絹云母片巖波速影響因素研究

何 勇，李天斌，孟陸波，唐 林

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

聲波探測技術是通過研究超聲波在物質中的傳播規律來判斷物質內部結構狀態及其它物理性質指標的一種測試技術［1］。目前該技術已廣泛應用于巖體質量分類、圍巖松弛帶劃分等許多方面［2］。在巖石聲波測試方法及波速與各物理力學參數關系方面國內外都做了大量研究［3-4］。但上述研究工作主要是針對室內巖塊，由于波速在巖體中的傳播受到風化程度、節理發育程度、含水狀態等內外部因素的影響。因此，室內巖塊試驗很難真實反映實際工程巖體性質，許多研究者已注意到巖體物理力學參數與室內巖塊試件物理力學參數間存在相當大的差異［3］。不同作者雖對這些影響因素進行了研究，但往往僅針對某一單一因素［4］，多因素條件下的研究也多為室內巖塊的模擬［5］。本文針對具體工程區影響絹云母片巖的主要外部因素進行了室內巖塊、室外巖體的試驗研究。

1 試驗方法

巖體聲波測試采用的儀器為FDP204SW型超聲波測試儀及其配套的縱橫波換能器。室內測試巖塊規格為5 cm×5 cm×10 cm的長方體;室外巖體為開挖邊坡面上長約15～35 cm的不同風化程度和不同節理發育程度的巖體。測試時采用直透法，人工鑿平兩端面，并對測試部位進行詳細描述。工程區主要巖體為絹云母片巖，片理面對巖體力學參數起主要作用，因此本次巖體波速測試方向為平行片理面，測試時同時測量巖體的縱、橫波速度。

2 試驗結果分析

2.1 水對波速的影響

為了研究水對工程區絹云母片巖波速的影響，在室內進行了天然和飽水狀態下的波速測試，并對不同飽水時間下的巖塊進行了對比分析。巖樣水理性質測試結果見表1，波速測試結果見圖1。

表1 絹云母片巖水理性質測試結果

由測試結果分析可知，飽水5 d后縱波速度下降幅度在5%以內，平均下降幅度約2.98%;橫波速度下降幅度在5%～12%之間，平均降幅約8.82%。飽水20 d后縱波速度下降幅度在9% ～19%之間，平均降幅約14.2%;橫波速度下降幅度在17% ～26%之間，平均降幅約20.79%。可見水對絹云母片巖波速的影響較為明顯，飽水5 d后縱橫波速度即呈下降趨勢，飽水20 d后下降趨勢更加明顯，且總體橫波速度較縱波速度下降幅度大。

通過分析可知，飽水對巖體縱橫波速度有降低作用。由于水對巖樣波速的影響主要決定于巖石的孔隙率和軟硬程度，因此綜合分析原因為:①巖樣屬致密巖體，吸水率較低，水對空隙充填的影響較小，水對致密巖樣波速的影響較不敏感;②絹云母片巖片理面力學性質相對較差，在水的長期作用下，部分礦物溶解，巖石骨架被軟化，片理面的牢固性減弱，使波速降低，飽水時間越長降低越明顯，具有明顯的時間效應。

圖1 不同飽水時間對波速影響曲線

2.2 節理對波速的影響

工程巖體由于經受過復雜的地質歷史過程，節理、裂隙一般較為發育。節理、裂隙對巖體質量有較大的影響，聲波穿過時將會發生反射、折射和繞射現象，影響聲波傳播速度。本文在絹云母片巖大量室外波速測試數據的基礎上，選擇同一風化程度同一測試段的巖體，對其節理發育程度與波速關系進行分析(本文所統計節理均為閉合狀態)。由圖2和圖3可知，在同一風化程度下，節理條數與波速并無明顯關系，但對同一風化程度下同一節理條數的波速，剔除明顯異常點后統計平均值，作相關曲線可知，平均波速與節理條數存在一定的相關關系(圖4和圖5)。由圖可知，弱風化條件下平均波速與節理條數具有很好的相關關系，相關系數均為0.95;而強風化條件下平均波速與節理條數也具有一定的相關關系，但相關性較弱風化條件下差，相關系數分別為0.73和0.67。

圖2 弱風化巖體波速與節理條數關系

圖3 強風化巖體波速與節理條數關系

圖4 弱風化巖體平均波速與節理條數關系

圖5 強風化巖體平均波速與節理條數關系

通過分析可知，弱風化條件下巖體波速主要受節理發育程度影響，節理越發育，巖體波速越低;而強風化條件下，由于風化對巖體結構構造、礦物成分等均有較大的影響，因此波速同時受到風化程度和節理發育程度的影響，平均波速與節理條數相關關系相對較差。

2.3 風化程度對波速的影響

為了研究風化程度對波速的影響，本文對同一測試段同一節理條數下不同風化程度的巖體平均波速進行了統計分析，結果如表2。

表2 絹云母片巖不同風化程度下平均波速統計

由表2可知，在相同節理條數下強風化巖體比弱風化巖體波速低，且降低幅度較大。縱波最大降幅達28.31%，平均降幅約13.87%;而橫波最大降幅達38.19%，平均降幅約19.52%。說明風化對巖體波速有較為明顯的影響，且風化程度對橫波的影響比縱波更明顯。

3 結論

1)絹云母片巖波速受水的影響較大，短期飽水后即有明顯降低，經過長期飽水后下降趨勢更明顯，具有明顯的時間效應，且橫波較縱波更為敏感。

2)節理對波速無明顯的影響，但平均波速與節理條數具有一定的相關關系。弱風化條件下相關性較好，強風化條件下相關性較差，這是由于波速同時受到風化程度和節理發育程度的影響。

3)風化對巖體波速有較大的影響，風化程度越強，波速越低，且橫波較縱波更為敏感。

4)對影響絹云母片巖聲波速度主要因素的綜合分析，有利于正確運用聲波資料，準確評價工程巖體，合理進行參數取值。

［1］趙奎，萬林海，饒運章，等．基于聲波測試的礦柱穩定性模糊推理系統及其應用［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(11):1804-1809．

［2］趙明階，吳德倫．工程巖體的超聲波分類及其強度預測［J］．巖石力學與工程學報，2000，19(1):89-92．

［3］丁梧秀，姚增，蔣振，等．巖體工程特性研究中彈性波速參數取值方法探討［J］．巖體力學，2004，25(9):1353-1356．

［4］馬中高，解吉高．巖石的縱、橫波速度與密度的規律研究［J］．地球物理學進展，2005，20(4):905-910．

［5］李元輝，趙興東，趙有國，等．不同條件下花崗巖中聲波傳播速度的規律［J］．東北大學學報(自然科學版)，2006，27(9):1030-1033．