層狀巖體超聲波測(cè)試技術(shù)的研究

■徐 珂 ■九江學(xué)院土木與城市建設(shè)學(xué)院，江西 九江 332005

層狀巖體是由不同厚度、巖性及成分的多種巖石組合而成的天然巖層，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期下，巖體內(nèi)部出現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)面和微細(xì)觀損傷，因此層狀巖體與單一巖石的特性十分不同。

巖體介質(zhì)超聲波測(cè)試技術(shù)是以人工激振的方式向混凝土、巖體、巖石等介質(zhì)發(fā)射超聲波，然后在另一端接收介質(zhì)物理超聲波，通過(guò)測(cè)定出超聲波穿透巖體后聲波信號(hào)中的聲學(xué)參數(shù)(包括超聲波波速、波形、頻率、頻譜、振幅、衰減系數(shù)等)的變化，間接地反映出巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、物理力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)的不同。超聲波測(cè)試技術(shù)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)無(wú)損，在簡(jiǎn)單巖體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)、巖土體動(dòng)彈性參數(shù)測(cè)試和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面得到廣泛應(yīng)用［1］。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用RSM-SY5數(shù)字式聲波儀，由計(jì)算機(jī)、聲波儀、縱波發(fā)射換能器、縱波接收換能器四個(gè)部分組成?？紤]電子線路本身的延遲時(shí)T0，以聲傳播某一固定距離L所需時(shí)間T為前提，所測(cè)計(jì)算超聲波在不同長(zhǎng)度試件中的傳播速度：

式中：v——聲波波速 L——-試件的縱向尺寸

T——超聲波穿過(guò)電子線路及試件的總延遲時(shí)間

To——電子線路本身的延遲時(shí)間

1．2 試驗(yàn)步驟

(1)制作試件。實(shí)驗(yàn)根據(jù)《工程巖土實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-99)，選用石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖三種巖石，切割打磨成直徑50mm，高33mm和直徑50mm，高100mm的圓柱形試件，將三個(gè)33mm試樣用502粘結(jié)劑粘結(jié)形成層狀巖石，制作四組試樣分別為石灰?guī)r試樣、玄武巖試樣、花崗巖試樣和層狀巖試樣，每組三個(gè)；

(2)試件要求。根據(jù)《工程巖土實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-99)要求試件兩端面不平整度誤差≤0.05mm；沿試件直徑、高度的誤差≤0.3mm；端面與試件軸線相垂直，且最大偏差不大于0.25°

(3)試驗(yàn)方法。①測(cè)出在天然狀態(tài)下巖石試件的密度；②將試件放在RSM-SY5數(shù)字式聲波儀的兩個(gè)探頭之間，一端是脈沖聲波源發(fā)射器，另一端是脈沖聲波源接收器。試件與探頭之間用漿糊作耦合劑(為了將聲能充分輻射到介質(zhì)中去，在被測(cè)試件和換能器之間使用耦合劑，以更好發(fā)揮換能器的聲電效率)，接收的聲波全部經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)采集處理，以測(cè)量出自然狀態(tài)下巖石試件的縱波速度。讀數(shù)時(shí)要讀出聲波波形的起跳點(diǎn)、讀取聲時(shí)、讀出縱波波速；③更換試件重復(fù)步驟3次；④巖石試件的縱波速度為3次計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)得天然狀態(tài)下層狀巖體試件的縱波波速、天然密度結(jié)果(部分?jǐn)?shù)據(jù))為：

(1)層狀巖1，天然密度=2.75(g/cm3)，縱波波速=4.253(km/s)

(2)層狀巖2，天然密度=2.78(g/cm3)，縱波波速=4.328(km/s)

(3)層狀巖3，天然密度=2.77(g/cm3)，縱波波速=4.296(km/s)

計(jì)算出石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖和三者組成的層狀巖體的平均縱波波速分別為：

①V石灰 =4.742km/s；②V玄武 =5.515km/s；③V花崗 =3.408km/s；④V 層狀 =4.296km/s；

對(duì)于同一巖性的巖石，其天然密度越大，巖石完整性越好，結(jié)構(gòu)越致密，聲波縱波速度則越大。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖和層狀巖體的縱波波速分別為4.742km/s5.515km/s、3.408km/s和4.296km/s，從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)縱波波速值中玄武巖最大、石灰?guī)r次之、花崗巖最小，層狀巖體則介于三者之間。

由于有結(jié)構(gòu)面的存在，在結(jié)構(gòu)面處有很多節(jié)理面、裂隙面的存在會(huì)改變巖石的應(yīng)力狀態(tài)分布，引起波速的減小。

聲波在垂直方向傳播穿過(guò)水平結(jié)構(gòu)層時(shí)，層間的孔隙、裂隙、縫隙對(duì)聲波會(huì)有一定的吸收作用，因此理論上聲波穿過(guò)石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖組合而成的層狀巖體的縱波波速應(yīng)為4371m/s，而實(shí)測(cè)波速卻為4293m/s。

［1］趙明階，徐蓉.巖石聲學(xué)特性研究現(xiàn)狀及展望［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，6(19)，79.

［2］徐鳴潔，鐘鍇，俞縉，等.南京地鐵工程勘查中聲波測(cè)試與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6)：1018-1024.

［3］彭蘇萍，謝和平，何滿潮，等.沉積相變巖體聲波速度特征的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16)：2831-2837.

［4］孫國(guó)清.原位聲波測(cè)試法在巖體力學(xué)性質(zhì)研究中的應(yīng)用［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(2)：5-8.

［5］蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002∶351-352.