工程巖體橫波頻率及振幅的衰減特性

丁梧秀,王鴻毅

(洛陽理工學(xué)院土木工程系,河南洛陽 471023)

0 前言

巖體通常是非均質(zhì)的和不連續(xù)的集合體,不同巖性具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)。由于巖體彈性波波速與巖體的性質(zhì)和狀態(tài)之間存在著依賴關(guān)系,因此可以利用巖體彈性波波速進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)分類、巖體質(zhì)量評價、巖體風(fēng)化帶劃分,以及進(jìn)行巖體破裂程度、裂隙度、含水量和應(yīng)力狀態(tài)評價等[1-9],巖體彈性波的運(yùn)動學(xué)參數(shù)——波速也已經(jīng)成為評價巖體質(zhì)量的可行性方法之一[8-10]。上述成果主要從彈性波傳播的運(yùn)動學(xué)范疇出發(fā),對彈性波波速在巖體工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

近年來隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大,如舉世矚目的“三峽工程”、“南水北調(diào)”水利工程、“西氣東輸工程”等,以及核廢料地下處置、地下能源儲存、地?zé)衢_發(fā)、石油、天然氣的開采等,對巖體的應(yīng)用、開發(fā)范圍不斷深入,但是在彈性波的應(yīng)用方面,巖石力學(xué)的發(fā)展卻滯后于工程應(yīng)用。如已有試驗(yàn)結(jié)果表明,波的動力學(xué)特征如波的衰減的變化量對巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì)量的反映比波速的變化更加靈敏,相同的巖塊在相同的加載下波的衰減的變化量大于波速的變化量[1-2],但是由于對波的衰減理論研究的相對不足,對波的衰減的應(yīng)用遠(yuǎn)不如波速的應(yīng)用廣泛,在國家頒發(fā)的有關(guān)規(guī)范中亦沒有得到應(yīng)用。因此,論文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,對巖體彈性波的動力學(xué)特征如頻率及振幅衰減特性與工程巖體質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,研究方法及結(jié)果對于合理評價工程巖體具有實(shí)際工程意義和指導(dǎo)作用。

本文針對不同質(zhì)量工程巖體彈性橫波的傳播特點(diǎn),對巖體的橫波頻率及振幅衰減特性進(jìn)行研究,分析橫波波速與其頻率及振幅衰減特性之間的變化規(guī)律,嘗試給出利用橫波頻率和衰減系數(shù)進(jìn)行巖體質(zhì)量評價及分級的建議值。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)資料均為黃河上游水電工程壩基巖體的彈性波試驗(yàn)結(jié)果,包括巖體縱波速度 VP、橫波速度 VS、橫波頻率 fS、橫波衰減系數(shù) a0等參數(shù),共 28個測段,具體如表1所示。試驗(yàn)點(diǎn)分別位于黃河上游李家峽壩基巖體、小觀音壩基巖體和大柳樹壩基巖體,三壩址巖性均為變質(zhì)巖,其中大柳樹壩基巖體為受地震破壞的松動巖體[11]。由表1可知:大柳樹巖體大部分測段縱波速度小于 3 000m/s,僅個別測段大于3 000 m/s,且無大于 4 000m/s的測段,僅以結(jié)構(gòu)特征劃分,大柳樹壩基巖體應(yīng)屬于碎裂結(jié)構(gòu)。李家峽、小觀音兩壩址巖體少量為強(qiáng)、弱風(fēng)化,大多為微風(fēng)化或新鮮巖體。

表1 黃河上游三個壩址巖體彈性波試驗(yàn)結(jié)果

2 橫波頻率fS與速度VS的關(guān)系

橫波頻率 fS指巖體自身的橫波主振頻率,它與震源條件即擊發(fā)環(huán)境、擊發(fā)方式無關(guān)。這是因?yàn)槿魏我环N激振方式振動初起都有很大的頻率范圍,即高、中、低各種頻率均有,所以起振開始階段,振動圖不規(guī)整,波運(yùn)行一段后高頻成分因?yàn)槟芰繐p失快而消失,較低頻率成分存在而繼續(xù)向前傳播,穩(wěn)定后的頻率是反映巖體性質(zhì)的主振頻率,表1中的頻率值即是其主振頻率。由表1可得圖1所示的 VS-fS關(guān)系圖。從表1及圖1可以看出,研究區(qū)內(nèi)巖體的VS值最大為3 000 m/s,相應(yīng)地 fS值為 900 Hz;當(dāng)VS大于 2 000 m/s即巖體質(zhì)量較好時頻率對速度的響應(yīng)非常敏感,速度增加時頻率隨之增大,近于直線關(guān)系。VS小于2 000 m/s即巖體質(zhì)量差時,fS值降低到僅200 Hz左右,此時fS值基本不隨VS的變化而變化,穩(wěn)定在200 Hz左右,圖1中的散點(diǎn)圖呈水平狀。

從上述結(jié)果還可以看出,當(dāng)波速相差 1.5倍時,頻率卻相差 4.5倍,說明頻率對巖體質(zhì)量的反應(yīng)更明顯。

3 橫波振幅衰減規(guī)律分析

巖體為粘彈性介質(zhì),彈性波的振動為非簡諧振蕩,即以振動形式向前傳播的彈性波能量將被逐步吸收而振幅逐步減小。實(shí)踐證明,振幅的變化規(guī)律與巖體質(zhì)量有密切的關(guān)系,通常用衰減系數(shù) a0來表示振幅的變化。衰減系數(shù)計算公式:

式中:A1為波運(yùn)行某一時刻振幅,mm;A2為波由A1運(yùn)行△x距離時的振幅,mm;A1和A2可以由振動圖直接量取。△x為波由振幅A1到A2時傳播的距離,顯然:△x=Vs(tA2-tA1),mm;a0單位為mm-1。

根據(jù)式(1)計算表1各測段不同風(fēng)化程度巖體的衰減系數(shù)如表1所示。由表1可得圖2所示的VS-a0關(guān)系圖。由表1和圖2可知:巖體橫波速度 VS小于2 000m/s即巖體質(zhì)量差時,波的振幅衰減很快波能量消耗很大,即 a0值較大,大于 0.05 mm-1。大柳樹巖體為地震破壞的松動巖體,橫波速度大多小于2 000m/s,a0值基本為0.1左右;當(dāng)VS大于2 000m/s即巖體質(zhì)量較好時,a0值突降變小;當(dāng)VS大于2 500 m/s時,a0值小于等于0.02,最后基本穩(wěn)定在0.01左右。

4 工程巖體質(zhì)量分級評價建議值

根據(jù)巖體風(fēng)化程度劃分時采用的縱波速度值,并結(jié)合三壩址巖性等工程地質(zhì)情況,研究區(qū)巖體縱波速與巖體風(fēng)化程度的大致關(guān)系如表2所示。

由表1和表2可以得出研究區(qū)巖體橫波速與巖體風(fēng)化程度的關(guān)系如表3所示。

表2 研究區(qū)巖體縱波速與巖體風(fēng)化程度關(guān)系

表3 研究區(qū)巖體橫波速與巖體風(fēng)化程度關(guān)系

由圖1橫波速度VS與頻率fS的關(guān)系及圖2橫波速度VS與衰減系數(shù)a0的關(guān)系和表3,給出根據(jù)橫波頻率及衰減系數(shù)進(jìn)行巖體分級評價的建議值如表4所示。

表4 根據(jù)橫波頻率及衰減系數(shù)進(jìn)行巖體質(zhì)量分級評價建議值

5 結(jié)論

(1)橫波頻率、振幅衰減對不同質(zhì)量工程巖體有極好的響應(yīng),呈有規(guī)律的變化。

(2)工程巖體質(zhì)量差時,其橫波頻率很低,大致約為 200 Hz甚至更低;巖體質(zhì)量較好時頻率對速度的響應(yīng)非常敏感,速度增加時頻率隨之增大,近于直線關(guān)系。

(3)巖體質(zhì)量差時,橫波振幅快速衰減,衰減系數(shù)可達(dá) 0.1;巖體質(zhì)量較好時,衰減系數(shù)突然變小;至完整或新鮮巖體時,衰減系數(shù)基本穩(wěn)定在 0.01左右。

(4)根據(jù)研究區(qū)縱、橫波速及橫波速與其頻率、衰減系數(shù)的關(guān)系,給出了利用橫波頻率及衰減系數(shù)進(jìn)行工程巖體質(zhì)量分級評價的建議值。

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