岩体参数测试应用

      岩体参数测试是以声波在岩体中的传播特性与岩体的物理力学参数相关性为基础，通过测定声波在岩体中的传播特性参数，为评价工程岩体力学性质提供依据。其在岩石工程中应用广泛，主要有工程岩体质量分级、围岩松动圈的测定、大坝基础灌浆效果检测、岩体动静弹模对比、建基面基岩质量评价和验收、爆破开挖影响范围检测、测定风化系数、完整性系数和各向异性系数、断层和岩溶等地质缺陷探查等等。

一、由声速测取岩体与岩石弹性力学参数

      在测取了VP和VS并获取岩体的密度ρ，即可获得岩体的弹性模量E、剪切模量G、泊桑比σ。

二、用纵、横波（Vp/Vs）比值评价岩体质量

      弹性理论证明，岩体的泊桑比σ反映岩体弹性性能，即岩体的“软”、“硬”程度。由于泊桑比与纵、横声速之比有着密切的关系，所以常用纵横波速度之比来反映岩体的物理性状。纵横波速度比Vp/Vs与泊桑比σ的关系如表1

表 1 纵横波速度比Vp/Vs与泊桑比σ的关系

显然，Vp/Vs值越大，岩体越“软”，大量的统计Vp/Vs的量值与岩体的完整程度如表2。

表 2  Vp/Vs的量值与岩体的完整程度的相关性

三、用声速测取岩体完整性指数

      评价岩体的质量也可以只用纵波声速。例如“工程岩体分级标准”(GB50218-2014)规定可以用岩体的纵波波速Vpm与岩石的纵波声速VpR按1式测算出岩体完整性指数Kv。

显然岩体包含的裂隙、节理比小体积的岩石要少，故Kv<1。可见，它反映的是岩体的完整程度。由完整性指数可对岩体的工程力学性质进行分类如表3.

表 3  工程兵某部岩体分类

四、用声速划分岩性

      不同岩性由于其结构、矿物组合、成因、地质年代等因素的不同，声速是不同的且并不固定，而分布在一定范围。表4是常见到的几种有代表性岩体的纵波声速统计值。

表 4     常见岩体的纵波声速统计值

五、用声速划分岩体风化程度

       同一种岩性风化程度的不同其声速有着明显的区别。以长江三峡三斗坪坝线岩体风化程度与纵波声速为例，说明用纵波声速划分岩体风化的可行性。

表 5  岩性风化程度与纵波波声速

六、由声速了解岩体的裂隙发育程度

       岩体声速与岩体裂隙有着较好的相关性，可用声学理论中的“惠更斯原理”做出声波在裂隙发生绕射现象。绕射的过程声线“拉”长，声波传播时间加长，使视声速降低，故声速不仅可对岩体的风化程度加以划分，对岩体中存在的裂隙有着极为敏感的反映，特别是张裂隙。

七、由声速了解岩体的裂隙发育程度

     岩体的结构可分为四类：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。声波在整体块状结构中的传播速度快，后三类结构中，由于岩体的节理裂隙发育程度各不相同，使声速随结构的复杂而降低。这就决定了随着岩体结构的不同声波的传播走时是会有一定规律的，其关系如下表6。

表6  声速与岩体结构

八、由声速可了解地应力

      上述裂隙对声速的影响称之为“裂隙效应”。岩体受到外界应力作用时，其变形首先是裂隙的压密，由此可使声速提高。但当应力超过强度极限，岩体又会出现新的裂隙而使声速下降。图1是四块岩石试块(砂岩)应力与声速关系实测曲线。

      所以，根据上述原理，对岩体做应力释放处理测取应力释放前后的声速，然后再对应力释放处理取得的岩心加压测量其声速，可推测出地应力的量值及方向。

九、岩体参数测定仪

选配件：一发双收换能器，跨孔增压式换能器，平面夹心式换能器50KHz

主要技术指标：

  主机：专用微机系统

  声时测读范围：0～640Kμs

  声时测读精度：±0.05μs

  幅度测读范围：0～177dB

  增益精度：3%

  放大器带宽：5Hz～500kHz

  发射电压：250、500、1000V多档可调

  采样周期：0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4μs可调

ZT801部分芯样测试结果

综上所述述，在岩土工程中岩体参数测定仪采用声波检测技术可用于：

测定洞室围岩及岩体边坡因施工引起的松动范围；

测定岩石、岩体的物理力学参数（Vp、Vs、Ed、Gd）；

划分岩性及确定岩体化风化程度划分岩体风化壳；

测定裂隙发育情况，了解岩体结构特征；

检测岩溶、岩体破碎带发育情况及空间分布等；

检测灌浆补强的施工质量和效果

测定水下地貌及地层结构；

检测灌注桩桩身完整性及缺陷位置。

ZT801实测工程实例

例一、长江三峡链子崖隐伏裂缝的声波检测

       长江西陵峡链子崖危岩体存在12组50余条裂缝，出露宽约2m，深不可测。其中8＃及9＃裂缝，北端隐伏于覆盖层下，是否延伸与12＃缝贯通，成为查明岩体结构、确定岩崩方量和制定治理方案的关键。为此，在上述裂缝延伸关键部位，布两钻孔，孔距21m，深150m，孔内无水。由原地质矿产部方法技术研究所（吴庆曾、展建设）采用跨孔声波测试如图2，用以查明裂缝的延伸及倾向。

       现场测试采取由孔口逐点向下测试，各测点的波列排列如图3，其特点是声时逐点加长，至17m后不再接收到有效信号。推理：覆盖层下岩体存在裂缝，声波系由上部覆盖层绕射。后经室内模型试验证实，上述结论正确。从而为链子崖的治理，提供依据，受到好评。

例二 深圳声波岩体软弱层及破碎带声波探测

       深圳特区环境地质调堪查中，对稳定性做过专门的勘查。原地矿部方法技术研究所（吴庆曾、展建设），承担了对300m以上深部地层声波测井任务，旨在对软弱结构的断层破碎带进行勘查，并做出地质与物理特性评价。采用自行研制的“一发双收”换能器及全自动声波测井仪，进行测试，取得甚佳的测试效果。图4是其中一个钻孔在91.6~166.5m井段的测试记录。这一段地质情况复杂，但对破碎带的反应极为明显；还可见到140.5~147.61m井段，钻探取芯所不能划分出的较弱结构，声波测井却做出明确反映，而91.6~124.21m较完整的混合岩，声时几乎无变化，声速达4140m/s。声波检测补充完善了钻孔取芯资料，为客观评价岩体的稳定性提供依据。

例三  广和大桥跨孔声波成像岩溶探测

      工程场地地下岩体岩溶及断层破碎带，往往是施工阶段及后期地质灾害的隐患。有时受到场地条件的限制，其它物探方法不易施展。跨孔纵波CT成像在这种场地条件下不失为探明地下岩体结构，评价工程地质条件的好方法。

     图5是广东省地质物探工程勘查院对位于广州雅岗与佛山南海市和顺之间，横跨珠江支流的广和大桥基础，采用跨孔纵波CT层析成像的结果。从图9.35可以看出，速度色谱图从上至下大致可分为3个速度带：①低速带，纵波速度＜3.0km/s；②中速带，纵波速度为3.0～4.3km/s；③高速带，纵波速度＞4.3km/s。根据纵波速度分为土层、溶洞、溶蚀裂隙发育及完整(或基本完整),从而可作出地质的推断解释。以上说明在工程场地狭小，其他物探方法无法施展时，声波层析成像成为理想的勘探手段

例四 三峡库区迁建城镇岩崩堆积体灌浆补强 效果声波测试

      三峡库区迁建城镇新址岩崩堆积体工程改造现场，灌浆补强前后岩体物理力学性能变化的测试试验工作由中国地质局方法技术研究所（李洪涛）完成，采用跨孔声波透射法对灌浆前后进的破碎岩体进行纵、横波声速测试，计算出的弹性力学参数的变化如表7及表8。这些数字说明声波检测可以提供岩体的结构特征之外，还可提供岩体的弹性力学参数。

例五 危岩锚固钻孔内裂缝及裂缝密集带声波检测

        长江三峡链子崖五万方危岩体防治工程，采用锚索加固处理，锚固孔30 — 40m不等，深达64.2m。危岩体主要以栖霞灰岩为主，裂隙发育且为张性，局部成破碎软弱带。锚固施工需掌握上述裂缝和（ρ1q）软弱结构面在锚固孔中的位置，分布及几何尺寸。原地质矿产部技术方法研究(展建设、曹修定)所承担此项特种检测任务，研制一发一收干耦合换能器，在不能存留井液的水平干孔中，完成了共2670m的测试，指导了锚固施工。图9.38是其中三个钻孔的声速—孔深曲线，其中视声速低于1000m/s(图中粗实线部份)的低速孔段均为裂隙及裂隙密集带。声波检测可以细致的提供岩体的裂隙发育和裂隙的细微的分布，指导了岩体锚固的正确施工，是其他物探方法无法实现的。

例六 建筑基础的跨孔层析成像实例

       图7（a）是建筑基础跨孔层析成像图，从该图作出的地质解释如图7（b），可见到第四系地层下的基岩起伏，以及溶洞分布。

                                                           （a)基桩基础声波层析图                                                                                      (b)基桩基础地质解释

图7  建筑基础跨孔层析成像图

例七、深圳地质勘察

       图8是深圳某建筑基础声波三个钻孔孔间CT成像构成的二维剖面图。目的在于探明覆盖层下深度变化较大的白云质大理岩的起伏和白云质大理岩的岩溶发育，其地质解释如图,可见：声速1100m/以上为覆盖层，1100～2100m/s声速条带可解释为含砾岩粘性土，大于2100m/s以下为白云质大理岩的界面，基岩面以下小于2100m/s的封闭圈为岩溶发育区。图9是该建筑基础的地质解释图。

图8 深圳鹏飞大厦基础CT图像

图9 深圳鹏飞大厦基础CT地质解释图

例八 松动圈深度的检测