基于超声波测试的岩体完整性分析

黄雅兰

(江西理工大学材料冶金化学学部 江西赣州 34100)

岩石是由一种或多种矿物组成的复杂地质体，由于节理、裂隙的存在，使岩石在力学性质上表现出离散型和随机性[1]。岩体力学参数的合理确定是岩体工程应用中的一项基本工作，也一种是岩土工程学者研究的重要课题[2-4]。现场大型原位测试是最直接、最准确获取岩体力学参数的方法，但受制于选址困难、设备沉重、费用高、周期长等方面的局限性，不能完全满足工程设计要求。相对于静力测试方法，动力测试方法具有快捷便利、测试成本低、能够实施大体积测试和测试细小结构面力学参数等优点，动力法是静力法必不可少的补充，发展动力测试方法具有广泛应用前景和重要研究意义。

岩石介质超声波测试技术就是动力法测试的一种，岩石超声波信号的变化，间接地反映了岩石或岩体的物理力学特性和结构特征，在地质工程实践中，可以猜用岩体与岩石的纵波和横波的比值来表征岩体的完整性[5]；杨福见等人[6]基于超声波波速定义的损伤变量研究了动载扰动后花岗岩物理力学特性；杨静熙等人[7]运用声波法研究了三峡风化带岩体声学性质和动静弹模的关系；王如江等人[8]运用声波测试技术研究了岩石波速与强度参数的变化关系；范翔宇等人[9]研究了层理性页岩在不同含水率下，声波的传播速度及能量衰减特征。

该文运用超声波测试技术结合弹性波在一维介质中传播理论，通过测得超声波在岩石中的纵波横波波速研究岩石动弹性模量与岩石基本物理参数的关系，对岩体完整性进行评价，研究成果可为发展岩石超声波测试技术提供参考和依据。

1 岩石超声波测试

测试所用岩样来自南方某矿山，该矿区矿石类型以含金硫化物-条带状破碎蚀变岩型和含金黄铁矿石英脉型为主，岩体呈块状结构，由云母斜长变粒岩、斜长云母石英片岩、构造角砾岩组成。在井下采空区，设置两个取样孔，分别为取样孔A和取样孔B，取样孔相距8 m，经过打磨加工，每个取样孔各取出9个岩样。

岩石超声波试验仪器采用HS-YS301C 型岩石声波参数测试仪，如图1所示，采样精度最小为0.1 μs，可自动调节信号放大增益，范围-20～80 dB。

图1 HS-YS301C型岩石声波参数测试仪

该次试验岩样试为圆柱体，直径为50 mm，试件高度100 mm，端面平整度误差小于0.05 mm。试试验前先对仪器进行调试，将发射、接收两个换能器涂抹上耦合剂，超声波纵波测试时使用黄油，超声波横波测试时使用铝箔。然后将换能器紧贴试样，由岩石发射端产生超声波，超声波穿过岩石到另一端由接收换能器接收，保存超声波波形信号。提取超声波波形信号，进行滤波除噪处理，再识别接收波的起跳点。通过计算入射波和接收波起跳点的时间差，也就是超声波穿过岩样所用的时间，我们可以得到岩样的弹性波速。岩样长度除以超声波穿过岩样所用的时间得到岩样的弹性波速。

把岩石看作均一、各向同性的弹性无限体，根据弹性波传播理论，可根据（1）式计算得到岩石的动弹性模量，计算结果如表1所示。

表1 岩样动态弹性模量计算结果

式（1）中：Ed为动弹性模量（GPa）；ρ为岩石试样的密度（kg/m3）；Vp、Vs分别为纵波、横波波速（m/s）。

2 声波法评价岩体完整性计算

前人试验研究表明，影响声波在岩石中传播速度的主要因素有3 个方面：体积密度、空隙和结构裂隙。致密均匀的岩样，内部矿物颗粒之间结合较为紧密，岩石波速较高，而内部孔隙大、宏观裂隙发育的岩样波速偏低，岩石波速各向异性表现明显。通过分析假设动弹性模量与密度的关系如下。

式（2）中：α为岩石完整因子（无量纲）。

从式（2）可以看出，随着天然密度与动弹性模量呈线性相关关系，对于同种各向同性的岩石来讲，α是一个定值。岩石密度越大，岩石颗粒之间粘结更为紧密，动弹性模量也越大；对于不同种类且内部孔隙裂隙较多的岩石，其密度也小，岩石颗粒之间粘结较为松散，动弹性模量也更小。因此可以通过定义α值为岩石完整因子，来评价岩石内部结构的完整性，α值越大，说明密度对动态弹性模量的影响越大，岩石也越完整，α值越小，说明密度对动态弹性模量的影响越小，岩石也越破碎。

弹性波传播速度的测量过程中，动弹性模量是横波和纵波在岩样介质中传播能力的量度指标，从表1中可以看出，取样孔A的弹性模量与密度的离散性较大，这是由于取样孔A的岩体裂隙发育较为严重，速度差异明显，剔除掉异常点进行线性拟合，如图2 所示。从表1数据中可以看出，B取样孔的弹性模量与密度的相关性较好，其岩体的完整性比A取样孔更好，异常点较少，对B取样孔数据进行线性拟合，如图3所示。

图2 A取样孔天然密度与动弹模值的关系

图3 B取样孔天然密度与动弹模值的关系

从图2和图3可以看出，2个取样孔岩样的天然密度与动弹性模量两者具有很好的线性相关性，A取样孔的相关系数r2=0.90，完整因子α=0.163 4；B取样孔的相关系数r2=0.90，完整因子α=0.279 4。由于B取样孔的完整因子大于A取样孔的完整因子，说明B取样孔岩样所在的岩体完整性更好。

3 岩体完整性的原位测试试验

对两个取样孔的岩体开展原位钻孔弹模测试试验，在应力-应变曲线的弹性阶段内，应变呈直线增长，计算出这段直线的斜率，就能得到岩体的弹性模量。通过测试，可以得到两个取样孔弹性模量随深度的变化规律，测试结果具体见图4。

图4 不同深度下的岩体弹性模量

从图4可以看出A取样孔的岩体弹模是集中在6～10 GPa，取样孔B的岩体弹模集中在20～43 GPa，取样孔B的岩体弹模值远大于取样孔A的岩体弹模值，说明取样孔B的岩体空隙裂隙较少，完整性更好。这与第2节基于超声波测试分析的岩体完整性计算结果一致。

4 结论

利用岩石声波测速仪进行室内波速试验得到岩石纵波波速和横波波速，计算动弹性模量并分析与天然密度的关系，并对两个取样孔的岩体完整性进行了评价，还与现场原位钻孔弹模测试结果进行对比验证，得出如下结论。

（1）天然密度与岩石动弹性模量具有良好的线性关系，随着密度的增加动弹性模量增加，定义α为岩石完整性系数，通过线性拟合得到A取样孔的α为0.163 4，B取样孔的α为0.279 4，说明B取样孔的岩体完整性较好。（2）通过现场原位测试可以看出，B取样孔的岩体弹模值明显大于A取样孔的岩体弹模值，说明B取样孔的岩体完整性比A取样孔更好，与声波法分析一致，验证了室内声波法评价岩体完整性的可行性，但如何通过室内声波法测得的动态力学参数去定量评价岩体完整性还需进一步研究。