云南某機場工程灰巖巖石物理分析

孔 璞，孔 然，謝夢謙，李松柏

（1.四川水利職業技術學院，四川 成都 611230；2.云南省核工業二〇九地質大隊，云南 昆明 650032）

隨著中國西部大開發戰略的實施，西南地區機場建設進入迅猛發展階段[1]。且云南屬云貴高原，山谷眾多，不利于飛機的飛行，本次研究的機場工程建設場區位于山頂，區域構造及地形地貌條件復雜，地表高差較大，在上部覆壓高填方填筑體荷載作用下，下覆灰巖的穩定性對機場的建設、機場跑道的穩定性等方面具有非常重要的意義。因此通過縱、橫波速度及密度等資料，研究下覆灰巖的巖石物理規律可為下一步進行機場建設及施工提供可靠基礎地質依據，使得工程設計更具有針對性，施工措施更具準確性和合理性。

1 樣品特征與測量

工區內發育大套石炭系碳酸鹽巖，以淺灰、灰色層微泥晶生物碎屑灰巖、粉細晶顆粒灰巖為主，夾微泥晶灰巖組成。孔隙類型主要以粒內、粒間溶孔及裂隙為主。選取區域內不同位置井中具有代表性的樣品，即88 塊灰巖樣，將采取的樣品加工為長度25～65 mm不等、直徑25 mm 的圓柱體，同時將樣品2 個端面磨平，無凹凸和小顆粒[2]，如圖1 所示。利用脈沖穿透法對樣品進行速度測量。儀器配套PZT 高溫、高壓換能器為一種寬頻段三分量換能器，其縱波中心頻率為800 kHz，橫波中心頻率為500 kHz。應用這個實驗儀器可以將圍壓最大加載到90 MPa。測量過程中，起始圍壓設置為2 MPa，每隔2 MPa 測量一次，當圍壓超過10 MPa 以后，圍壓變為每隔5 MPa 測量一次。實驗過程中，首先將樣品放在溫度為80 ℃的干燥箱中均勻烘干48 h 以上，保證樣品處于相對干燥的狀態，將烘干后的樣品取出放置于常溫環境中，保持24 h 以上，然后放在超聲實驗裝置的密閉夾持器中，測定干燥條件下巖石的縱波和橫波速度。

圖1 巖石樣品制備

2 巖石物理特征

2.1 壓力對巖石彈性性質的影響

圖2 給出了干燥條件下灰巖樣品波速度隨有效壓力變化的特征。從圖中可以看出縱、橫波速度隨著壓力增加而增大。此外，圖中呈現了2 種不同的速度變化形態，第一種變化特征以A1 號樣品為例，樣品孔隙度較小，縱波速度隨壓力的增加呈近似線性變化，在壓力作用下速度變化率較低（縱波速度增加10.2%）；第二種特征變化以A6 樣品為例，樣品孔隙度為13%，在壓力小于15 MPa 時，縱波速度隨壓力增加呈非線性增大，當壓力大于15 MPa 后，縱波速度隨壓力增加速度呈近似線性增大，且在整個壓力范圍內樣品速度變化較大（縱波速度增加40%）。第一種變化趨勢反映了巖石孔隙主要以剛性孔隙為主，如溶蝕孔等，在壓力作用下僅有較小的孔隙壓縮；第二種變化特征則反映了在壓力作用下巖石中的微裂隙逐漸閉合[3]，巖石的速度增加較快（非線性增加），當壓力達到一定程度時，巖石中的可壓縮的微裂隙基本閉合，繼續增加壓力巖石速度呈近似線性增加反映了硬孔隙的影響。

圖2 干燥條件下不同孔隙度樣品速度隨壓力變化關系

2.2 流體作用對巖石速度特征的影響

當巖石孔隙中含流體時會引起飽和巖石密度與彈性模量的變化。為了更好地刻畫含流體后巖石的彈性模量，通常用Gassmann 方程來定量描述孔隙流體發生變化時介質有效彈性模量的相應變化[4-6]，即可通過Gassmann 方程預測巖石含流體后的速度特征。

圖3 為樣品在干燥及飽和水情況下的速度隨壓力變化特征，同時圖中增加了Gassmann 方程預測的速度結果。從圖中不難看出，樣品在水飽和后縱波速度均明顯增大，隨著壓力的增加水飽和后樣品縱波速度與相同壓力下干燥時縱波速度差異存在減小趨勢。對于低孔隙度樣品，整個壓力范圍內，Gassmann 方程預測的縱波速度與實驗結果吻合度較高；對于高孔隙度樣品，在壓力較小時，Gassmann 方程預測結果與實驗結果有一定差異，隨著壓力增加二者速度曲線逐漸趨近，差異逐漸減少[6]。由此說明，在實際工作中可通過Gassmann 方程快速預測該區低孔隙度巖石及高壓力下的巖石速度。

圖3 不同孔隙度樣品速度隨壓力變化特征

2.3 統計關系特征

圖4 給出了巖石樣品實驗室測量數據的縱波速度與密度關系，黑色散點表示實驗結果。從圖中明顯反應出巖石樣品縱波速度與密度呈現出良好的正相關關系，即隨著密度增大縱波速度增大。圖中同時附加了Castagna[6]灰巖關系式，從圖中明顯看出，縱波速度較低的樣品實驗數據與Castagna 關系具有較高的吻合度，但是縱波速度較大的樣品則呈現出Castagna 擬合關系式有一定偏差，實驗數據整體高于Castagna 關系式。由此可見，對于該地區灰巖，不能直接采用Castagna 擬合關系式進行速度與密度關系分析，需要建立適合該區的關系式。針對本次實驗數據擬合公式如下：

圖4 樣品縱波速度與密度關系

式（1）中：ρ為巖石密度；Vp為巖石縱波速度。

圖5 給出了進行統計實驗數據后作出縱波速度和橫波速度交會分析，黑色散點表示實驗室測試數據，從圖中明顯看出樣品的縱、橫波關系呈現良好的相關關系，圖中附加了Pickett 經驗式和Castagna 灰巖關系式，上述2 個經驗關系式對于速度較高的樣品均存在不程度的預測偏差。對本次研究區灰巖實驗數據進行擬合，更好地表達了該區縱、橫波關系，擬合公式如下：

圖5 縱、橫波速度關系

式（2）中：Vs為巖石橫波速度。

3 結論

本文以云南西部某機場工區下覆基巖為研究對象，選取工區內不同位置鉆孔采樣，利用巖心參數實驗儀器超聲波脈沖穿透法測試得到樣品縱、橫波速度，同時開展壓力下的巖石速度實驗，得到了干燥狀態下的巖石樣品波速度隨有效壓力變化特征。對飽和水巖石樣品進行不同圍限壓力的速度實驗并與Gassmann方程預測巖石速度進行比較，發現對于低孔隙度樣品Gassmann 方程預測結果與實驗結果符合度較高。此外，根據測試得到樣品縱、橫波速度建立該區域的密度-速度及縱、橫波關系模型，能夠更好地反映該地區灰巖性質，但由于巖石物理的區域局限性，在其他區域使用時需要進行校正，不能隨意外推。