含孔洞紅砂巖超聲波傳播特性研究*

饒昱貝 ，劉祖文，洪溢都

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院， 江西 贛州市 341099；2.江西理工大學 土木與測繪工程學院， 江西 贛州市 341099；3.中國科學院海西研究院 泉州裝備制造研究所， 福建 泉州市 362216)

0 引言

隨著礦產資源開采力度和開采深度的增加，巖土工程問題也隨之而來。已有研究表明，巖體在自然條件下，內部存在各種宏觀缺陷（孔洞、裂隙），缺陷的幾何尺寸、形狀、分布等對巖土體的失穩破壞有重大影響，故探究含孔洞巖體結構特征對評價巖土工程結構穩定性具有重要的實際工程價值[1-4]。

超聲波與巖土體相互作用時，通過分析波速、振幅、衰減系數及主頻等聲學參數的變化，可反演得到巖土體的物理力學參數及結構表征，進而解決各種巖土工程問題[5]。R.Agersborg等[6]研究提出，小孔隙對縱波速度的影響要大于橫波速度，而巖石礦物成分、孔隙類型和紋理均影響地震波的速度，其中孔隙度和紋理對波速起主要影響作用。M.Kumar等[7]發現當波長遠大于孔洞尺寸時，只要考慮孔洞形狀對波速的影響，孔洞大小的影響可以忽略。G.T.Baechle等[8]研究發現，速度和小孔隙之間的相關性較好，與大孔隙的相關性較差。曹均等[9]通過對孔洞縫密度、孔洞材料等因素進行分析，指出孔洞縫密度變化時，地震波的動力學特征參數比運動學參數變化更敏感。李瓊等[10]分析認為縫洞系統中單縫洞大小、形狀對聲學參數有顯著的影響，隨著孔洞縫密度的增加，振幅、主頻等動力學參數的變化幅度均比波速高兩個數量級。劉向君等[11]探究了不同孔洞密度模型的聲學參數之間的關系，發現當孔洞密度上升時，超聲波波速、振幅都變小，且振幅變化幅度遠遠大于波速變化幅度。

已有學者在超聲波傳播特性與巖體自身物理性質方面做了大量的研究工作，但是目前關于超聲波傳播特性的研究大多集中于完整原巖及混凝土試樣中，但自然條件下巖體內部存在各種宏觀缺陷，對含孔洞缺陷巖樣的超聲波特性分析還有待于進一步研究。本文采用原狀紅砂巖巖樣建立含不同孔洞尺寸、孔洞角度巖樣試件，分析了單孔洞下尺寸、角度單因素變量對超聲波傳播規律的影響，對評價巖體工程穩定性具有重大的實際價值。

1 試驗方法

1.1 試驗材料和設備

為了真實反映深部地下工程中含孔洞巖體的結構特征，研究含孔洞紅砂巖的超聲波響應特性，本試驗試樣全部采用贛南地區地下砂巖原狀試樣，將試驗試件制作成徑高尺寸為50 mm×100 mm的圓柱形標準試件。

本次試驗采用 HS-YS2A型巖石聲波測試系統，主要包含超聲波發射裝置、接收裝置和數據采集器等。

1.2 模型與試驗方案

選擇直徑5，10，15，20 mm的鉆頭對不同尺寸試件進行打孔，孔洞分布在試樣側面中心位置，共鉆取4組試樣，分別命名為a（5 mm）、b（10 mm）、c（15 mm）、d（20 mm）組。選擇10 mm的鉆頭對試件進行不同角度的打孔，孔洞形狀為橢圓形，橢圓形長軸為20 mm，短軸為10 mm，共鉆取5組試樣，分別命名為 e（0）、f（30°）、g（45°）、h（60°）、i（90°）組。試樣共9組，每組均為3個巖樣，共加工27個圓柱形巖樣。

主要研究紅砂巖中的孔洞尺寸和孔洞角度對超聲波傳播規律的影響。在常溫常壓條件下，選用頻率為100 kHz換能器，對干燥后的27個紅砂巖巖樣在打孔前后分別進行超聲波測試。用超聲檢測儀記錄下不同孔洞尺寸巖樣的波速、波形。

1.3 試驗過程與數據處理

試驗過程中由發射裝置輸出電脈沖，接收裝置探頭將接收的微量訊號放大至顯示屏上，模數轉換后在屏幕上顯示出波形，同時可直接測得從發射到接收的時間間隔t。換能器（聲波測試探頭）由發射換能器和接收換能器組成，其主要功能是進行電能和聲能的信號轉換，即將聲波儀輸出的電脈沖轉變為聲波能，或將聲波能轉變為電訊號輸入到接收裝置。為了使換能器很好地與測試材料耦合，在測體上進行聲波測試時，一般用耦合劑將換能器端面緊貼于測試材料，本次試驗中用凡士林作為耦合劑。由已知的測試材料距離L，計算出超聲波在測試材料中傳播的波速V，即V＝L/t。試驗原理如圖1所示。

圖1 試驗原理

2 超聲波響應特性分析

2.1 不同孔洞尺寸巖樣超聲波響應特性分析

采用HS-YS2A型巖石聲波參數測試儀對打磨加工好的巖樣進行超聲波測試，采集測試頻率下100 kHz的縱波波速、聲波首波幅值，并計算衰減系數。

當巖樣完整時，超聲波波速變化幅度不大；當巖樣打孔后，由于孔洞中存在空氣介質，巖樣整體處于非均質狀態，波速略微下降；隨著孔洞尺寸的增大，超聲波波速變化幅度較小，規律并不明顯，孔洞尺寸對波速幾乎無明顯作用。說明孔洞會導致超聲波波速減小，但是孔洞尺寸的變化不會導致首波速度的改變。首波速度只通過最早抵達的那條路徑計算，即使巖樣中心傳播路徑被截斷，但孔洞兩邊的路徑仍按原路徑正常傳播，首波到達時間與完整巖樣時基本保持一致。

取每組巖樣試驗的平均值，得到首波幅值差值變化規律如圖2所示。隨著孔洞尺寸的增加，打孔前后首波幅值的衰減量呈線性增大趨勢。當孔洞尺寸為5 mm時，幅值下降了73 mV；當孔洞尺寸為10 mm時，幅值下降了95 mV；當孔洞尺寸為15 mm時，幅值下降了125 mV；當孔洞尺寸為20 mm時，幅值下降了 142 mV。對其變化規律采用一次函數進行擬合，首波波幅差值與孔洞尺寸的線性關系表達式為：y＝4.74x+49.5。

圖2 不同孔洞尺寸巖樣打孔前后首波幅值差值

當超聲波穿過含孔洞、裂隙等缺陷巖體時，會發生繞射、散射、反射等現象，這是由于孔洞對聲波的反射或吸收，超聲波衰減比完整巖樣大，即接收信號的波幅下降。所以可以通過接收波幅的上升或下降，推斷缺陷的存在和巖石內部的損傷情況。在實際巖土工程中，可以通過首波波幅的變化情況來判斷巖石缺陷情況，因為首波能夠真實反映巖石內部情況，而后續抵達的聲波是一次聲波和二次聲波的組合，不能真實反映巖石缺陷情況。

根據首波幅值計算衰減系數，可知孔洞尺寸的變化對衰減系數有顯著影響。當孔洞尺寸為 5～20 mm時，隨著孔洞尺寸的加大，衰減系數整體呈線性上升的趨勢。這是由于巖體內孔洞的存在，孔洞內空氣和巖體不同，介質間聲阻抗不同，即聲波傳播至孔洞界面時，超聲波在孔洞界面產生反射、散射現象，導致超聲波能量衰減。隨著孔洞尺寸的增大，影響超聲波傳播的孔洞體積也不斷增加，巖石聲波能量衰減增多，導致衰減系數逐漸上升。

2.2 不同孔洞角度巖樣超聲波響應特性分析

當孔洞角度為 0～90°時，隨著孔洞角度的增加，打孔前后縱波波速衰減量的變化規律并不明顯。取每組巖樣試驗的平均值，得到首波幅值差值變化規律如圖3所示，隨著孔洞角度的增加，打孔前后首波幅值的衰減量呈線性增大趨勢。當孔洞角度為0時，幅值下降了105 mV；當孔洞角度為30°時，幅值下降了114 mV；當孔洞角度為45°時，幅值下降了125 mV；當孔洞角度為60°時，幅值下降了128 mV；當孔洞角度為90°時，幅值下降了141 mV。波幅差值與孔洞角度之間呈線性關系，對其變化規律采用一次函數進行擬合，波幅差值與孔洞角度的線性關系表達式為：y＝0.407x+104.3。

圖3 不同孔洞角度巖樣打孔前后首波幅值差值

根據首波幅值計算衰減系數，可知橢圓孔洞角度的改變對巖樣超聲波衰減系數也有較大影響。當孔洞角度在0～90°范圍內時，衰減系數差值與孔洞角度之間呈線性正比關系。隨著孔洞角度的增加，垂直于超聲波傳播方向上的孔洞面積增加，超聲波在遇到孔洞后發生的反射、繞射、散射增強，使得超聲波在巖樣中的傳播時間增加，能量在巖樣中的衰減越多，衰減系數隨之增大。

對比各聲學參數變化規律表明，巖樣打孔后超聲波首波幅值的變化規律比波速的變化規律明顯，即不同孔洞尺寸和角度巖樣對首波幅值和衰減系數的影響比對速度的影響要大，且巖樣打孔前后超聲波幅值、衰減系數的差值變化趨勢相同。

3 結論

本文完成了含孔洞紅砂巖的超聲波波速、波幅、衰減系數參數的試驗測試分析，研究了孔洞參數與超聲波聲學參數的相關性，得到如下結論。

（1）隨著孔洞尺寸和孔洞角度的增加，超聲波波速、首波幅值均下降，衰減系數增大。

（2）波速對孔洞敏感度較差，首波幅值、衰減系數對孔洞較敏感，首波幅值與衰減系數的差值變化趨勢相同。