岩石试件纵波测试的影响因素

龚兴耀 尹全勇 胡 惠

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

岩石的弹性性质和声波在岩石中的传播特性,是岩石声波测试的理论基础。声波测试是利用频率为数千赫的声频弹性波通过岩体,了解声波在岩石中传播的规律与岩石介质性质的关系,研究声波在不同性质和结构的岩体中的传播特性,在工程岩体分类和评估方面具有重要的作用。

岩石内在和外部特征上的差异,如岩石的矿物成分、化学成分、胶结物和胶结状况、颗粒度、孔隙率、天然裂隙、硬度和强度、风化程度、变质程度及结构和构造等因素，都将引起波速的变化,所以声波检测能在很大程度上综合评价岩石的固有属性,故准确地测试岩石的纵波波速对提高铁路勘察设计准确性有着重要的意义。

本文从影响岩石试件声波测试的内在原因和外部因素着手,进行分析总结,为在试验检测中准确测试岩石试件的纵波波速提供参考。

1 岩石试件波速测试的基本原理及方法

岩石超声波检测技术是利用人工激发产生的超声波研究声波在岩体内传播规律的一种技术。采用带波形显示记录功能的超声波检测仪和频率为50 kHz～1 MHz声波换能器,测量超声波在岩石中的传播速度、首波振幅和接收信号频谱变化等声学参数,并根据这些参数及其相对变化,可以判断岩石的风化及物理性能,以及岩体内结构状态、弹性参数及岩体物理力学性质等。

在进行岩石试件纵波测试时,在柱状岩样的两端或直径方向上放置纵波发射换能器及接收换能器,选用凡士林或黄油作为耦合剂,在非受力状态下测定岩样的纵波波速(Vp),不同大小的岩样应使用不同型号的换能器。岩样超声波纵波波速测试原理如图1所示。

图1 岩石声波测试原理

(1)

式中Vp——纵波速度/(m/s)；

L——发射、接收换能器中心间的距离/m；

tp——纵波在试件中行走的时间/s；

t0——仪器系统的零延时/s。

2 岩石试件声波检测的条件

在进行岩石试件纵波测试时,必须合理选择岩石试件的尺寸和换能器的频率,使岩石试件能被视为均匀无限体介质。要把岩石试件视为均匀介质,就要求波长大到可以忽略岩石颗粒等界面造成的各种影响；要把岩石试件看作无限体介质,则要求波长与试件尺寸比小到某一数值,使波的传播不受试件界面的影响。对于固定尺寸的岩石试件来说，只要选择换能器频率,使声波在岩石试件中传播的波长既能满足无限体又能满足均匀体的要求,就可以把岩石试件看作是均匀无限体介质。根据相关规范的规定,换能器频率要满足以下要求

(2)

式中f——换能器发射频率/Hz；

Vp——岩石纵波速度/(m/s)；

D——试件的直径/m。

3 岩石试件纵波波速的影响因素

岩石本身的性质是影响纵波波速大小的关键因素,其中包括岩石的矿物成分、化学成分、胶结物和胶结状况、颗粒度、密度、孔隙率、天然裂隙、硬度和强度、风化程度、变质程度以及结构和构造等,因而纵波在同种岩石中的传播速度也有不同变化；同时在岩石试件纵波测试过程中,仪器设备、参数设置以及人员操作的影响因素也必须加以考虑。

3.1 纵波速度与岩性之间的关系

实践表明,各类岩石具有不同的纵波速度,同类岩石由于受颗粒度、密度、孔隙率、天然裂隙、硬度、强度、风化程度、变质程度等因素的影响,测试值的离散程度不一。但是总的规律是：每一类岩石具有代表性的纵波速度值和离散系数；大理岩的纵波速度一般高于闪长岩和花岗岩；片岩、片麻岩的纵波速度,由于片理的影响,波动较大,离散系数也大。

新鲜完整的岩石波速较高,风化岩石波速较低,风化越严重,波速就越低。这是由于风化作用使岩石中的结构面增加,且原有的矿物分解成次生的亲水矿物,矿物或岩屑颗粒之间的连结状态,也由原来的结晶连结或胶结连结转化为水胶连结,较为松散,从而使声波传播时间增长,波速降低,而吸收衰减增大,波幅大大缩小,声波在风化岩石中的穿透能力也大为减弱。

任何一种岩石物理力学性能的检测值都是在很大范围内变化的,因此岩性对纵波速度的影响不能进行简单的满意描述,本文仅就岩石密度与纵波速度的关系进行分析,并对日常工作中检测的部分种类岩石的密度与纵波速度进行了统计(表1)。

从表1可以看出,岩石本身的性质使得纵波在其中传播的速度不同,但其变化却在一定的范围内,即在一般情况下,岩石的波速与岩石的密度呈正相关关系。在火成岩正常类型岩系中,花岗岩的平均密度最低,纵波速度随岩石基性度增加而增高；在变质岩中,纵波速度受岩石结构构造影响很大；由于大部分沉积岩属多孔介质,岩石的孔隙率以及孔隙内填充物质对波速的影响很大,沉积岩的纵波速度与火成岩相比变化范围要大的多。

表1 不同岩石密度、纵波波速

3.2 测量仪器

在工作中同时采用北京智博联以及武汉岩海两种不同仪器，测试各种不同类型岩石的纵波波速,所测试的纵波波速的结果如表2所示。从表2中可以看出,两种仪器设备的测试结果基本接近,说明采用不同设备,只要正确设置合理的参数,测试结果都是准确的。

表2 两种仪器所测纵波波速统计

3.3 零延时t0的影响

由式(1)也可以看出零延时t0对岩石纵波波速计算的重要性。零延时t0是指仪器系统换能器的滞后时间,与耦合剂的种类有很大的关系,是测试岩石纵波波速首先要标定的重要参数。不同的仪器设备和耦合剂的零延时t0有所不同。因此，试验前最重要的准备工作便是准确测定其零延时t0。

3.4 不同人员影响因素的考虑

为了尽量较小测试人员所带来的误差,同一组试件由某单位测试后作为基准值后又安排了两组测试人员进行对比测试,测试岩石的纵波波速测试结果如表3所示。

表3 不同测试人员测试的不同岩石的纵波波速

从表4可以看出,对于不同的测试人员,其带来的测试结果误差在允许范围,几乎可以忽略。

4 结 论

人员及仪器设备对岩石纵波波速测试结果的影响均较小,岩石本身的性质是影响岩石纵波波速的最主要因素,这是造成岩石纵波波速测试值波动较大的根本原因；另一方面,正是这种波动性反应了岩石内部结构的复杂性。从设计人员的角度来讲,对于这种波动性测试结果的认可是提高工程勘察设计质量的前提。

[1]铁道部第一勘测设计院.TB10115—1998 铁路工程岩石试验规程[S].北京：中国铁道出版社,1998

[2]铁道部第一勘测设计院.工程地质试验手册[M].北京：中国铁道出版社,1982

[3]王让甲.声波岩石分级和岩石动弹性力学参数的分级研究[M].北京：地质出版社,1997