基于超聲波測(cè)試的巖體完整性分析

黃雅蘭

(江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部 江西贛州 34100)

巖石是由一種或多種礦物組成的復(fù)雜地質(zhì)體，由于節(jié)理、裂隙的存在，使巖石在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出離散型和隨機(jī)性[1]。巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定是巖體工程應(yīng)用中的一項(xiàng)基本工作，也一種是巖土工程學(xué)者研究的重要課題[2-4]?，F(xiàn)場(chǎng)大型原位測(cè)試是最直接、最準(zhǔn)確獲取巖體力學(xué)參數(shù)的方法，但受制于選址困難、設(shè)備沉重、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等方面的局限性，不能完全滿足工程設(shè)計(jì)要求。相對(duì)于靜力測(cè)試方法，動(dòng)力測(cè)試方法具有快捷便利、測(cè)試成本低、能夠?qū)嵤┐篌w積測(cè)試和測(cè)試細(xì)小結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)力法是靜力法必不可少的補(bǔ)充，發(fā)展動(dòng)力測(cè)試方法具有廣泛應(yīng)用前景和重要研究意義。

巖石介質(zhì)超聲波測(cè)試技術(shù)就是動(dòng)力法測(cè)試的一種，巖石超聲波信號(hào)的變化，間接地反映了巖石或巖體的物理力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特征，在地質(zhì)工程實(shí)踐中，可以猜用巖體與巖石的縱波和橫波的比值來表征巖體的完整性[5]；楊福見等人[6]基于超聲波波速定義的損傷變量研究了動(dòng)載擾動(dòng)后花崗巖物理力學(xué)特性；楊靜熙等人[7]運(yùn)用聲波法研究了三峽風(fēng)化帶巖體聲學(xué)性質(zhì)和動(dòng)靜彈模的關(guān)系；王如江等人[8]運(yùn)用聲波測(cè)試技術(shù)研究了巖石波速與強(qiáng)度參數(shù)的變化關(guān)系；范翔宇等人[9]研究了層理性頁巖在不同含水率下，聲波的傳播速度及能量衰減特征。

該文運(yùn)用超聲波測(cè)試技術(shù)結(jié)合彈性波在一維介質(zhì)中傳播理論，通過測(cè)得超聲波在巖石中的縱波橫波波速研究巖石動(dòng)彈性模量與巖石基本物理參數(shù)的關(guān)系，對(duì)巖體完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究成果可為發(fā)展巖石超聲波測(cè)試技術(shù)提供參考和依據(jù)。

1 巖石超聲波測(cè)試

測(cè)試所用巖樣來自南方某礦山，該礦區(qū)礦石類型以含金硫化物-條帶狀破碎蝕變巖型和含金黃鐵礦石英脈型為主，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，由云母斜長(zhǎng)變粒巖、斜長(zhǎng)云母石英片巖、構(gòu)造角礫巖組成。在井下采空區(qū)，設(shè)置兩個(gè)取樣孔，分別為取樣孔A和取樣孔B，取樣孔相距8 m，經(jīng)過打磨加工，每個(gè)取樣孔各取出9個(gè)巖樣。

巖石超聲波試驗(yàn)儀器采用HS-YS301C 型巖石聲波參數(shù)測(cè)試儀，如圖1所示，采樣精度最小為0.1 μs，可自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)放大增益，范圍-20～80 dB。

圖1 HS-YS301C型巖石聲波參數(shù)測(cè)試儀

該次試驗(yàn)巖樣試為圓柱體，直徑為50 mm，試件高度100 mm，端面平整度誤差小于0.05 mm。試試驗(yàn)前先對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)試，將發(fā)射、接收兩個(gè)換能器涂抹上耦合劑，超聲波縱波測(cè)試時(shí)使用黃油，超聲波橫波測(cè)試時(shí)使用鋁箔。然后將換能器緊貼試樣，由巖石發(fā)射端產(chǎn)生超聲波，超聲波穿過巖石到另一端由接收換能器接收，保存超聲波波形信號(hào)。提取超聲波波形信號(hào)，進(jìn)行濾波除噪處理，再識(shí)別接收波的起跳點(diǎn)。通過計(jì)算入射波和接收波起跳點(diǎn)的時(shí)間差，也就是超聲波穿過巖樣所用的時(shí)間，我們可以得到巖樣的彈性波速。巖樣長(zhǎng)度除以超聲波穿過巖樣所用的時(shí)間得到巖樣的彈性波速。

把巖石看作均一、各向同性的彈性無限體，根據(jù)彈性波傳播理論，可根據(jù)（1）式計(jì)算得到巖石的動(dòng)彈性模量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 巖樣動(dòng)態(tài)彈性模量計(jì)算結(jié)果

式（1）中：Ed為動(dòng)彈性模量（GPa）；ρ為巖石試樣的密度（kg/m3）；Vp、Vs分別為縱波、橫波波速（m/s）。

2 聲波法評(píng)價(jià)巖體完整性計(jì)算

前人試驗(yàn)研究表明，影響聲波在巖石中傳播速度的主要因素有3 個(gè)方面：體積密度、空隙和結(jié)構(gòu)裂隙。致密均勻的巖樣，內(nèi)部礦物顆粒之間結(jié)合較為緊密，巖石波速較高，而內(nèi)部孔隙大、宏觀裂隙發(fā)育的巖樣波速偏低，巖石波速各向異性表現(xiàn)明顯。通過分析假設(shè)動(dòng)彈性模量與密度的關(guān)系如下。

式（2）中：α為巖石完整因子（無量綱）。

從式（2）可以看出，隨著天然密度與動(dòng)彈性模量呈線性相關(guān)關(guān)系，對(duì)于同種各向同性的巖石來講，α是一個(gè)定值。巖石密度越大，巖石顆粒之間粘結(jié)更為緊密，動(dòng)彈性模量也越大；對(duì)于不同種類且內(nèi)部孔隙裂隙較多的巖石，其密度也小，巖石顆粒之間粘結(jié)較為松散，動(dòng)彈性模量也更小。因此可以通過定義α值為巖石完整因子，來評(píng)價(jià)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，α值越大，說明密度對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響越大，巖石也越完整，α值越小，說明密度對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響越小，巖石也越破碎。

彈性波傳播速度的測(cè)量過程中，動(dòng)彈性模量是橫波和縱波在巖樣介質(zhì)中傳播能力的量度指標(biāo)，從表1中可以看出，取樣孔A的彈性模量與密度的離散性較大，這是由于取樣孔A的巖體裂隙發(fā)育較為嚴(yán)重，速度差異明顯，剔除掉異常點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，如圖2 所示。從表1數(shù)據(jù)中可以看出，B取樣孔的彈性模量與密度的相關(guān)性較好，其巖體的完整性比A取樣孔更好，異常點(diǎn)較少，對(duì)B取樣孔數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖3所示。

圖2 A取樣孔天然密度與動(dòng)彈模值的關(guān)系

圖3 B取樣孔天然密度與動(dòng)彈模值的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出，2個(gè)取樣孔巖樣的天然密度與動(dòng)彈性模量?jī)烧呔哂泻芎玫木€性相關(guān)性，A取樣孔的相關(guān)系數(shù)r2=0.90，完整因子α=0.163 4；B取樣孔的相關(guān)系數(shù)r2=0.90，完整因子α=0.279 4。由于B取樣孔的完整因子大于A取樣孔的完整因子，說明B取樣孔巖樣所在的巖體完整性更好。

3 巖體完整性的原位測(cè)試試驗(yàn)

對(duì)兩個(gè)取樣孔的巖體開展原位鉆孔彈模測(cè)試試驗(yàn)，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性階段內(nèi)，應(yīng)變呈直線增長(zhǎng)，計(jì)算出這段直線的斜率，就能得到巖體的彈性模量。通過測(cè)試，可以得到兩個(gè)取樣孔彈性模量隨深度的變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果具體見圖4。

圖4 不同深度下的巖體彈性模量

從圖4可以看出A取樣孔的巖體彈模是集中在6～10 GPa，取樣孔B的巖體彈模集中在20～43 GPa，取樣孔B的巖體彈模值遠(yuǎn)大于取樣孔A的巖體彈模值，說明取樣孔B的巖體空隙裂隙較少，完整性更好。這與第2節(jié)基于超聲波測(cè)試分析的巖體完整性計(jì)算結(jié)果一致。

4 結(jié)論

利用巖石聲波測(cè)速儀進(jìn)行室內(nèi)波速試驗(yàn)得到巖石縱波波速和橫波波速，計(jì)算動(dòng)彈性模量并分析與天然密度的關(guān)系，并對(duì)兩個(gè)取樣孔的巖體完整性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，還與現(xiàn)場(chǎng)原位鉆孔彈模測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

（1）天然密度與巖石動(dòng)彈性模量具有良好的線性關(guān)系，隨著密度的增加動(dòng)彈性模量增加，定義α為巖石完整性系數(shù)，通過線性擬合得到A取樣孔的α為0.163 4，B取樣孔的α為0.279 4，說明B取樣孔的巖體完整性較好。（2）通過現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試可以看出，B取樣孔的巖體彈模值明顯大于A取樣孔的巖體彈模值，說明B取樣孔的巖體完整性比A取樣孔更好，與聲波法分析一致，驗(yàn)證了室內(nèi)聲波法評(píng)價(jià)巖體完整性的可行性，但如何通過室內(nèi)聲波法測(cè)得的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)去定量評(píng)價(jià)巖體完整性還需進(jìn)一步研究。