声波测试技术在工程地质中的应用

    在水利水电工程建设中,与岩体弹性波速度直接有关的动弹性力学参数是设计、施工中一项必不可少的重要力学指标,以往多习惯于使用室内处静态手段获得这方面资料。虽然静力法具有直观、明确的优点,但费用大、测试周期长、设备笨重,而且难点也较大。近年来,很多人都在积极探索用动态手段来获得这方面的资料〔1,2〕。动态法即弹性波法,包括地震法和声波法。动态法的优点是测试面广、设备轻便、周期短、经济且易于掌握,结合地质能较全面地提供岩石及岩体的有关物理力学参数及地质特征,并能及时提供信息指导现场施工。近年来结合水电工程的建设,笔者在大藤峡水利枢纽、松江河梯级电站、莲花电站等几个工地进行了岩体声波测试工作,虽然各个工地所取得的成果不尽相同,但综合起来,我们用声波法解决了以下的问题:

    A　围岩工程地质分类及稳定性评价

    B　围岩松驰圈的确定

    C　岩石或岩体物理力学参数的测定

    D　地层地质参数的测定

    E　工程施工质量的检测

    F　声波测井

    1　方法原理

    声波测试是对弹性波在岩体中传播特点的研究〔3,4〕。当向岩体中激发产生声波时,其波动将在各个方向传播。其中质点振动方向与传播方向一致的称为纵波,其波速为

    波的传播方向与质点振动方向相垂直的称为横波,其波速为

     根据纵、横波传播速度及岩石密度就可以计算

    以上各式中,Tp为纵波速度,Ts为横波速度,K为拉梅常数,E为弹性模量,G为剪切模量、L为泊松比,Q为介质密度。Ed为动弹性模量,Gd为动剪切模量。

    由以上各式可以看出,横波速度只与介质密度及剪切模量有关,并且一般不受地下水(或含水)构造条件影响,故更能反映岩体的物理力学性质。纵波速度不仅与压缩模量和介质密度Q有关,而且也与剪切模量有关。因此纵波在岩体中传播,介质不是只受一个简单的压缩,而是压缩与剪切的组合。纵速度值反映了岩体抗压缩与抗拉伸的能力。横波速度值反映了岩体抗剪切的能力。而岩体Tp/Ts比值的变化实际上相应地反映了岩体泊松比的变化,与介质密度和弹性模量无关。

    2　方法技术

    声波测试技术分为主动式和被动式两种。主动式包括波速、振幅、频谱的测试工作,被动式包括声发射的测试工作。我们在现场工作主要是声波速度的测试。测试所用仪器为湘潭无线电厂生产的SYC—2型岩体声波参数测定仪及扬州产的换能器。

    在探硐里测试方法主要采用洞壁锤击初至法和单点连测法。换能器与岩体用黄油藕合。风钻孔中用水藕合。测试时尽量采用收发换能器的轴线在一条直线上的对穿方式工作。观测点距在完整岩体上为0.3～1.0m,其他情况则为0.1～0.5m。对于风钻孔的测试,一般采用双孔穿透法及单孔测试法。这样所测出的岩体声波速度能反映出横向(双孔穿透)及纵向(单孔测试)两个方向的岩体结构面情况。测试时先将探头放到至孔底,逐点向孔口提升(点距0.1m),双孔穿透法两个探头每次放置的孔深相同,平行向孔口提升。由于机械钻孔很难保证所有测孔的方向和倾角一致,所以进行双孔穿透法测试时需要进行孔位校正〔5,6〕,以求出各个测点声波真正的旅行距离。为此我们采取以下的测量方法:在所测的两个钻孔中各插入一根2m长,比孔径略小的铜管,使各有1m的长度露出孔外。用罗盘仪测出各个测孔的俯倾角A,量出露在孔外的两管沿洞壁的间距l1及两管末端的间距l2(图1)。