巖土體彈性波速測試及巖土體波速與物理參數的相關性研究

摘要：以山東省煙臺市某建筑工程巖土工程勘察為背景工程，在結合工程場區巖土地質條件分布的基礎上，采用現場超聲波縱波速度實測的方法，對各層巖土體的縱波速度進行測試，并結合室內試驗以及現場標準貫入試驗，分析巖土體的超聲波縱波速度與各層巖土體的物理力學指標相關關系，得到以下幾個結論：隨著各巖土層重度指標的增加，巖土層的超聲波速度呈現線形增加的趨勢；巖石單軸抗壓強度呈現明顯分化，風化程度越低，單軸抗壓強度越高，表明其力學性質越好；隨著巖石單軸抗壓的增加，巖石超聲波縱波速度呈現指數的變化關系；隨著各巖土層實測標準貫入擊數的增加，巖土層的超聲波速度也呈現線形增加的趨勢。

關鍵詞：超聲波速度；原位測試；波速測試；物理參數；介質密度

0" "引言

天然狀態下的巖土體具有復雜的結構和物質組成，表現出力學性質的多樣性，正確評價巖土工程的物理力學性質是工程設計和采取工程措施的先決條件[1]。為了獲取巖土體的物理力學性質，一般采用室內試驗的方法進行測試。但這些方法得到的參數，諸如密度、彈性模量、泊松比等多為靜態參數，不能反映巖土工程受到動力荷載作用下的力學性能演變。而建立動力力學參數與靜力學參數之間的相互關系，則可以地綜合反映力學特性[2]。彈性波在巖土層中傳遞過程中，攜帶了巖土體大量物理力學性質信息，可利用彈性波縱橫波速度與巖土物理力學性質之間的相關關系，來揭示巖土體的性質和狀態，達到參數表征和工程勘測的目的[3]。

1" "工程概況

山東省煙臺市某建筑工程場地西側臨山，整體中西部高，中間有沖溝自北向南通過，屬于山麓斜坡地帶，后因施工等多次堆填形成現地表形態。地貌類型主要為坡積裙及山間沖溝，地形起伏很大，地面標高最大值79.02m，最小值53.22m，地表相對高差25.80m。巖土勘察包含7層中高層建筑19棟、4層多層建筑1棟、2層配套建筑1棟及1層配套建筑1棟。

2" "場區巖土工程條件

根據巖土工程勘察分析可知，鉆探深度范圍內揭露的巖土層如下：

地表分布素填土（Q4ml），共計151個鉆孔揭露該層，以粉質黏土為主回填，局部夾含建筑垃圾及生活垃圾等，厚度差異大，固結較差，成分不均。總體厚度為0.50～23.50m，層底標高為47.37～71.61m，層底埋深為0.50～23.50m。粉質黏土（Q4pl+dl）有121個鉆孔揭露該層，韌性及干強度中等，偶見土中包裹有角礫及碎石成分?？傮w厚度為0.90～9.70m，層底標高為45.80～68.81m，層底埋深為3.40～26.00m。

角礫混黏性土（Q4pl+dl）有計79個鉆孔揭露該層，以角礫為主，黏性土含量較高，局部夾粉質黏土層。該層混合土中局部夾碎石成分，場區多分布于東部沖溝附近，總體厚度為0.80～9.20m，層底標高為41.83～52.84m，層底埋深為6.80～25.00m。角礫（Q4pl+dl）分布在151#孔中，碎石粒徑多為3～8cm左右，最大超過10cm，充填物為巖石碎屑、砂土等部分區域相變為礫砂，總體厚度為0.80～5.50m，層底標高為44.30～52.80m，層底埋深為6.80～24.30m。

全風化云母片巖（Pt1fG）有120個鉆孔揭露該層，鱗片變晶結構，片狀構造，厚度為0.60～8.10m，層底標高為35.01～66.91m，層底埋深為1.60～29.00m。強風化云母片巖（上）（Pt1fG）有43個鉆孔揭露該層，鱗片變晶結構，片狀構造，厚度為0.80～10.70m，層底標高為32.18～63.31m，層底埋深為8.50～28.80m。

強風化云母片巖（下）（Pt1fG）有24個鉆孔揭露該層，鱗片變晶結構，片狀構造厚度為1.10～14.60m，層底標高為26.81～70.43m，層底埋深為4.00～37.00m，該層局部未穿透，最大揭露深度為14.60m。中風化云母片巖（Pt1fG）有24個鉆孔，鱗片變晶結構，片狀構造，該層未穿透，最大揭露深度為10.20m。各層土的標準貫入試驗擊數如表1所示。

3" "孔內彈性波速度測試方法

將超聲波作為彈性波，其頻率大于2萬Hz。超聲波在巖土體中傳播時，其傳播過程可以借由波動偏微分方程進行表達，如公式（1）所示[4-5]：

（1）

式中：ρ為巖土體的密度，u為位移，λ、μ為介質拉梅常數，為外力。

對公式（1）進行散度求解可得，其無旋波（縱波）的傳播速度，如公式（2）所示。

（2）

式中：Vp為超聲波的縱波速度。

對公式（1）進行旋度求解可得，其無散度波（橫波）的傳播速度，如公式（3）所示。

（3）

式中：Vs為超聲波的橫波速度。

在實際巖土工程現場測試中，采用的超聲波縱波測試方法如下：將自接自收超聲波探頭放入測孔的預定深度；超聲波發射換能器激發超聲波，并在巖土體中傳播，反射后被探頭中的接收換能器接收；接收換能器將采集的超聲波縱波信號轉化為電信號，并傳輸至超聲波接收儀；經過示波器顯示，將電信號轉化為聲波數字信號；這些信號通過軟件進行濾波處理以及頻譜分析，得到反映巖土體性能參數的動力學參數。具體的超聲波縱波信號采集過程如圖1所示。

4" "孔內彈性波速度與物理參數的相關性分析

對場區15個超聲波縱波測孔數據進行統計分析，并結合測孔內各土層的室內試驗物理指標測試結果，研究物理指標與超聲波縱波速度的相關關系，結果如圖2所示。從圖2可以看出，巖土層的重度分布范圍較為集中，各土層的超聲波縱波速度呈現出一定的分層現象。整體而言，隨著各巖土層重度指標的增加，巖土層的超聲波速度也呈現線形增加的趨勢，兩者的相互關系如公式（4）所示。

Vp=111.6γ，R2=0.991" " " " " " " " " （4）

式中：Vp為超聲波縱波速度，單位為m/s；γ為巖土層室內試驗重度，單位為kN/m3；R為擬合系數。

為研究巖石層力學指標與超聲波縱波速度之間的關系，選取了⑦強風化云母片巖（上）、⑧強風化云母片巖（下）和⑨中風化云母片巖進行研究。土層中的⑥全風化云母片巖由于風化嚴重、取樣困難，無法獲取其飽和單軸抗壓強度，因此統計時不考慮該巖層的超聲波縱波速度與飽和單軸抗壓強度的關系。

各巖層超聲波縱波速度與飽和單軸抗壓強度的統計結果以及曲線相關關系分別如圖3所示。從圖3中可以看出，⑦強風化云母片巖（上）、⑧強風化云母片巖（下）和⑨中風化云母片巖的單軸抗壓強度，呈現明顯的分化，風化程度越低，單軸抗壓強度越高，表明其力學性質越好。隨著巖石單軸抗壓的增加，巖石超聲波縱波速度呈現的變化關系如公式（5）所示。

Vp=490.9ln（σ），R2=0.809" " " " " " " " （5）

式中：Vp為超聲波縱波速度，單位為m/s；σ為巖石的單軸抗壓強度，單位為MPa；R為擬合系數。

對場區15個超聲波縱波測孔數據進行統計分析，并結合測孔內各土層現場標準貫入試驗錘擊數結果，研究標貫擊數與超聲波縱波速度的相關關系，結果如圖4所示。從圖中可以看出，各層巖土層的標準貫入擊數分布較為分散，各土層的超聲波縱波速度呈現出一定的分層現象，這與標準貫入擊數與超聲波縱波的變化規律較好的一致性，也側面表明超聲波縱波速度在一定程度上反映了巖土層的力學性質。整體而言，隨著各巖土層實測標準貫入擊數的增加，巖土層的超聲波速度也呈現線形增加的趨勢，兩者的相互關系如公式（6）所示。

Vp=10.457N，R2=0.8190" " " " " " " "（6）

式中，Vp為超聲波縱波速度，m/s；N為巖石的實測標準貫入擊數，擊；R為擬合系數。

5" "結語

本文以山東省煙臺市某建筑工程巖土工程勘察為背景工程，分析巖土體的超聲波縱波速度與各層巖土體的物理力學指標相關關系，得到以下幾個結論：

各層巖土層的重度分布范圍較為集中，但各土層的超聲波縱波速度呈現出一定的分層現象。隨著各巖土層重度指標的增加，巖土層的超聲波速度也呈現線形增加的趨勢。

巖石單軸抗壓強度呈現明顯的分化，風化程度越低，其單軸抗壓強度越高，表明其力學性質越好。隨著巖石單軸抗壓的增加，巖石超聲波縱波速度呈現指數的變化關系；

各層巖土層的標準貫入擊數分布較為分散，各土層的超聲波縱波速度呈現出一定的分層現象。隨著各巖土層實測標準貫入擊數的增加，巖土層的超聲波速度也呈現線形增加的趨勢。

參考文獻

[1] 劉洋，李遠，喬蘭，等.干耦合超聲波測試技術及其巖石動靜參量測試應用[J].煤炭學報，2019，44（5）：1465-1472.

[2] 王虎，吳濤，張仕杰，等.砂質海底沉積物壓縮波速與物理參數關系試驗研究[J].海洋地質與第四紀地質，2021，41（2）：222-230.

[3] 原野，王志修，于世波.基于聲波鉆孔測試技術的巖體完整性分析[J].中國礦業，2019，28（z1）：85-87.

[4] 王建軍.超聲波測孔及鉆孔電視錄像在牛嶺水庫地質勘查中的應用[J].江淮水利科技，2020（6）：14-15.

[5] 秦秀山，曹輝.基于鉆孔超聲波成像測試技術的巖體完整性分析[J].有色金屬工程，2017，7（1）：82-86.