基于超聲波測試的巖體完整性分析

黃雅蘭

(江西理工大學材料冶金化學學部 江西贛州 34100)

巖石是由一種或多種礦物組成的復雜地質體，由于節理、裂隙的存在，使巖石在力學性質上表現出離散型和隨機性[1]。巖體力學參數的合理確定是巖體工程應用中的一項基本工作，也一種是巖土工程學者研究的重要課題[2-4]。現場大型原位測試是最直接、最準確獲取巖體力學參數的方法，但受制于選址困難、設備沉重、費用高、周期長等方面的局限性，不能完全滿足工程設計要求。相對于靜力測試方法，動力測試方法具有快捷便利、測試成本低、能夠實施大體積測試和測試細小結構面力學參數等優點，動力法是靜力法必不可少的補充，發展動力測試方法具有廣泛應用前景和重要研究意義。

巖石介質超聲波測試技術就是動力法測試的一種，巖石超聲波信號的變化，間接地反映了巖石或巖體的物理力學特性和結構特征，在地質工程實踐中，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載擾動后花崗巖物理力學特性；楊靜熙等人[7]運用聲波法研究了三峽風化帶巖體聲學性質和動靜彈模的關系；王如江等人[8]運用聲波測試技術研究了巖石波速與強度參數的變化關系；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。

該文運用超聲波測試技術結合彈性波在一維介質中傳播理論，通過測得超聲波在巖石中的縱波橫波波速研究巖石動彈性模量與巖石基本物理參數的關系，對巖體完整性進行評價，研究成果可為發展巖石超聲波測試技術提供參考和依據。

1 巖石超聲波測試

測試所用巖樣來自南方某礦山，該礦區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，巖體呈塊狀結構，由云母斜長變粒巖、斜長云母石英片巖、構造角礫巖組成。在井下采空區，設置兩個取樣孔，分別為取樣孔A和取樣孔B，取樣孔相距8 m，經過打磨加工，每個取樣孔各取出9個巖樣。

巖石超聲波試驗儀器采用HS-YS301C 型巖石聲波參數測試儀，如圖1所示，采樣精度最小為0.1 μs，可自動調節信號放大增益，范圍-20～80 dB。

圖1 HS-YS301C型巖石聲波參數測試儀

該次試驗巖樣試為圓柱體，直徑為50 mm，試件高度100 mm，端面平整度誤差小于0.05 mm。試試驗前先對儀器進行調試，將發射、接收兩個換能器涂抹上耦合劑，超聲波縱波測試時使用黃油，超聲波橫波測試時使用鋁箔。然后將換能器緊貼試樣，由巖石發射端產生超聲波，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。提取超聲波波形信號，進行濾波除噪處理，再識別接收波的起跳點。通過計算入射波和接收波起跳點的時間差，也就是超聲波穿過巖樣所用的時間，我們可以得到巖樣的彈性波速。巖樣長度除以超聲波穿過巖樣所用的時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，根據彈性波傳播理論，可根據（1）式計算得到巖石的動彈性模量，計算結果如表1所示。

表1 巖樣動態彈性模量計算結果

式（1）中：Ed為動彈性模量（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 聲波法評價巖體完整性計算

前人試驗研究表明，影響聲波在巖石中傳播速度的主要因素有3 個方面：體積密度、空隙和結構裂隙。致密均勻的巖樣，內部礦物顆粒之間結合較為緊密，巖石波速較高，而內部孔隙大、宏觀裂隙發育的巖樣波速偏低，巖石波速各向異性表現明顯。通過分析假設動彈性模量與密度的關系如下。

式（2）中：α為巖石完整因子（無量綱）。

從式（2）可以看出，隨著天然密度與動彈性模量呈線性相關關系，對于同種各向同性的巖石來講，α是一個定值。巖石密度越大，巖石顆粒之間粘結更為緊密，動彈性模量也越大；對于不同種類且內部孔隙裂隙較多的巖石，其密度也小，巖石顆粒之間粘結較為松散，動彈性模量也更小。因此可以通過定義α值為巖石完整因子，來評價巖石內部結構的完整性，α值越大，說明密度對動態彈性模量的影響越大，巖石也越完整，α值越小，說明密度對動態彈性模量的影響越小，巖石也越破碎。

彈性波傳播速度的測量過程中，動彈性模量是橫波和縱波在巖樣介質中傳播能力的量度指標，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的巖體裂隙發育較為嚴重，速度差異明顯，剔除掉異常點進行線性擬合，如圖2 所示。從表1數據中可以看出，B取樣孔的彈性模量與密度的相關性較好，其巖體的完整性比A取樣孔更好，異常點較少，對B取樣孔數據進行線性擬合，如圖3所示。

圖2 A取樣孔天然密度與動彈模值的關系

圖3 B取樣孔天然密度與動彈模值的關系

從圖2和圖3可以看出，2個取樣孔巖樣的天然密度與動彈性模量兩者具有很好的線性相關性，A取樣孔的相關系數r2=0.90，完整因子α=0.163 4；B取樣孔的相關系數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試試驗

對兩個取樣孔的巖體開展原位鉆孔彈模測試試驗，在應力-應變曲線的彈性階段內，應變呈直線增長，計算出這段直線的斜率，就能得到巖體的彈性模量。通過測試，可以得到兩個取樣孔彈性模量隨深度的變化規律，測試結果具體見圖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節基于超聲波測試分析的巖體完整性計算結果一致。

4 結論

利用巖石聲波測速儀進行室內波速試驗得到巖石縱波波速和橫波波速，計算動彈性模量并分析與天然密度的關系，并對兩個取樣孔的巖體完整性進行了評價，還與現場原位鉆孔彈模測試結果進行對比驗證，得出如下結論。

（1）天然密度與巖石動彈性模量具有良好的線性關系，隨著密度的增加動彈性模量增加，定義α為巖石完整性系數，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）通過現場原位測試可以看出，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，驗證了室內聲波法評價巖體完整性的可行性，但如何通過室內聲波法測得的動態力學參數去定量評價巖體完整性還需進一步研究。