含孔洞紅砂巖超聲波傳播特性研究*

饒昱貝 ，劉祖文，洪溢都

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州市 341099；2.江西理工大學(xué) 土木與測繪工程學(xué)院， 江西 贛州市 341099；3.中國科學(xué)院海西研究院 泉州裝備制造研究所， 福建 泉州市 362216)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源開采力度和開采深度的增加，巖土工程問題也隨之而來。已有研究表明，巖體在自然條件下，內(nèi)部存在各種宏觀缺陷（孔洞、裂隙），缺陷的幾何尺寸、形狀、分布等對巖土體的失穩(wěn)破壞有重大影響，故探究含孔洞巖體結(jié)構(gòu)特征對評價巖土工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要的實際工程價值[1-4]。

超聲波與巖土體相互作用時，通過分析波速、振幅、衰減系數(shù)及主頻等聲學(xué)參數(shù)的變化，可反演得到巖土體的物理力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)表征，進而解決各種巖土工程問題[5]。R.Agersborg等[6]研究提出，小孔隙對縱波速度的影響要大于橫波速度，而巖石礦物成分、孔隙類型和紋理均影響地震波的速度，其中孔隙度和紋理對波速起主要影響作用。M.Kumar等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)波長遠(yuǎn)大于孔洞尺寸時，只要考慮孔洞形狀對波速的影響，孔洞大小的影響可以忽略。G.T.Baechle等[8]研究發(fā)現(xiàn)，速度和小孔隙之間的相關(guān)性較好，與大孔隙的相關(guān)性較差。曹均等[9]通過對孔洞縫密度、孔洞材料等因素進行分析，指出孔洞縫密度變化時，地震波的動力學(xué)特征參數(shù)比運動學(xué)參數(shù)變化更敏感。李瓊等[10]分析認(rèn)為縫洞系統(tǒng)中單縫洞大小、形狀對聲學(xué)參數(shù)有顯著的影響，隨著孔洞縫密度的增加，振幅、主頻等動力學(xué)參數(shù)的變化幅度均比波速高兩個數(shù)量級。劉向君等[11]探究了不同孔洞密度模型的聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔洞密度上升時，超聲波波速、振幅都變小，且振幅變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波速變化幅度。

已有學(xué)者在超聲波傳播特性與巖體自身物理性質(zhì)方面做了大量的研究工作，但是目前關(guān)于超聲波傳播特性的研究大多集中于完整原巖及混凝土試樣中，但自然條件下巖體內(nèi)部存在各種宏觀缺陷，對含孔洞缺陷巖樣的超聲波特性分析還有待于進一步研究。本文采用原狀紅砂巖巖樣建立含不同孔洞尺寸、孔洞角度巖樣試件，分析了單孔洞下尺寸、角度單因素變量對超聲波傳播規(guī)律的影響，對評價巖體工程穩(wěn)定性具有重大的實際價值。

1 試驗方法

1.1 試驗材料和設(shè)備

為了真實反映深部地下工程中含孔洞巖體的結(jié)構(gòu)特征，研究含孔洞紅砂巖的超聲波響應(yīng)特性，本試驗試樣全部采用贛南地區(qū)地下砂巖原狀試樣，將試驗試件制作成徑高尺寸為50 mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件。

本次試驗采用 HS-YS2A型巖石聲波測試系統(tǒng)，主要包含超聲波發(fā)射裝置、接收裝置和數(shù)據(jù)采集器等。

1.2 模型與試驗方案

選擇直徑5，10，15，20 mm的鉆頭對不同尺寸試件進行打孔，孔洞分布在試樣側(cè)面中心位置，共鉆取4組試樣，分別命名為a（5 mm）、b（10 mm）、c（15 mm）、d（20 mm）組。選擇10 mm的鉆頭對試件進行不同角度的打孔，孔洞形狀為橢圓形，橢圓形長軸為20 mm，短軸為10 mm，共鉆取5組試樣，分別命名為 e（0）、f（30°）、g（45°）、h（60°）、i（90°）組。試樣共9組，每組均為3個巖樣，共加工27個圓柱形巖樣。

主要研究紅砂巖中的孔洞尺寸和孔洞角度對超聲波傳播規(guī)律的影響。在常溫常壓條件下，選用頻率為100 kHz換能器，對干燥后的27個紅砂巖巖樣在打孔前后分別進行超聲波測試。用超聲檢測儀記錄下不同孔洞尺寸巖樣的波速、波形。

1.3 試驗過程與數(shù)據(jù)處理

試驗過程中由發(fā)射裝置輸出電脈沖，接收裝置探頭將接收的微量訊號放大至顯示屏上，模數(shù)轉(zhuǎn)換后在屏幕上顯示出波形，同時可直接測得從發(fā)射到接收的時間間隔t。換能器（聲波測試探頭）由發(fā)射換能器和接收換能器組成，其主要功能是進行電能和聲能的信號轉(zhuǎn)換，即將聲波儀輸出的電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡埽驅(qū)⒙暡苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦栞斎氲浇邮昭b置。為了使換能器很好地與測試材料耦合，在測體上進行聲波測試時，一般用耦合劑將換能器端面緊貼于測試材料，本次試驗中用凡士林作為耦合劑。由已知的測試材料距離L，計算出超聲波在測試材料中傳播的波速V，即V＝L/t。試驗原理如圖1所示。

圖1 試驗原理

2 超聲波響應(yīng)特性分析

2.1 不同孔洞尺寸巖樣超聲波響應(yīng)特性分析

采用HS-YS2A型巖石聲波參數(shù)測試儀對打磨加工好的巖樣進行超聲波測試，采集測試頻率下100 kHz的縱波波速、聲波首波幅值，并計算衰減系數(shù)。

當(dāng)巖樣完整時，超聲波波速變化幅度不大；當(dāng)巖樣打孔后，由于孔洞中存在空氣介質(zhì)，巖樣整體處于非均質(zhì)狀態(tài)，波速略微下降；隨著孔洞尺寸的增大，超聲波波速變化幅度較小，規(guī)律并不明顯，孔洞尺寸對波速幾乎無明顯作用。說明孔洞會導(dǎo)致超聲波波速減小，但是孔洞尺寸的變化不會導(dǎo)致首波速度的改變。首波速度只通過最早抵達的那條路徑計算，即使巖樣中心傳播路徑被截斷，但孔洞兩邊的路徑仍按原路徑正常傳播，首波到達時間與完整巖樣時基本保持一致。

取每組巖樣試驗的平均值，得到首波幅值差值變化規(guī)律如圖2所示。隨著孔洞尺寸的增加，打孔前后首波幅值的衰減量呈線性增大趨勢。當(dāng)孔洞尺寸為5 mm時，幅值下降了73 mV；當(dāng)孔洞尺寸為10 mm時，幅值下降了95 mV；當(dāng)孔洞尺寸為15 mm時，幅值下降了125 mV；當(dāng)孔洞尺寸為20 mm時，幅值下降了 142 mV。對其變化規(guī)律采用一次函數(shù)進行擬合，首波波幅差值與孔洞尺寸的線性關(guān)系表達式為：y＝4.74x+49.5。

圖2 不同孔洞尺寸巖樣打孔前后首波幅值差值

當(dāng)超聲波穿過含孔洞、裂隙等缺陷巖體時，會發(fā)生繞射、散射、反射等現(xiàn)象，這是由于孔洞對聲波的反射或吸收，超聲波衰減比完整巖樣大，即接收信號的波幅下降。所以可以通過接收波幅的上升或下降，推斷缺陷的存在和巖石內(nèi)部的損傷情況。在實際巖土工程中，可以通過首波波幅的變化情況來判斷巖石缺陷情況，因為首波能夠真實反映巖石內(nèi)部情況，而后續(xù)抵達的聲波是一次聲波和二次聲波的組合，不能真實反映巖石缺陷情況。

根據(jù)首波幅值計算衰減系數(shù)，可知孔洞尺寸的變化對衰減系數(shù)有顯著影響。當(dāng)孔洞尺寸為 5～20 mm時，隨著孔洞尺寸的加大，衰減系數(shù)整體呈線性上升的趨勢。這是由于巖體內(nèi)孔洞的存在，孔洞內(nèi)空氣和巖體不同，介質(zhì)間聲阻抗不同，即聲波傳播至孔洞界面時，超聲波在孔洞界面產(chǎn)生反射、散射現(xiàn)象，導(dǎo)致超聲波能量衰減。隨著孔洞尺寸的增大，影響超聲波傳播的孔洞體積也不斷增加，巖石聲波能量衰減增多，導(dǎo)致衰減系數(shù)逐漸上升。

2.2 不同孔洞角度巖樣超聲波響應(yīng)特性分析

當(dāng)孔洞角度為 0～90°時，隨著孔洞角度的增加，打孔前后縱波波速衰減量的變化規(guī)律并不明顯。取每組巖樣試驗的平均值，得到首波幅值差值變化規(guī)律如圖3所示，隨著孔洞角度的增加，打孔前后首波幅值的衰減量呈線性增大趨勢。當(dāng)孔洞角度為0時，幅值下降了105 mV；當(dāng)孔洞角度為30°時，幅值下降了114 mV；當(dāng)孔洞角度為45°時，幅值下降了125 mV；當(dāng)孔洞角度為60°時，幅值下降了128 mV；當(dāng)孔洞角度為90°時，幅值下降了141 mV。波幅差值與孔洞角度之間呈線性關(guān)系，對其變化規(guī)律采用一次函數(shù)進行擬合，波幅差值與孔洞角度的線性關(guān)系表達式為：y＝0.407x+104.3。

圖3 不同孔洞角度巖樣打孔前后首波幅值差值

根據(jù)首波幅值計算衰減系數(shù)，可知橢圓孔洞角度的改變對巖樣超聲波衰減系數(shù)也有較大影響。當(dāng)孔洞角度在0～90°范圍內(nèi)時，衰減系數(shù)差值與孔洞角度之間呈線性正比關(guān)系。隨著孔洞角度的增加，垂直于超聲波傳播方向上的孔洞面積增加，超聲波在遇到孔洞后發(fā)生的反射、繞射、散射增強，使得超聲波在巖樣中的傳播時間增加，能量在巖樣中的衰減越多，衰減系數(shù)隨之增大。

對比各聲學(xué)參數(shù)變化規(guī)律表明，巖樣打孔后超聲波首波幅值的變化規(guī)律比波速的變化規(guī)律明顯，即不同孔洞尺寸和角度巖樣對首波幅值和衰減系數(shù)的影響比對速度的影響要大，且?guī)r樣打孔前后超聲波幅值、衰減系數(shù)的差值變化趨勢相同。

3 結(jié)論

本文完成了含孔洞紅砂巖的超聲波波速、波幅、衰減系數(shù)參數(shù)的試驗測試分析，研究了孔洞參數(shù)與超聲波聲學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，得到如下結(jié)論。

（1）隨著孔洞尺寸和孔洞角度的增加，超聲波波速、首波幅值均下降，衰減系數(shù)增大。

（2）波速對孔洞敏感度較差，首波幅值、衰減系數(shù)對孔洞較敏感，首波幅值與衰減系數(shù)的差值變化趨勢相同。