振动法与超声波法测试岩块纵波波速的实测比对研究

侯兴民，孙 蒙，张一林

(烟台大学 土木工程学院，山东 烟台 264005)

岩块纵波波速是反映岩块物理性质、内部节理裂隙发育情况、岩体完整程度的一项重要参数，准确测得岩块纵波波速是岩石力学领域亟需解决的一项工作。GB 50021—2001(2009年版)《岩土工程勘察规范》[1](以下简称“规范”)中对岩体纵波波速有明确的规定，主要测试方法有地震波法和孔内超声波法等，而规范中提到的岩块纵波波速测试方法只有超声波测试法。

无论是岩块波速测试还是岩体波速测试，当采用地震波法和超声波法测试介质波速时，得到的波速存在一定的差异，且超声波法测得的波速高于地震波法测得的波速，主要原因是由两种测试方法激发的弹性波的频率不同[2-3]。因此在工程勘测中，岩体与岩块的纵波波速应采用同一种方法进行测试，根据同一种测试方法测得的弹性波波速得到的岩体完整性系数才较为精确，才能更加准确地评价岩体完整程度[4]。

一直以来，岩块波速都是采用超声波法测试，国内外学者对其研究较多，也取得了很多成果。Thill等[5]研究了声波波速随裂纹方向的变化规律，提出了确定岩石波速各向异性的方法。王大雁等[6]对冻土进行了超声波测试，发现超声波速与测试冻土的一些动力学参数以及未冻含水量之间有良好的相关性，为今后通过超声波速估计岩土体弹性参数提供了一种无损检测方法。邓华锋等[7]为了更深入得研究超声波测试岩块各项物理力学参数，选取了典型砂岩制备成标准岩块，进行饱和水风干试验，得到岩块纵波波速与饱水度及风干过程的影响关系。刘少赫等[8]对砂岩进行了单轴以及围压条件下的冲击试验，通过超声纵波波速定义了岩样的冲击损伤，分析得到了波速与应力应变关系。江进等[9]对西山大佛岩石进行了超声波测试，结合物理力学实验，分析了岩块动静力学参数随水平进深的变化规律。张志镇等[10]利用声发射设备测得纵波波速，研究了3种不同岩石冲击倾向与其波速变化关系，并通过试验验证了这一关系。张程远等[11]采用经验公式将各个因素对波速的影响考虑在内，修正了岩块地震波速度，利用岩体与岩块的岩性分类转换系数，将超声波速度转换成地震波速度，进而确定岩体完整性系数，该方法提高了测试效率，也降低了测试成本。

由于超声波波长短，衰减快，其工作频带窄，且测试结果受频率影响较大，鉴于此，在以往超声波法波速测试的基础上，提出了一种利用振动测试设备进行岩块纵波波速测试的方法，对钻孔取芯得到的不同岩性、尺寸、风化程度的岩块进行了测试及分析，通过对比超声波法测试结果，验证了振动法测试的准确性。

1 岩块纵波波速测试原理及数据处理方法

振动法产生的波动是振动的传播，在激发荷载作用下的振动不会立刻影响其他部位，其传播需要时间，并经过一定的通道。振动法通过敲击岩块一端激发弹性波，并在岩块内传播至另一端并被接收。振动波与声波、地震波存在一定的差异。振动法产生的波动其物理本质是力锤敲击处的岩块质点将振动以弹性波的形式传递给相邻的质点，这种质点振动的传递即产生振动波。振动波由力锤敲击岩块一端激发，并在岩块内传播产生。而地震波是由震源激发并经过地球介质传播产生的波动。由于地球内部介质不均一，地震波比岩块里传播的超声波和振动波复杂很多。声波是由发声体振动产生的、在介质中传播的波动，在岩块内传播的超声波可以理解为能量比较弱、频率比较高的振动波，其振动频率高于振动波频率[12]。在岩块等结构中，纵波波长越短，波速越快。超声波频率达到数十万赫兹，其对应的波长较短，约几厘米，而锤击激发的振动波的波长约是超声波的十倍。因此采用超声波测试岩块纵波波速比振动波要高。

黄世强等利用超声波法测试玄武岩岩块纵波波速时，当激发的超声波频率从25 kHz增大到1 000 kHz时测得的纵波波速由4 700 m/s增加到了6 000 m/s，呈现出明显的频散特性[13]。超声波频率较高，对波速影响不能忽略。

1.1 振动法测试的基本原理

超声波的激振过程：通过在超声波探头两端镀银，为电极加上电压，使超声波探头在厚度方向产生伸缩进而激发超声波。地震波的激振过程：利用人工方法激发地震波，即采用地表锤击压重物的木板，产生向四周辐射的地震波，并在介质中传播。本文提出的振动法与超声波法和地震勘探技术不同的是，振动法需要在测试前固定住岩块，然后用力锤敲击岩块一端激发纵波，并在岩块介质中传播。通过布设在岩块两端的振动加速度传感器清晰地采集下振动信号。

试验设备主要包含了夹紧系统、信号采集系统、数据处理系统和激振系统。激发系统为力锤，用力锤在岩块横截面处沿垂直岩块横截面方向敲击激振。振动法的实测示意图如图1所示。

图1 振动法测试示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of vibration method test

1.2 数据处理

岩块纵波波速测试精度的关键在于两传感器采集信号的到时差的识别，主要应用互相关函数进行识别。互相关函数是分析输入信号与输出信号相关程度的工具，即互相关函数描述了时域上相差为τ的两个振动信号的相关程度。通过编制程序计算输入信号与输出信号的互相关函数的峰值点的位置来确定两函数的偏移量，从而得到到时差[14]。

设两个信号x(t)和y(t)由被测信号s(t)和噪声n(t)组成，即

x(t)=s(t)+n(t)

(1)

y(t)=s(t+τ)+n(t)

(2)

式中，τ为延迟时间。根据前面的相关性的定义可知，随机信号x(t)和y(t)的互相关函数可定义为

(3)

式中，T为随机信号x(t)和y(t)的采样时间。互相关函数Rxy(τ)是τ的函数，它完整地描述了两个信号之间的相关情况或取值依赖关系。

对振动信号x(t)和y(t)进行互相关分析，即对振动信号x(t)和延迟后的信号y(t+τ)进行卷积运算，得到的结果就是振动信号x(t)和y(t)的互相关函数。互相关函数最大值对应的延时即为到时差Δt，进而根据式(4)求出岩块纵波波速。

(4)

式中:Vpr为岩块纵波波速;L为岩块长度;Δt为两个传感器接收到振动信号的到时差。

2 岩样制备及试验方法

2.1 岩样特征

选用大连液流电池储能调峰电站取到的辉绿岩，青岛金能洞库取的花岗岩、泥质灰岩，养马岛取的大理岩四种岩性11个岩块作为测试岩样，将所要测量的岩块加工成圆柱岩样，两端面加工光滑。

岩块中的花岗岩为二长花岗岩，块状构造，呈粒状或斑状结构，其主要矿物成分有黑云母、斜长石、石英等。辉绿岩的矿物成分与辉长岩相似，主要矿物成分为辉石和基性斜长石还有少量黑云母、石英等，具有斑状结构，岩石呈暗绿或黑色。泥质灰岩以土黄色泥质灰岩为主，灰岩成分较多呈细晶结构。大理岩为粒状变晶结构，其主要矿物为白云石。

岩块按照“规范”要求进行制备，标准岩样尺寸为：直径约50 mm，高度约100～125 mm。岩块两端面不平行度误差不大于0.05 mm，高度、直径和边长的误差不大于0.3 mm，端面垂直试件轴线且最大偏差不超过0.25°，为了作对比，也选取了几个不同尺寸的岩块进行波速测试。钻孔取芯加工的岩块的岩性、尺寸及风化程度等参数如表1所示。

表1 岩块样品的岩性、尺寸及风化程度Tab.1 The lithology,size and weathering degree of rock specimens

2.2 振动法测试

传感器采用P-150型振动加速度传感器(通频带为0.5 Hz～9 kHz)，连接好COINV数据采集仪、笔记本电脑以及激振力锤等设备。为了使岩块与传感器之间接触良好，测试前需要用砂纸打磨岩块两端面，使其干净、无杂质，再用岩块固定装置将岩块固定。于两端横截面中心处用双面胶粘贴两个振动加速度传感器，分别采集输入信号和输出信号。

调试设备及各项参数，采样频率设置为10 MHz，采样时间为2 s，用BY-L200型力锤在岩块横截面处沿垂直岩块横截面方向进行锤击激振，配合上数据采集仪、电脑记录显示振动信号和波形，完成各个岩块的纵波波速测试，振动法测试图如图2所示。

图2 振动法测试图Fig.2 Vibration test

2.3 超声波测试

为了验证振动法测试数据的准确性，采用ZBL-U510型非金属声波测试仪测试岩块的纵波波速，首先是将两个超声换能器连接到主机通道上，然后调节测试仪各类参数如建立工程、新建构件、将所测岩块尺寸输入，完成之后要进行调零。将两个换能器通过TM-100型超声耦合剂耦合到岩块两端横截面中心，换能器工作频率为50 kHz。每个岩块进行3次测量，取其平均值作为测试结果储存，储存好数据之后，便可通过U盘将测试数据拷入电脑读取。

3 试验结果及分析

本次试验采用振动法与超声波法的测试结果如表2所示。图3为振动法实测的各个岩块水平加速度时程曲线以及互相关函数图，互相关函数波峰点的位置对应的延时即为到时差。由表2可以发现，振动法与超声波法测试结果有一定差异，且对同一岩块，超声波法测试结果均大于振动法测试结果。

表2 岩块纵波波速测试结果Tab.2 Test results of compression wave velocity of rock

试样10图3 各试样水平加速度时程曲线及互相关分析图Fig.3 Sample horizontal acceleration time history curve and cross-correlation analysis diagram

由表2可以看出，不同岩性的岩块，其波速具有一定的变化范围。岩块纵波波速主要与其造岩矿物的组分、相对含量以及完整程度等因素有关。

组成岩块的矿物(长石、云母等)各自具有各自的性质，不同岩性的岩块，其矿物组分不同，因此波速各不相同。花岗岩岩块取样于完整的岩体，其主要矿物为石英、斜长石，结构致密、孔隙小，其平均波速为5 077.1 m/s。辉绿岩取样于较完整的岩体，其结构均匀致密、质地坚硬，其平均波速为4 936.9 m/s，其纵波波速在几种岩性的岩块中最高。泥质灰岩钻孔取样岩体为泥质胶结，其主要矿物为方解石，岩块硬度低，易劈裂，其致密程度较花岗岩低，所测得的岩块纵波波速为四种岩性的岩块中最低。本次测试的大理岩岩块取样于节理裂隙发育、完成程度比较破碎的大理岩岩体，其表面含有几条微裂隙，平均波速为4 603.6 m/s，由此可以看出，完整程度对波速影响较大。

岩块的尺寸也是影响纵波波速的因素之一。由试件5可以看出，当岩块长度增大时，其表面存在的微裂隙以及内部孔隙都增多了，波传播时折射、散射现象较多，使得振动法与超声波法测试结果均小于标准尺寸的岩块纵波波速。但相对于振动法，超声波法测试结果的变化幅度较大，由此可以看出，超声波频率较高，其频率对波速影响较大。

测试的大理岩岩块由于其表面有微裂隙的存在，使测得的纵波波速降低，主要原因在于当振动波沿测试方向传播时，遇到微裂隙会发生反射、绕射等现象，增大了波的传播距离，导致纵波波速降低[15-16]。其振动法测试结果与超声波法测试结果的相对误差最大，达到了-7.87%，由此可以看出，对于比较破碎的岩块，采用振动法测试岩块纵波波速有较好的测试效果。

5 结 论

(1) 本文在以往超声波法波速测试的基础上，提出了采用振动法测试岩块纵波波速，振动法测试结果与超声波法测试结果对比，两者最大相对误差达到-7.87%。超声波法激发的振源为超声波，超声波频率较高，频率对波速的影响不能忽略。

(2) 本文对钻孔取芯得到的不同岩性、尺寸、风化程度的岩块进行了测试及分析，得到了不同因素对岩块波速的影响情况。振动法与超声波法测试结果对比表明：纵波波速受到岩块致密程度、硬度、完整程度的影响。岩块纵波波速随岩块致密程度、硬度、强度的增大而增大，随岩块微裂隙的增多而减小。

(3) 以往岩体完整性系数Kv大多根据振动法测得的岩体纵波速度与任意频率超声波测得的岩块纵波速度求得的，这是不合理的。采用振动法测试岩体与岩块纵波速度进而求得Kv，能更准确地评价岩体完整性。