巖石試件縱波測試的影響因素

2011-06-07 08:45:28龔興耀尹全勇

鐵道勘察 2011年1期

龔興耀尹全勇胡惠

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

巖石的彈性性質和聲波在巖石中的傳播特性,是巖石聲波測試的理論基礎。聲波測試是利用頻率為數千赫的聲頻彈性波通過巖體,了解聲波在巖石中傳播的規律與巖石介質性質的關系,研究聲波在不同性質和結構的巖體中的傳播特性,在工程巖體分類和評估方面具有重要的作用。

巖石內在和外部特征上的差異,如巖石的礦物成分、化學成分、膠結物和膠結狀況、顆粒度、孔隙率、天然裂隙、硬度和強度、風化程度、變質程度及結構和構造等因素，都將引起波速的變化,所以聲波檢測能在很大程度上綜合評價巖石的固有屬性,故準確地測試巖石的縱波波速對提高鐵路勘察設計準確性有著重要的意義。

本文從影響巖石試件聲波測試的內在原因和外部因素著手,進行分析總結,為在試驗檢測中準確測試巖石試件的縱波波速提供參考。

1 巖石試件波速測試的基本原理及方法

巖石超聲波檢測技術是利用人工激發產生的超聲波研究聲波在巖體內傳播規律的一種技術。采用帶波形顯示記錄功能的超聲波檢測儀和頻率為50 kHz～1 MHz聲波換能器,測量超聲波在巖石中的傳播速度、首波振幅和接收信號頻譜變化等聲學參數,并根據這些參數及其相對變化,可以判斷巖石的風化及物理性能,以及巖體內結構狀態、彈性參數及巖體物理力學性質等。

在進行巖石試件縱波測試時,在柱狀巖樣的兩端或直徑方向上放置縱波發射換能器及接收換能器,選用凡士林或黃油作為耦合劑,在非受力狀態下測定巖樣的縱波波速(Vp),不同大小的巖樣應使用不同型號的換能器。巖樣超聲波縱波波速測試原理如圖1所示。

圖1 巖石聲波測試原理

(1)

式中Vp——縱波速度/(m/s)；

L——發射、接收換能器中心間的距離/m；

tp——縱波在試件中行走的時間/s；

t0——儀器系統的零延時/s。

2 巖石試件聲波檢測的條件

在進行巖石試件縱波測試時,必須合理選擇巖石試件的尺寸和換能器的頻率,使巖石試件能被視為均勻無限體介質。要把巖石試件視為均勻介質,就要求波長大到可以忽略巖石顆粒等界面造成的各種影響；要把巖石試件看作無限體介質,則要求波長與試件尺寸比小到某一數值,使波的傳播不受試件界面的影響。對于固定尺寸的巖石試件來說，只要選擇換能器頻率,使聲波在巖石試件中傳播的波長既能滿足無限體又能滿足均勻體的要求,就可以把巖石試件看作是均勻無限體介質。根據相關規范的規定,換能器頻率要滿足以下要求

(2)

式中f——換能器發射頻率/Hz；

Vp——巖石縱波速度/(m/s)；

D——試件的直徑/m。

3 巖石試件縱波波速的影響因素

巖石本身的性質是影響縱波波速大小的關鍵因素,其中包括巖石的礦物成分、化學成分、膠結物和膠結狀況、顆粒度、密度、孔隙率、天然裂隙、硬度和強度、風化程度、變質程度以及結構和構造等,因而縱波在同種巖石中的傳播速度也有不同變化；同時在巖石試件縱波測試過程中,儀器設備、參數設置以及人員操作的影響因素也必須加以考慮。

3.1 縱波速度與巖性之間的關系

實踐表明,各類巖石具有不同的縱波速度,同類巖石由于受顆粒度、密度、孔隙率、天然裂隙、硬度、強度、風化程度、變質程度等因素的影響,測試值的離散程度不一。但是總的規律是：每一類巖石具有代表性的縱波速度值和離散系數；大理巖的縱波速度一般高于閃長巖和花崗巖；片巖、片麻巖的縱波速度,由于片理的影響,波動較大,離散系數也大。

新鮮完整的巖石波速較高,風化巖石波速較低,風化越嚴重,波速就越低。這是由于風化作用使巖石中的結構面增加,且原有的礦物分解成次生的親水礦物,礦物或巖屑顆粒之間的連結狀態,也由原來的結晶連結或膠結連結轉化為水膠連結,較為松散,從而使聲波傳播時間增長,波速降低,而吸收衰減增大,波幅大大縮小,聲波在風化巖石中的穿透能力也大為減弱。

任何一種巖石物理力學性能的檢測值都是在很大范圍內變化的,因此巖性對縱波速度的影響不能進行簡單的滿意描述,本文僅就巖石密度與縱波速度的關系進行分析,并對日常工作中檢測的部分種類巖石的密度與縱波速度進行了統計(表1)。

從表1可以看出,巖石本身的性質使得縱波在其中傳播的速度不同,但其變化卻在一定的范圍內,即在一般情況下,巖石的波速與巖石的密度呈正相關關系。在火成巖正常類型巖系中,花崗巖的平均密度最低,縱波速度隨巖石基性度增加而增高；在變質巖中,縱波速度受巖石結構構造影響很大；由于大部分沉積巖屬多孔介質,巖石的孔隙率以及孔隙內填充物質對波速的影響很大,沉積巖的縱波速度與火成巖相比變化范圍要大的多。