利用振動(dòng)法定量評(píng)價(jià)工程巖體的完整性

張一林,侯興民,孫 蒙

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,煙臺(tái) 264005)

巖體工程波速測(cè)試技術(shù)近年來在水電、道橋、隧道等工程領(lǐng)域的勘測(cè)中應(yīng)用廣泛,測(cè)試結(jié)果可以反映巖體的力學(xué)特性和動(dòng)力參數(shù),已經(jīng)成為工程地質(zhì)勘測(cè)、評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量、劃分巖體種類的主要方法之一[1]。巖體工程波速測(cè)試技術(shù)近年來越來越受到工程技術(shù)人員的重視和應(yīng)用,在《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)[2]、《巖土工程勘測(cè)規(guī)范》(GB 50021—2001)[3]等中都有對(duì)巖體波速測(cè)試的明確規(guī)定。

在工程勘測(cè)中,橫波波速Vs、縱波波速Vp、巖體的完整性系數(shù)Kv等都是對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要參數(shù),其中巖體縱波速度Vp是指一定空間范圍內(nèi)縱波在巖體中傳播的速度。目前在工程中巖體縱波波速一般通過地震波測(cè)試法或孔內(nèi)聲波測(cè)試等方法獲得,其中超聲波測(cè)試法在測(cè)量破碎或較破碎巖體時(shí)由于工作頻帶窄,因此測(cè)量誤差較大。巖體的完整性程度差異可以根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014)[4](以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)定性或定量確定,較普遍使用的巖體的定量指標(biāo)有巖體的完整性系數(shù)Kv、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv等。

張同億等[5]采用小波方法對(duì)強(qiáng)震記錄進(jìn)行了調(diào)整,提出了一種時(shí)程分析地震波調(diào)整的實(shí)用方法；閆長斌等[6]通過研究巖體爆破對(duì)聲波速度的影響,分析了聲波能量衰減和頻率特征的變化,更好地接收了巖體聲波信號(hào)攜帶的豐富信息；楊川丁[7]對(duì)地震波法中的適用對(duì)象和地震波的選取等兩個(gè)原則提出了新的問題和解決方法,對(duì)工程設(shè)計(jì)人員和科研工作者有一定的借鑒意義；周元輔等[8]通過對(duì)現(xiàn)有研究與GIS系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了基于縱波波速的塊狀巖體GIS系統(tǒng),可以更為準(zhǔn)確地反映一定深度內(nèi)的巖體特征；Basarir[9]通過鉆孔數(shù)據(jù)建立了巖體的縱波波速的預(yù)測(cè)模型。

巖體中的主要造巖礦物和其他礦物的復(fù)雜組合導(dǎo)致了巖體的非均勻性[10],地震波測(cè)試并未考慮到巖體內(nèi)部的裂紋和軟弱結(jié)構(gòu)面等影響因素。針對(duì)此問題,在淺層鉆孔中激發(fā)振動(dòng)波信號(hào),利用巖體表面上的多個(gè)拾振器求得不同部位的巖體縱波波速并計(jì)算巖體的完整性系數(shù)Kv,提出一種利用振動(dòng)法定量評(píng)價(jià)巖體完整性的方法,并結(jié)合某巖體工程算例,與巖體的完整性程度的定性劃分的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 定量評(píng)價(jià)原理

根據(jù)彈性波原理,巖體縱波的波速方程為

(1)

式(1)中:Vpm為巖體的縱波波速；λ為梅拉常數(shù)；G為剪切模量；Ed為動(dòng)彈模量；μ為泊松比；ρ為巖體密度。因此巖體縱波波速不僅與巖性相關(guān),還與巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、風(fēng)化程度、地應(yīng)力及巖體滲透性等有關(guān)。

巖體超聲波縱波測(cè)試技術(shù)主要是利用單孔“一發(fā)雙收”方法完成的,測(cè)試裝置由一個(gè)發(fā)射換能器和兩個(gè)接收換能器組成[11]。對(duì)巖體進(jìn)行鉆孔后將發(fā)射換能器放于鉆孔中,發(fā)射換能器T發(fā)射超聲波,超聲波沿巖體傳播后分別被換能器R1和R2接收,利用傳播距離和接收時(shí)間的關(guān)系計(jì)算縱波波速,工作原理如圖1所示。聲波法測(cè)試時(shí)對(duì)鉆孔的要求、換能器和孔壁的貼合程度等要求較高、測(cè)試復(fù)雜、試驗(yàn)成本高、測(cè)試的范圍較小,且工作頻段窄、測(cè)量低頻振動(dòng)時(shí)誤差較大,測(cè)試距離短,使破碎或較破碎巖體的測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。

圖1 超聲波法工作原理Fig.1 Principle of ultrasonic method

地震波法在距巖體表面1～3 m處的鉆孔中布置傳感器,在地表通過人工振源等方式激振,激振處的巖體質(zhì)點(diǎn)將振動(dòng)以彈性波的形式傳遞給相鄰的質(zhì)點(diǎn),這種質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的傳遞即為地震波的傳播過程[10]?？變?nèi)傳感器接收到振動(dòng)信號(hào)后利用振源位置和傳感器位置的三角關(guān)系計(jì)算縱波的傳播距離后求得縱波波速。地震波法實(shí)測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2 地震波法實(shí)測(cè)示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of seismic wave method

但巖體并不是一種連續(xù)的介質(zhì),采用地震波測(cè)試法激振后產(chǎn)生的地震波從一種巖層入射到不同的巖層時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射及能量的衰減現(xiàn)象。能量衰減程度不僅受傳播介質(zhì)的材料性質(zhì)、界面的貼合程度有關(guān),且與地震波傳播方向與層面的夾角有關(guān)系。所以地震波在巖體中并不能確定為沿直線傳播,測(cè)試結(jié)果存在一定的誤差。振源激發(fā)的地震波中含有各種頻率成分,是一種寬頻帶波,在傳播過程中由于破碎帶和裂隙的高頻濾波作用,振動(dòng)的高頻成分被逐漸吸收,振動(dòng)頻率的主頻向低頻方向移動(dòng),低頻信號(hào)的傳播距離更遠(yuǎn)[12-13]。地震波測(cè)試法大部分采用爆破振源和低頻或中頻傳感器,地震波信號(hào)在傳播中易丟失或無法接收。

利用振動(dòng)法測(cè)量巖體的縱波波速,區(qū)別于地震法測(cè)試中的地表激振和孔內(nèi)接收,對(duì)巖體進(jìn)行鉆孔勘探后在淺層鉆孔處進(jìn)行激振,將近地表處的巖體看作較完整的均勻彈性介質(zhì)來考慮,在巖體表面沿同一方向布置多個(gè)超低頻拾振器,確保能接收到激振產(chǎn)生的低頻信號(hào),同時(shí)可實(shí)現(xiàn)巖體的分段波速計(jì)算。振動(dòng)法測(cè)試中激振點(diǎn)和拾振器的垂直距離較近,且振動(dòng)波經(jīng)過的層面、裂隙較少,因此可將地震波的傳播路徑看作直線進(jìn)行計(jì)算,振動(dòng)法實(shí)測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 振動(dòng)法實(shí)測(cè)示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of vibration method

每組各拾振器起跳點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間具有延時(shí)性,可利用互相關(guān)原理計(jì)算波形之間的相位差,互相關(guān)函數(shù)表示兩個(gè)不同的信號(hào)x(n)和y(n)在不同的時(shí)間內(nèi)的相關(guān)程度,x(n)和y(n)的相關(guān)系數(shù)定義為:使用相關(guān)系數(shù)來描述兩個(gè)信號(hào)x(t)和y(t)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)定義為

(2)

式(2)中：μx、μy分別為兩信號(hào)的均值；E為數(shù)學(xué)期望；E{[x(t)-μx][y(t)-μy]}是兩個(gè)信號(hào)波動(dòng)量之積的數(shù)學(xué)期望；σx、σy分別為兩信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差,是信號(hào)方差的平方根,兩信號(hào)方差定義為

(3)

(4)

方差反映了信號(hào)繞均值的波動(dòng)程度,描述信號(hào)x(t)和y(t)一定時(shí)移τ前后的互相關(guān)函數(shù)rxy(τ)為

(5)

若相關(guān)系數(shù)等于0,則稱x(n)和y(n)不相關(guān)；相關(guān)系數(shù)越大,相關(guān)性越大,但肯定小于等于1。系統(tǒng)的時(shí)間滯后直接由輸入輸出互相關(guān)圖中峰值時(shí)間的偏移來確定。因此峰值出現(xiàn)的點(diǎn)就是兩個(gè)函數(shù)的偏移量,可根據(jù)互相關(guān)函數(shù)求解同一組相鄰兩個(gè)拾振器的波形在同一時(shí)刻內(nèi)的偏移量,就是兩組數(shù)據(jù)中起跳點(diǎn)的時(shí)間差,繼而可以計(jì)算出試驗(yàn)中每一組數(shù)據(jù)的巖體縱波波速[14]。將實(shí)測(cè)中不同組的巖體分別取樣,加工后采用室內(nèi)超聲波法測(cè)量巖塊的縱波波速Vpr,通過式(6)求得巖體的完整性系數(shù)為

Kv=(Vpm/Vpr)2

(6)

式(6)中：Kv為巖體的完整性系數(shù)；Vpr為巖塊的縱波波速。

雖然巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和巖體的完整性系數(shù)Kv都可以反映巖體的完整性程度,但是兩者還是有差別的。為易于評(píng)判巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度,標(biāo)準(zhǔn)中僅從影響巖體穩(wěn)定性的主要方面考慮劃分依據(jù),結(jié)果并不能綜合考慮到巖體結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度等因素,而Kv是由巖體和巖塊的縱波波速計(jì)算得到的,還包含了結(jié)構(gòu)面的張開度、粗糙情況、填充物性質(zhì)等影響因素,因此Kv可以更好地反映巖體的完整性。本文方法計(jì)算得巖體各段的Kv后,通過《標(biāo)準(zhǔn)》得到Kv與完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系后,實(shí)現(xiàn)巖體的分段定量完整性評(píng)價(jià),根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 Kv與巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relation between Kv and rock integrity

2 工程算例

2.1 場(chǎng)地條件

測(cè)試場(chǎng)地位于煙臺(tái)市牟平區(qū)養(yǎng)馬島,其東側(cè)、北側(cè)臨海,邊坡高度4～5 m,坡面傾角介于20°～30°,坡面巖石為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖,巖體破碎,局部坡腳較緩處堆積第四系松散殘坡積物且因海浪長期沖蝕已形成空洞。

巖體巖性為大理巖,內(nèi)含方解石、白云石、透輝石、斜長石、石英等多種礦物成分,巖石結(jié)構(gòu)全部或大部分遭到破壞,巖石錘擊聲不清脆,無回彈,較易擊碎?，F(xiàn)場(chǎng)采集15塊試樣,由試驗(yàn)獲得巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is=2.60,Is(50)=1.33,根據(jù)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)換算獲得巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=27.85 MPa。由《標(biāo)準(zhǔn)》中所給的Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,經(jīng)鑒定場(chǎng)地巖石屬較軟巖。

2.2 振動(dòng)法測(cè)試

振動(dòng)傳感器采用941型拾振器,確定場(chǎng)地后,將COINV數(shù)據(jù)采集儀連接941型拾振器,為了保證測(cè)試信號(hào)無削峰現(xiàn)象且滿足波速測(cè)試精度的要求,低通濾波陡度為-12 dB/oct,采樣頻率為16 384 Hz。為在同一組測(cè)試中對(duì)比各段的完整性,將4臺(tái)拾振器在巖體表面等間距布置,為保證信號(hào)的清晰性且末端拾振器可以接收到振動(dòng)波信號(hào),測(cè)試距離最長選取6 m,根據(jù)測(cè)試距離的不同共進(jìn)行6組對(duì)比試驗(yàn),相鄰拾振器間隔分別為0.5、0.8、1.0、1.2、1.7、2.0 m,拾振器在地表上與巖體通過PXUAC聲發(fā)射耦合劑耦合,淺層鉆孔后發(fā)現(xiàn)巖體垂直方向發(fā)育的首個(gè)裂隙在距巖體表面0.18 m處,為將巖體看作較完整的均勻彈性介質(zhì)來考慮,在距離巖體表面 0.1 m處進(jìn)行錘擊激振,記錄測(cè)試信號(hào),完成該巖體的縱波波速測(cè)試,振動(dòng)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4所示。

圖4 振動(dòng)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.4 Field test by vibration method

2.3 超聲波法測(cè)試

為了驗(yàn)證振動(dòng)法數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,利用ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀進(jìn)行巖體縱波波速測(cè)試,將振動(dòng)法測(cè)試過的巖體分組后分多次進(jìn)行超聲波測(cè)試,由于場(chǎng)地的巖體較破碎,將巖體兩端鉆孔后進(jìn)行打磨,并采用PXUAC聲發(fā)射耦合劑與超聲波探頭耦合,通過對(duì)測(cè)法進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得了同一場(chǎng)地巖體的波速,超聲波法測(cè)試如圖5所示。

圖5 超聲波法測(cè)試Fig.5 Ultrasonic test

3 數(shù)據(jù)處理

為了準(zhǔn)確得到每組各拾振器之間波形的相位差,需選擇合理的數(shù)據(jù)長度,保證數(shù)據(jù)選取段中包含關(guān)鍵信號(hào),提高結(jié)果計(jì)算的精度和準(zhǔn)確度。根據(jù)巖體的風(fēng)化程度及巖性初步估算測(cè)試場(chǎng)地巖體的縱波波速最低為780 m/s,為使數(shù)據(jù)結(jié)果中包含兩個(gè)完整的周期,0.5 m組試驗(yàn)中截取包含起跳點(diǎn)的數(shù)據(jù)長度不得低于1.28×10-3s,采用互相關(guān)分析計(jì)算得到各個(gè)波形之間的相位差,圖6所示為 0.5 m 組、0.8 m組、1.0 m組、1.5 m組的部分水平速度幅值時(shí)程曲線。

由圖6得,試驗(yàn)中靠近激振位置的拾振器接收的水平速度幅值時(shí)程曲線波形大致相同,末處的拾振器接收的信號(hào)因巖體中節(jié)理和裂隙的影響,曲線變化并不明顯。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[2],養(yǎng)馬島后海巖體的野外鑒別初步推算的風(fēng)化系數(shù)為0.6,結(jié)合測(cè)試場(chǎng)地的巖性為大理巖,初步判斷測(cè)試巖體的縱波波速在780～2 400 m/s。振動(dòng)法和超聲波法測(cè)得的各組巖體波速如表2所示,通過振動(dòng)法計(jì)算得到的巖體縱波波速平均值為2 150.4 m/s,超聲波法測(cè)得的平均值為2 332.9 m/s,相對(duì)誤差為-7.8%。

表2 巖體縱波波速測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of compressive wave velocities of the rock mass

圖6 各測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程曲線Fig.6 Velocity time histories of each testing point

通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量巖塊的縱波波速,將實(shí)測(cè)中不同組的巖體分別取樣,共取得18塊完整性系數(shù)較好的巖塊,加工后利用ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀進(jìn)行巖塊縱波波速測(cè)試,將超聲波探頭和巖塊采用PXUAC聲發(fā)射耦合劑耦合,超聲波對(duì)測(cè)法測(cè)得巖塊的縱波波速平均值為5 085.7 m/s,根據(jù)式(6)求得各組的巖體完整性系數(shù)Kv。該場(chǎng)地的巖體主要發(fā)育3組節(jié)理和若干隨機(jī)節(jié)理,其中第1組節(jié)理產(chǎn)狀286°∠50°,平均間距為15～30 cm；第2組節(jié)理產(chǎn)狀152°∠85°,平均間距為10～20 cm；第3組節(jié)理產(chǎn)狀55°∠82°,平均間距為15～25 cm。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中的結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及Kv與巖體完整性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)測(cè)試巖體進(jìn)行完整性評(píng)價(jià),如表3所示。

表3 巖體完整性評(píng)價(jià)Table 3 Integrity evaluation of the rock mass

通過振動(dòng)法測(cè)得的巖體的完整性系數(shù)介于0.15～0.35,根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》判定測(cè)試場(chǎng)地的巖體屬于破碎巖,且與《標(biāo)準(zhǔn)》中的巖體完整性定性劃分結(jié)果一致,本文方法可同時(shí)得到多組的巖體完整性定量評(píng)價(jià)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體不同部位的定量完整性評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

(1)利用振動(dòng)法測(cè)量巖體的縱波波速,利用拾振器接收淺層巖體中的直達(dá)波信號(hào),并和超聲波法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,兩者的相對(duì)誤差達(dá)到-7.8%。

(2)通過振動(dòng)法求得各傳感器布點(diǎn)之間的巖體的Kv,實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體分段完整性定量判斷,工程巖體實(shí)測(cè)結(jié)果與定性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了比較,本文方法得到的巖體完整性與定性劃分的結(jié)果一致。

(3)工程中遇到的巖體尺寸一般都很大,巖體完整性定量評(píng)價(jià)所需的測(cè)量距離遠(yuǎn),采用振動(dòng)法激振比超聲波法更適合工程需求。