片麻巖風化程度及其聲發射規律試驗研究

劉傳孝，劉星輝，董小花，李茂桐，周 桐

(1.山東農業大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018; 2.山東京博石油化工有限公司, 山東 濱洲 256500; 3.山東省濱州市小清河管理局, 山東 濱洲 256600)

片麻巖風化程度及其聲發射規律試驗研究

劉傳孝1，劉星輝2，董小花3，李茂桐1，周 桐1

(1.山東農業大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018; 2.山東京博石油化工有限公司, 山東 濱洲 256500; 3.山東省濱州市小清河管理局, 山東 濱洲 256600)

作為建筑地基使用的泰山片麻巖，埋藏淺、區域特征明顯，其風化特性對土木工程穩定性的影響廣泛而復雜。應力-應變關系試驗發現，5組片麻巖試件的A、B、C-D和E組分別隸屬于未風化、中等風化、強風化和全風化4種風化程度。力學性質試驗時同步檢測不同風化程度片麻巖的聲發射信號，發現隨片麻巖風化程度的提高，振鈴計數率呈明顯下降趨勢；未風化及中等風化片麻巖的振鈴計數率最高可達2 500次/s，具有能量累積并集中釋放的特點，巖石脆性特征較明顯；強風化片麻巖的振鈴計數率平均約200次/s，聲發射信號密集，巖石具有典型的延性特征；全風化片麻巖的平均振鈴計數率僅約15次/s，聲發射信號離散、無規律，巖石已等同于散體介質；得到了部分片麻巖風化程度與聲發射之間的量化規律。建立的片麻巖風化程度與聲發射關系，可應用于指導風化片麻巖地基的處理，尋求匹配的地基置換材料。

水利工程；巖土工程；風化片麻巖；試驗；聲發射；振鈴計數率；地基處理

0 引 言

巖石在風化營力作用下將變得膠結性差、強度降低，并產生節理發育、結構破碎、遇水膨脹等不良特性，風化營力包括令巖石產生物理、力學性質變化的所有因素。不同的風化程度將影響巖土工程的穩定性，是石油工程、隧道工程、建筑基礎、水利工程等普遍面對的問題。研究巖石風化程度的特征指標，進行風化程度評價指標的統計分析，根據巖石裂隙發育、蝕變等定性特征建立了巖石風化程度評價標準[1]。更有學者研究鐵道工程的巖石地基風化特征，揭示了地下巖石風化程度對工程穩定性的影響規律，并提出了各類工程的對應處理辦法[2]。

在土木工程領域，高層建筑的地基多為巖層，巖層埋藏淺，必然經歷過明顯的風化營力作用，且風化程度隨位置不同迥異，但是缺乏系統、細致地研究。巖石地基的風化程度隨深度及位置的變化而不同，強度隨之發生明顯變化，進而直接影響地基沉降量。地基沉降量是進行建筑結構穩定性設計的重要依據，建立地基變形與巖石風化程度之間的關系，提出增強風化巖石工程穩定性的建議措施，具有工程實踐意義[3]。

巖石在裂紋擴展時以脈沖波形式釋放應變能的現象，稱為巖石聲發射。聲發射檢測技術在國外的結構工程和礦山監測方面得到推廣應用[4-5]。國內以不同方式對多種巖石強度試驗時的聲發射特征等分別進行了研究[6-9]。巖石聲發射檢測技術已經成為現代試驗室及工程監測的主要手段。

筆者旨在通過對泰山區域普遍存在的片麻巖力學性質試驗，同步檢測其聲發射信號，研究不同風化程度片麻巖的聲發射規律。通過試驗研究建立片麻巖風化程度及其聲發射規律之間的對應關系，可應用于指導風化片麻巖地基的處理。即在土木工程應用中，試驗得到易于量化的風化巖石的聲發射指標，直接指導風化巖石地基的處理或材料置換。

1 風化片麻巖試件制備

泰山區域的建筑地基主要為片麻巖，各區域不同深度位置的片麻巖風化程度不同，從建筑工地現場開采5塊風化程度各異的片麻巖，安全運抵實驗室進行試件加工。

國際巖石力學學會對巖石力學的基本試驗提出了建議方法，我國原煤炭部制訂的MT 38—87《煤和巖石物理力學性質測定的采樣一般規定》、水利部制訂的SL 264—2001《水利水電工程巖石試驗規程》提出了一套巖石力學試驗規程和建議方法。按照巖石單軸抗壓強度試驗的規程及規定，將風化片麻巖巖塊加工成標準試件，試件參數：A，B，C，D，E共5組，每組3個試件，各組試件平均尺寸(D×H)分別為48 mm×104 mm，48 mm×98 mm，48 mm×99 mm，48 mm×94 mm，48 mm×108 mm。

片麻巖巖體特征的宏觀描述及鉆取巖芯的特征：A組，偶見風化痕跡，巖質新鮮，結構完整，標準試件易加工；B組，巖體被切割成巖塊，裂隙較發育，結構部分破壞，標準試件較易加工；C組，巖體較破碎，裂隙發育，結構大部分破壞，標準試件難加工；D組，巖體較破碎，裂隙很發育，結構大部分破壞，標準試件難加工；E組，巖體很破碎，裂隙很發育，保留殘余結構，標準試件很難加工。發現，由A組至E組，片麻巖的風化程度順次提高，包含了結構和構造等特征描述[10]。

2 風化片麻巖試件的試驗設計

長春科新試驗儀器有限公司研制的SAW-2000型微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，2006年起配置于山東農業大學水利土木工程實驗中心。巖石三軸試驗機可以應用于巖石的單軸壓縮試驗等，采用德國EDC控制器及D633比例伺服閥進行實驗控制及數據采集。該設備剛度達2×1010N/m，能夠達到本研究對風化巖石的試驗要求。對不同風化巖石試件進行力學性質試驗，得到不同風化程度巖石的單軸抗壓強度等力學指標，各力學指標由每組3個試件試驗結果的平均值確定。

在巖石力學性質試驗的同時，應用AE21C聲發射檢測系統檢測不同風化程度片麻巖的聲發射信號。

3 試驗結果與分析

3.1 風化片麻巖的強度特征

通過單軸壓縮試驗，得到風化片麻巖試件的應力-應變關系曲線，如圖1。

圖1 片麻巖應力-應變及聲發射關系曲線Fig.1 Relationship curves between strain and stress of gneisses and their acoustic emission signals

分析應力-應變關系得到風化片麻巖試件的單軸抗壓強度σc、彈性模量E、泊松比ν及極限應變εf等力學性質指標，見表1。

表1 風化片麻巖試件的力學參數

根據中華人民共和國住房和城鄉建設部批準的GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》(2009年版)進行片麻巖風化程度的劃分，風化系數Kf為風化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強度之比，得到5組片麻巖試件的A，B，C-D，E組分別隸屬于未風化、中等風化、強風化和全風化4種風化程度。研究發現：A，B組未風化及中等風化片麻巖的脆性特征較明顯；C-D組強風化片麻巖具有典型的延性特征；E組全風化片麻巖等同于散體介質。極限應變呈總體上升趨勢。

3.2 風化片麻巖的聲發射特征

在風化片麻巖單軸壓縮試驗時，同步檢測了其聲發射信號，如圖1。可見隨著片麻巖風化程度的提高，振鈴計數率呈明顯下降趨勢；A，B組未風化及中等風化片麻巖的振鈴計數率最高達2 500次/s，具有能量累積并集中釋放的特點，瞬發振鈴計數率均超過800次/s；C-D組強風化片麻巖的振鈴計數率平均約200次/s，聲發射信號密集；E組全風化片麻巖的平均振鈴計數率僅約15次/s，聲發射強度低、信號離散、無規律。

3.3 片麻巖風化程度及其聲發射特征的關系

本研究的主要目的是試驗得到易于量化的風化巖石的聲發射指標，直接指導風化巖石地基的處理或材料置換。

通過試驗確定的片麻巖風化程度與聲發射規律間的關系發現：未風化及中等風化片麻巖的振鈴計數率分布具有典型的高峰值，巖石強度達到35 MPa以上，脆性特征明顯，且極限應變在1%以內，是良好的天然地基；而強風化片麻巖可以經過注漿加固等處理措施，使其聲發射信號具有能量累積并集中釋放的特點，瞬發振鈴計數率達到800次/s以上，其強度將超過35 MPa，極限應變被控制于1%以內，成為良好的人工地基；全風化片麻巖的聲發射強度低，振鈴計數率缺乏提高的必要，需要采用強度匹配的材料進行地基置換處理。

4 結 論

1)泰山區域的風化片麻巖據位置不同劃分為4級，不包含弱風化程度。

2)未風化及中等風化片麻巖的瞬發振鈴計數率均超過800次/s，聲發射信號具有能量累積并集中釋放的特點；強風化片麻巖的振鈴計數率平均約200次/s，聲發射信號密集；全風化片麻巖的聲發射強度低、信號離散。

3)未風化及中等風化片麻巖是良好的天然地基，強風化片麻巖可經處理后成為良好的人工地基，全風化片麻巖地基需要置換。

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Weathering Degree of Gneisses and Their Acoustic Emission Characteristics

LIU Chuanxiao1, LIU Xinghui2, DONG Xiaohua3, LI Maotong1, ZHOU Tong1

(1.Water Conservancy and Civil Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, P.R.China; 2.Jingbo Petrochemical Co., Ltd., Binzhou 256500, Shandong, P.R.China; 3.Xiaoqing River Administration, Binzhou 256600, Shandong, P.R.China)

As a foundation building material, Taishan gneiss was shallowly buried and had obviously regional characteristics. The influence of weathering degree of gneiss on the stability of civil engineering was extensive and complex. Test on the relationship of strain and stress presents that five groups of gneiss specimens have been subjected to no weathering, middle weathering, strong weathering and full weathering respectively. Synchronous acoustic emission signals of gneisses with different weathering degrees have been tested in mechanical test, which indicates that ringing counting rates present evident downtrend with the increase of weathering grades of gneiss. The highest ringing counting rate of no weathering and middle weathering gneisses can reach 2 500 per second and their energy is cumulative and releases centrally, which determines their obvious brittleness. Strong weathering gneiss is of typical ductility and its acoustic emission signals are concentrated, whose average ringing counting rate is about 200 per second. That average ringing counting rate of full weathering gneiss is only 15 per second and its discrete and irregular acoustic emission signals indicate that it is the same as a disperse medium. Partial quantization rules between weathering degree of gneiss and its acoustic emission signal have been obtained. The established relationship between weathering degree of gneiss and its acoustic emission signal may be useful for the treatment of weathered gneiss and looking for the replacement materials of the foundation.

hydraulic engineering; geotechnical engineering; weathered gneiss; test; acoustic emission; ringing counting rate; foundation treatment

2015-09-25；

2015-12-14

國家自然科學基金項目(51004098,51574156)；山東省自然科學基金項目(ZR2014DM019)

劉傳孝(1970—)，男，山東郯城人，教授，博士，博士生導師，主要從事非線性動力學、計算力學、巖土力學與工程方面的研究。E-mail：Lchuanx@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.16

TU45

A

1674-0696(2016)06-077-04