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  巖體參數測試應用

      巖體參數測試是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學參數相關性為基礎，通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數，為評價工程巖體力學性質提供依據。其在巖石工程中應用廣泛，主要有工程巖體質量分級、圍巖松動圈的測定、大壩基礎灌漿效果檢測、巖體動靜彈模對比、建基面基巖質量評價和驗收、爆破開挖影響范圍檢測、測定風化系數、完整性系數和各向異性系數、斷層和巖溶等地質缺陷探查等等。

一、由聲速測取巖體與巖石彈性力學參數

      在測取了VP和VS并獲取巖體的密度ρ，即可獲得巖體的彈性模量E、剪切模量G、泊桑比σ。

二、用縱、橫波（Vp/Vs）比值評價巖體質量

      彈性理論證明，巖體的泊桑比σ反映巖體彈性性能，即巖體的“軟”、“硬”程度。由于泊桑比與縱、橫聲速之比有著密切的關系，所以常用縱橫波速度之比來反映巖體的物理性狀。縱橫波速度比Vp/Vs與泊桑比σ的關系如表1

表 1 縱橫波速度比Vp/Vs與泊桑比σ的關系

顯然，Vp/Vs值越大，巖體越“軟”，大量的統計Vp/Vs的量值與巖體的完整程度如表2。

表 2  Vp/Vs的量值與巖體的完整程度的相關性

三、用聲速測取巖體完整性指數

      評價巖體的質量也可以只用縱波聲速。例如“工程巖體分級標準”(GB50218-2014)規定可以用巖體的縱波波速Vpm與巖石的縱波聲速VpR按1式測算出巖體完整性指數Kv。

顯然巖體包含的裂隙、節理比小體積的巖石要少，故Kv<1。可見，它反映的是巖體的完整程度。由完整性指數可對巖體的工程力學性質進行分類如表3.

表 3  工程兵某部巖體分類

四、用聲速劃分巖性

      不同巖性由于其結構、礦物組合、成因、地質年代等因素的不同，聲速是不同的且并不固定，而分布在一定范圍。表4是常見到的幾種有代表性巖體的縱波聲速統計值。

表 4     常見巖體的縱波聲速統計值

五、用聲速劃分巖體風化程度

       同一種巖性風化程度的不同其聲速有著明顯的區別。以長江三峽三斗坪壩線巖體風化程度與縱波聲速為例，說明用縱波聲速劃分巖體風化的可行性。

表 5  巖性風化程度與縱波波聲速

六、由聲速了解巖體的裂隙發育程度

       巖體聲速與巖體裂隙有著較好的相關性，可用聲學理論中的“惠更斯原理”做出聲波在裂隙發生繞射現象。繞射的過程聲線“拉”長，聲波傳播時間加長，使視聲速降低，故聲速不僅可對巖體的風化程度加以劃分，對巖體中存在的裂隙有著極為敏感的反映，特別是張裂隙。

七、由聲速了解巖體的裂隙發育程度

     巖體的結構可分為四類：整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構、散體結構。聲波在整體塊狀結構中的傳播速度快，后三類結構中，由于巖體的節理裂隙發育程度各不相同，使聲速隨結構的復雜而降低。這就決定了隨著巖體結構的不同聲波的傳播走時是會有一定規律的，其關系如下表6。

表6  聲速與巖體結構

八、由聲速可了解地應力

      上述裂隙對聲速的影響稱之為“裂隙效應”。巖體受到外界應力作用時，其變形首先是裂隙的壓密，由此可使聲速提高。但當應力超過強度極限，巖體又會出現新的裂隙而使聲速下降。圖1是四塊巖石試塊(砂巖)應力與聲速關系實測曲線。

      所以，根據上述原理，對巖體做應力釋放處理測取應力釋放前后的聲速，然后再對應力釋放處理取得的巖心加壓測量其聲速，可推測出地應力的量值及方向。

九、巖體參數測定儀

選配件：一發雙收換能器，跨孔增壓式換能器，平面夾心式換能器50KHz

主要技術指標：

  主機：專用微機系統

  聲時測讀范圍：0～640Kμs

  聲時測讀精度：±0.05μs

  幅度測讀范圍：0～177dB

  增益精度：3%

  放大器帶寬：5Hz～500kHz

  發射電壓：250、500、1000V多檔可調

  采樣周期：0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4μs可調

ZT801部分芯樣測試結果

綜上所述述，在巖土工程中巖體參數測定儀采用聲波檢測技術可用于：

測定洞室圍巖及巖體邊坡因施工引起的松動范圍；

測定巖石、巖體的物理力學參數（Vp、Vs、Ed、Gd）；

劃分巖性及確定巖體化風化程度劃分巖體風化殼；

測定裂隙發育情況，了解巖體結構特征；

檢測巖溶、巖體破碎帶發育情況及空間分布等；

檢測灌漿補強的施工質量和效果

測定水下地貌及地層結構；

檢測灌注樁樁身完整性及缺陷位置。

ZT801實測工程實例

例一、長江三峽鏈子崖隱伏裂縫的聲波檢測

       長江西陵峽鏈子崖危巖體存在12組50余條裂縫，出露寬約2m，深不可測。其中8＃及9＃裂縫，北端隱伏于覆蓋層下，是否延伸與12＃縫貫通，成為查明巖體結構、確定巖崩方量和制定治理方案的關鍵。為此，在上述裂縫延伸關鍵部位，布兩鉆孔，孔距21m，深150m，孔內無水。由原地質礦產部方法技術研究所（吳慶曾、展建設）采用跨孔聲波測試如圖2，用以查明裂縫的延伸及傾向。

       現場測試采取由孔口逐點向下測試，各測點的波列排列如圖3，其特點是聲時逐點加長，至17m后不再接收到有效信號。推理：覆蓋層下巖體存在裂縫，聲波系由上部覆蓋層繞射。后經室內模型試驗證實，上述結論正確。從而為鏈子崖的治理，提供依據，受到好評。

例二 深圳聲波巖體軟弱層及破碎帶聲波探測

       深圳特區環境地質調堪查中，對穩定性做過專門的勘查。原地礦部方法技術研究所（吳慶曾、展建設），承擔了對300m以上深部地層聲波測井任務，旨在對軟弱結構的斷層破碎帶進行勘查，并做出地質與物理特性評價。采用自行研制的“一發雙收”換能器及全自動聲波測井儀，進行測試，取得甚佳的測試效果。圖4是其中一個鉆孔在91.6~166.5m井段的測試記錄。這一段地質情況復雜，但對破碎帶的反應極為明顯；還可見到140.5~147.61m井段，鉆探取芯所不能劃分出的較弱結構，聲波測井卻做出明確反映，而91.6~124.21m較完整的混合巖，聲時幾乎無變化，聲速達4140m/s。聲波檢測補充完善了鉆孔取芯資料，為客觀評價巖體的穩定性提供依據。

例三  廣和大橋跨孔聲波成像巖溶探測

      工程場地地下巖體巖溶及斷層破碎帶，往往是施工階段及后期地質災害的隱患。有時受到場地條件的限制，其它物探方法不易施展。跨孔縱波CT成像在這種場地條件下不失為探明地下巖體結構，評價工程地質條件的好方法。

     圖5是廣東省地質物探工程勘查院對位于廣州雅崗與佛山南海市和順之間，橫跨珠江支流的廣和大橋基礎，采用跨孔縱波CT層析成像的結果。從圖9.35可以看出，速度色譜圖從上至下大致可分為3個速度帶：①低速帶，縱波速度＜3.0km/s；②中速帶，縱波速度為3.0～4.3km/s；③高速帶，縱波速度＞4.3km/s。根據縱波速度分為土層、溶洞、溶蝕裂隙發育及完整(或基本完整),從而可作出地質的推斷解釋。以上說明在工程場地狹小，其他物探方法無法施展時，聲波層析成像成為理想的勘探手段

例四 三峽庫區遷建城鎮巖崩堆積體灌漿補強 效果聲波測試

      三峽庫區遷建城鎮新址巖崩堆積體工程改造現場，灌漿補強前后巖體物理力學性能變化的測試試驗工作由中國地質局方法技術研究所（李洪濤）完成，采用跨孔聲波透射法對灌漿前后進的破碎巖體進行縱、橫波聲速測試，計算出的彈性力學參數的變化如表7及表8。這些數字說明聲波檢測可以提供巖體的結構特征之外，還可提供巖體的彈性力學參數。

例五 危巖錨固鉆孔內裂縫及裂縫密集帶聲波檢測

        長江三峽鏈子崖五萬方危巖體防治工程，采用錨索加固處理，錨固孔30 — 40m不等，深達64.2m。危巖體主要以棲霞灰巖為主，裂隙發育且為張性，局部成破碎軟弱帶。錨固施工需掌握上述裂縫和（ρ1q）軟弱結構面在錨固孔中的位置，分布及幾何尺寸。原地質礦產部技術方法研究(展建設、曹修定)所承擔此項特種檢測任務，研制一發一收干耦合換能器，在不能存留井液的水平干孔中，完成了共2670m的測試，指導了錨固施工。圖9.38是其中三個鉆孔的聲速—孔深曲線，其中視聲速低于1000m/s(圖中粗實線部份)的低速孔段均為裂隙及裂隙密集帶。聲波檢測可以細致的提供巖體的裂隙發育和裂隙的細微的分布，指導了巖體錨固的正確施工，是其他物探方法無法實現的。

例六 建筑基礎的跨孔層析成像實例

       圖7（a）是建筑基礎跨孔層析成像圖，從該圖作出的地質解釋如圖7（b），可見到第四系地層下的基巖起伏，以及溶洞分布。

                                                           （a)基樁基礎聲波層析圖                                                                                      (b)基樁基礎地質解釋

圖7  建筑基礎跨孔層析成像圖

例七、深圳地質勘察

       圖8是深圳某建筑基礎聲波三個鉆孔孔間CT成像構成的二維剖面圖。目的在于探明覆蓋層下深度變化較大的白云質大理巖的起伏和白云質大理巖的巖溶發育，其地質解釋如圖,可見：聲速1100m/以上為覆蓋層，1100～2100m/s聲速條帶可解釋為含礫巖粘性土，大于2100m/s以下為白云質大理巖的界面，基巖面以下小于2100m/s的封閉圈為巖溶發育區。圖9是該建筑基礎的地質解釋圖。

圖8 深圳鵬飛大廈基礎CT圖像

圖9 深圳鵬飛大廈基礎CT地質解釋圖

例八 松動圈深度的檢測