節(jié)理走向角度對彈性縱波波速衰減的影響研究

陳超

摘要：針對彈性波穿過節(jié)理時的衰減現(xiàn)象，研究節(jié)理走向角度對彈性縱波波速衰減的影響。充分考慮巖體自身的各向異性，設(shè)計更合理的試驗方案來探究波速的衰減規(guī)律。結(jié)果表明，巖體的各向異性會導(dǎo)致縱波波速也存在各向異性，不同巖性下波速差異值有所不同，在探究節(jié)理走向角度對波速衰減的影響時應(yīng)考慮此因素;當(dāng)充分考慮到這一影響時，不論節(jié)理走向角度如何，其存在均對彈性縱波波速有著一定的衰減作用，且波速隨節(jié)理走向角度的增大而線性遞減。

Abstract： In view of the attenuation phenomenon of elastic wave traveling through the rock joints， the influence of joint angles on the attenuation of elastic P-wave velocity was discussed. On the premise of fully considering and eliminating the influence of the anisotropy of rock mass on the existence of wave velocity， a more reasonable experiment is designed to analyze the attenuateon law of wave velocity. The results show： The anisotropy of rock mass leads to the anisotropy of elastic P-wave velocity， and the difference value of wave velocity under different lithologies is different. This factor should be considered when studying the influence of joint angles of strike on wave velocity attenuation. When the influence of anisotropy of rock mass on wave velocity is fully considered， its existence has a certain attenuation effect on the elastic P-wave velocity regardless of joint angles， and the wave velocity will decrease linearly with the increase of joint angles.

關(guān)鍵詞：彈性縱波;節(jié)理巖體;節(jié)理走向角度;各向異性

Key words： elastic P-wave;jointed rock mass;joint angles of strike;anisotropic

中圖分類號：TU452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0195-03

0? 引言

節(jié)理廣泛存在于自然巖體中，對巖體自身強度和動態(tài)力學(xué)特性有著重要的影響[1]。當(dāng)彈性波傳播至節(jié)理面時，會發(fā)生反射、透射等波動現(xiàn)象而導(dǎo)致能量的衰減，進一步影響其傳播速度。另一方面，節(jié)理的波動問題涉及到超聲波波速測試、工程爆破擾動、測震及仿震等眾多巖土工程[2]，在這樣一個地震頻發(fā)以及人們大量利用彈性波測試技術(shù)的背景下，探究節(jié)理特性對彈性波傳播衰減的影響已成為了國內(nèi)外學(xué)者廣為關(guān)注的重點課題。

Cengiz Kurtulus等[3]通過制作含一組平行節(jié)理和含一組不同方向節(jié)理的兩個長方體試塊并對其進行超聲波試驗，研究表明：含不同方向節(jié)理組的試塊對超聲波波速有著更大的的衰減作用;Luis Miranda等[4]用堆疊的花崗巖砌體充當(dāng)巖體和節(jié)理進行了聲波測試，研究了不同節(jié)理數(shù)量、節(jié)理幾何粗糙情況對彈性波波速的影響;Xiao lin Huang等[5]通過試驗研究了多個平行節(jié)理存在情況下超聲波穿過巖體時，透射率與正應(yīng)力、節(jié)理粗糙度、節(jié)理數(shù)和頻率之間的關(guān)系;韓嵩和蔡美峰[6]以三維各向異性介質(zhì)彈性波方程為理論基礎(chǔ)，制備出巖體物理模型并進行了超聲波波速測試，探究了巖體層理的走向?qū)Τ暡úㄋ俚挠绊?。Cha Minsu[7]針對波的大小、節(jié)理間距以及節(jié)理是否閉合對剪切波的傳播影響進行了試驗研究;趙安平等[8]通過將兩條花崗巖進行拼接從而組成試件的方式，探討了節(jié)理特性對應(yīng)力波傳播衰減的影響;Resmi Sebastian和T.G. Sitharam[9]通過制作砂巖圓柱試樣，并對其進行彈性波測試，結(jié)合3DEC數(shù)值模擬結(jié)果，探究了節(jié)理條數(shù)對彈性縱波和橫波波速衰減的影響。

從上述研究現(xiàn)狀中可以看出，目前針對各節(jié)理特性對彈性波波速的影響研究，探究節(jié)理條數(shù)、節(jié)理間距、節(jié)理表面粗糙度、節(jié)理充填介質(zhì)的性質(zhì)等節(jié)理特性對波速傳播衰減影響的研究較多，而針對不同節(jié)理走向角度對波速影響的研究較少，并且還未充分考慮和消除巖體各向異性對波速存在影響的這一因素，使得數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)較大的離散性。一般來說，即使是取自同一塊巖石的試件，巖體的波速也存在一定的差異，這種差異的大小與巖性有關(guān)，如果不能有效的考慮這種差異，再加上試驗中儀器和操作帶來的誤差，會對測試結(jié)果造成較大的影響。當(dāng)前已有研究人員[10-11]對這一方面進行了試驗研究，通過制備砂巖試件并進行了不同節(jié)理傾角下的波速測試，多采用波速分布統(tǒng)計的方法探究了節(jié)理傾角對波速衰減的影響，但波速的衰減程度并不明顯，也不能完全排除存在其他誤差的可能性。因此，本文以結(jié)構(gòu)更加致密的花崗巖作為試驗對象，設(shè)計更合理的試驗方案，在充分考慮巖體各向異性對波速影響的前提下探究了節(jié)理走向角度對波傳播衰減的影響。研究成果可以對波在節(jié)理的巖體中的衰減特性以及當(dāng)前彈性波測試技術(shù)在工程上的運用有著一定的參考意義。

1? 彈性縱波在節(jié)理巖體中傳播的波速理論

2? 節(jié)理走向角度對彈性縱波波速衰減影響的試驗研究

2.1 試件的選擇和制備

本文對完整巖體試件和節(jié)理巖體試件的選擇和制備分為三個步驟：

①選取同一產(chǎn)地的結(jié)構(gòu)面致密且晶粒純度較高的花崗巖作為研究對象，可以初步避免試樣內(nèi)部存在裂隙對試驗結(jié)果造成影響。

②制作5個尺寸為？準300mm×50mm圓柱試件模型。隨機確定各試樣中節(jié)理的位置，用標(biāo)記筆標(biāo)出，然后根據(jù)標(biāo)記好的節(jié)理位置確定不同角度波速測試時發(fā)接收探頭的位置，探頭與試件中心點位于同一直線上，且節(jié)理水平向之間的夾角α（代表走向角度）依次為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。最后對各試件進行各個角度的波速試驗，從中選擇1個各角度下波速差異較小的試件。

③切割完整試件并利用石膏對其進行粘接，制成節(jié)理巖體試件，節(jié)理厚度為試件切割所損失的厚度，約為1mm，完整巖體試件與節(jié)理試件如圖1所示。

試件制作完成之后，對不平整的地方進行細心打磨，以保證各端面的平行度及平整度，提高試件的規(guī)范程度以及波速測試時發(fā)接收探頭的易操作性，確保試驗結(jié)果更加準確。完整巖體及石膏節(jié)理的基本力學(xué)參數(shù)以及縱波波速值如表1所示。

2.2 波速試驗方案

本次試驗采用的是由康科瑞公司生產(chǎn)的NM-4B非金屬超聲檢測分析儀（如圖2），該智能化儀器應(yīng)用了超聲脈沖檢測技術(shù)，可以對混凝土、巖石陶瓷、石墨、塑料等非金屬材料和構(gòu)件進行無損檢測。它集超聲波發(fā)射、單通道同步接收、數(shù)字信號高速采集、聲參量自動檢測、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果實時顯示、數(shù)據(jù)存儲與輸出等功能于一身?？捎糜诓ㄋ贆z測、強度檢測、結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和裂縫檢測、勻質(zhì)性、損傷層厚度檢測及材料力學(xué)、物理性能檢測等。本次試驗則是利用其超聲法波速試驗?zāi)K對試件進行測試。

測試時，不同角度波速測試時發(fā)接收探頭的位置與試件的關(guān)系如圖3所示。對于波速的測試，采用500V的發(fā)射電壓，0.4μs的采樣周期，為消除測試過程中儀器及發(fā)、收換能器系統(tǒng)產(chǎn)生的聲延時，每次測試開始前或更換測試導(dǎo)線及換能器后都應(yīng)進行調(diào)零操作（零聲時的設(shè)置）。為避免發(fā)接收探頭與試件之間的微小裂隙給試驗結(jié)果帶來誤差，在探頭與巖石接觸處涂抹適量的凡士林作為耦合劑，減小接觸面之間的聲阻抗差和能量在該界面的反射損失，提高試驗結(jié)果的精確度。最后，由儀器測試系統(tǒng)記錄時間，然后根據(jù)式（4）計算出平均波速。

3? 試驗結(jié)果及分析

3.1 完整巖體試件波速分布規(guī)律

完整試件在不同測試角度下超聲波波速分布如圖4所示，由于重復(fù)測試時眾多波速值存在著一致的現(xiàn)象，所以波速分布圖上數(shù)據(jù)點發(fā)生了重疊。由圖4可知，不同測試角度下，超聲波波速存在著一定的各向異性，但普遍分布在4685-4825m/s之間，波速差異較小且屬于花崗巖縱波經(jīng)驗波速范圍3000-5000m/s[13]之內(nèi)。此外，也與彈性縱波在巖體中傳播的波速計算公式（3）計算出的理論波速值4555m/s結(jié)果相近。說明對此花崗巖巖樣的選擇滿足試驗要求，也進一步消除了波速的各向異性對實驗結(jié)果造成的影響。

3.2 節(jié)理巖體試件波速分布規(guī)律

不同節(jié)理走向角度下的超聲波波速分布如圖5所示。由圖5可知，完整花崗巖試件的波速各向異性相對于節(jié)理走向角度對波速的影響幾乎可以忽略不計，也進一步說明了對花崗巖試件的選擇很大程度消除了試件在各角度下測試的波速差異。當(dāng)節(jié)理存在時，不論其走向角度如何，對波速均有著一定的衰減作用。隨著巖體節(jié)理走向角度的增大，波速值大致呈現(xiàn)線性減小的趨勢。當(dāng)節(jié)理走向角度為90°時，波速衰減幅度最大，當(dāng)節(jié)理走向角度為0°時，此時波速值介于石膏節(jié)理波速與完整花崗巖試件波速范圍之間，此結(jié)果與前人的試驗結(jié)果以及提出的：在沉積巖中，平行層理的波速大于垂直層理的波速，在層理不明顯或結(jié)晶巖體中，沿節(jié)理裂隙方向的波速大于垂直節(jié)理裂隙方向的結(jié)論一致[14]。

4? 結(jié)論

①巖體的各向異性會導(dǎo)致縱波波速也存在各向異性，不同巖性下波速差異值有所不同，在探究節(jié)理走向角度對波速衰減的影響時應(yīng)考慮此因素;

②在充分考慮巖體各向異性對波速的影響前提下，不論節(jié)理走向角度如何，其存在均對彈性縱波波速有著一定的衰減作用;

③彈性縱波波速隨著節(jié)理走向角度的增大而線性遞減，與前人提出的結(jié)論相吻合。

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