫．工程巖體的超聲波分類及其強度預測［J］．巖石力學與工程學報，2000，19(1):89-92．

［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，2004，25(9):1353-1356．

［4］馬中高，解吉高．巖石的縱、橫波速度與密度的規(guī)律研究［J］．地球物理學進展，2005，20(4):905-910．

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