层状岩体超声波测试技术的研究

■徐 珂 ■九江学院土木与城市建设学院，江西 九江 332005

层状岩体是由不同厚度、岩性及成分的多种岩石组合而成的天然岩层，在漫长的地质历史时期下，岩体内部出现宏观结构面和微细观损伤，因此层状岩体与单一岩石的特性十分不同。

岩体介质超声波测试技术是以人工激振的方式向混凝土、岩体、岩石等介质发射超声波，然后在另一端接收介质物理超声波，通过测定出超声波穿透岩体后声波信号中的声学参数(包括超声波波速、波形、频率、频谱、振幅、衰减系数等)的变化，间接地反映出岩体的结构构造特征、物理力学特性及应力状态的不同。超声波测试技术准确、简单、快速、经济无损，在简单岩体结构模型参数、岩土体动弹性参数测试和岩体质量评价等方面得到广泛应用［1］。

1 试验设备与试验方法

1．1 试验设备

试验采用RSM-SY5数字式声波仪，由计算机、声波仪、纵波发射换能器、纵波接收换能器四个部分组成。考虑电子线路本身的延迟时T0，以声传播某一固定距离L所需时间T为前提，所测计算超声波在不同长度试件中的传播速度：

式中：v——声波波速 L——-试件的纵向尺寸

T——超声波穿过电子线路及试件的总延迟时间

To——电子线路本身的延迟时间

1．2 试验步骤

(1)制作试件。实验根据《工程岩土实验方法标准》(GB/T50266-99)，选用石灰岩、玄武岩、花岗岩三种岩石，切割打磨成直径50mm，高33mm和直径50mm，高100mm的圆柱形试件，将三个33mm试样用502粘结剂粘结形成层状岩石，制作四组试样分别为石灰岩试样、玄武岩试样、花岗岩试样和层状岩试样，每组三个；

(2)试件要求。根据《工程岩土实验方法标准》(GB/T50266-99)要求试件两端面不平整度误差≤0.05mm；沿试件直径、高度的误差≤0.3mm；端面与试件轴线相垂直，且最大偏差不大于0.25°

(3)试验方法。①测出在天然状态下岩石试件的密度；②将试件放在RSM-SY5数字式声波仪的两个探头之间，一端是脉冲声波源发射器，另一端是脉冲声波源接收器。试件与探头之间用浆糊作耦合剂(为了将声能充分辐射到介质中去，在被测试件和换能器之间使用耦合剂，以更好发挥换能器的声电效率)，接收的声波全部经过计算机采集处理，以测量出自然状态下岩石试件的纵波速度。读数时要读出声波波形的起跳点、读取声时、读出纵波波速；③更换试件重复步骤3次；④岩石试件的纵波速度为3次计算结果的算术平均值。

2 实验数据

测得天然状态下层状岩体试件的纵波波速、天然密度结果(部分数据)为：

(1)层状岩1，天然密度=2.75(g/cm3)，纵波波速=4.253(km/s)

(2)层状岩2，天然密度=2.78(g/cm3)，纵波波速=4.328(km/s)

(3)层状岩3，天然密度=2.77(g/cm3)，纵波波速=4.296(km/s)

计算出石灰岩、玄武岩、花岗岩和三者组成的层状岩体的平均纵波波速分别为：

①V石灰 =4.742km/s；②V玄武 =5.515km/s；③V花岗 =3.408km/s；④V 层状 =4.296km/s；

对于同一岩性的岩石，其天然密度越大，岩石完整性越好，结构越致密，声波纵波速度则越大。

3 结 语

根据试验结果：石灰岩、玄武岩、花岗岩和层状岩体的纵波波速分别为4.742km/s5.515km/s、3.408km/s和4.296km/s，从试验结果发现纵波波速值中玄武岩最大、石灰岩次之、花岗岩最小，层状岩体则介于三者之间。

由于有结构面的存在，在结构面处有很多节理面、裂隙面的存在会改变岩石的应力状态分布，引起波速的减小。

声波在垂直方向传播穿过水平结构层时，层间的孔隙、裂隙、缝隙对声波会有一定的吸收作用，因此理论上声波穿过石灰岩、玄武岩、花岗岩组合而成的层状岩体的纵波波速应为4371m/s，而实测波速却为4293m/s。

［1］赵明阶，徐蓉.岩石声学特性研究现状及展望［J］.重庆交通学院学报，2000，6(19)，79.

［2］徐鸣洁，钟锴，俞缙，等.南京地铁工程勘查中声波测试与分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(6)：1018-1024.

［3］彭苏萍，谢和平，何满潮，等.沉积相变岩体声波速度特征的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2831-2837.

［4］孙国清.原位声波测试法在岩体力学性质研究中的应用［J］.安徽理工大学学报，2006，26(2)：5-8.

［5］蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002∶351-352.