振動法與超聲波法測試巖塊縱波波速的實測比對研究

侯興民，孫 蒙，張一林

(煙臺大學 土木工程學院，山東 煙臺 264005)

巖塊縱波波速是反映巖塊物理性質、內部節理裂隙發育情況、巖體完整程度的一項重要參數，準確測得巖塊縱波波速是巖石力學領域亟需解決的一項工作。GB 50021—2001(2009年版)《巖土工程勘察規范》[1](以下簡稱“規范”)中對巖體縱波波速有明確的規定，主要測試方法有地震波法和孔內超聲波法等，而規范中提到的巖塊縱波波速測試方法只有超聲波測試法。

無論是巖塊波速測試還是巖體波速測試，當采用地震波法和超聲波法測試介質波速時，得到的波速存在一定的差異，且超聲波法測得的波速高于地震波法測得的波速，主要原因是由兩種測試方法激發的彈性波的頻率不同[2-3]。因此在工程勘測中，巖體與巖塊的縱波波速應采用同一種方法進行測試，根據同一種測試方法測得的彈性波波速得到的巖體完整性系數才較為精確，才能更加準確地評價巖體完整程度[4]。

一直以來，巖塊波速都是采用超聲波法測試，國內外學者對其研究較多，也取得了很多成果。Thill等[5]研究了聲波波速隨裂紋方向的變化規律，提出了確定巖石波速各向異性的方法。王大雁等[6]對凍土進行了超聲波測試，發現超聲波速與測試凍土的一些動力學參數以及未凍含水量之間有良好的相關性，為今后通過超聲波速估計巖土體彈性參數提供了一種無損檢測方法。鄧華鋒等[7]為了更深入得研究超聲波測試巖塊各項物理力學參數，選取了典型砂巖制備成標準巖塊，進行飽和水風干試驗，得到巖塊縱波波速與飽水度及風干過程的影響關系。劉少赫等[8]對砂巖進行了單軸以及圍壓條件下的沖擊試驗，通過超聲縱波波速定義了巖樣的沖擊損傷，分析得到了波速與應力應變關系。江進等[9]對西山大佛巖石進行了超聲波測試，結合物理力學實驗，分析了巖塊動靜力學參數隨水平進深的變化規律。張志鎮等[10]利用聲發射設備測得縱波波速，研究了3種不同巖石沖擊傾向與其波速變化關系，并通過試驗驗證了這一關系。張程遠等[11]采用經驗公式將各個因素對波速的影響考慮在內，修正了巖塊地震波速度，利用巖體與巖塊的巖性分類轉換系數，將超聲波速度轉換成地震波速度，進而確定巖體完整性系數，該方法提高了測試效率，也降低了測試成本。

由于超聲波波長短，衰減快，其工作頻帶窄，且測試結果受頻率影響較大，鑒于此，在以往超聲波法波速測試的基礎上，提出了一種利用振動測試設備進行巖塊縱波波速測試的方法，對鉆孔取芯得到的不同巖性、尺寸、風化程度的巖塊進行了測試及分析，通過對比超聲波法測試結果，驗證了振動法測試的準確性。

1 巖塊縱波波速測試原理及數據處理方法

振動法產生的波動是振動的傳播，在激發荷載作用下的振動不會立刻影響其他部位，其傳播需要時間，并經過一定的通道。振動法通過敲擊巖塊一端激發彈性波，并在巖塊內傳播至另一端并被接收。振動波與聲波、地震波存在一定的差異。振動法產生的波動其物理本質是力錘敲擊處的巖塊質點將振動以彈性波的形式傳遞給相鄰的質點，這種質點振動的傳遞即產生振動波。振動波由力錘敲擊巖塊一端激發，并在巖塊內傳播產生。而地震波是由震源激發并經過地球介質傳播產生的波動。由于地球內部介質不均一，地震波比巖塊里傳播的超聲波和振動波復雜很多。聲波是由發聲體振動產生的、在介質中傳播的波動，在巖塊內傳播的超聲波可以理解為能量比較弱、頻率比較高的振動波，其振動頻率高于振動波頻率[12]。在巖塊等結構中，縱波波長越短，波速越快。超聲波頻率達到數十萬赫茲，其對應的波長較短，約幾厘米，而錘擊激發的振動波的波長約是超聲波的十倍。因此采用超聲波測試巖塊縱波波速比振動波要高。

黃世強等利用超聲波法測試玄武巖巖塊縱波波速時，當激發的超聲波頻率從25 kHz增大到1 000 kHz時測得的縱波波速由4 700 m/s增加到了6 000 m/s，呈現出明顯的頻散特性[13]。超聲波頻率較高，對波速影響不能忽略。

1.1 振動法測試的基本原理

超聲波的激振過程：通過在超聲波探頭兩端鍍銀，為電極加上電壓，使超聲波探頭在厚度方向產生伸縮進而激發超聲波。地震波的激振過程：利用人工方法激發地震波，即采用地表錘擊壓重物的木板，產生向四周輻射的地震波，并在介質中傳播。本文提出的振動法與超聲波法和地震勘探技術不同的是，振動法需要在測試前固定住巖塊，然后用力錘敲擊巖塊一端激發縱波，并在巖塊介質中傳播。通過布設在巖塊兩端的振動加速度傳感器清晰地采集下振動信號。

試驗設備主要包含了夾緊系統、信號采集系統、數據處理系統和激振系統。激發系統為力錘，用力錘在巖塊橫截面處沿垂直巖塊橫截面方向敲擊激振。振動法的實測示意圖如圖1所示。

圖1 振動法測試示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of vibration method test

1.2 數據處理

巖塊縱波波速測試精度的關鍵在于兩傳感器采集信號的到時差的識別，主要應用互相關函數進行識別。互相關函數是分析輸入信號與輸出信號相關程度的工具，即互相關函數描述了時域上相差為τ的兩個振動信號的相關程度。通過編制程序計算輸入信號與輸出信號的互相關函數的峰值點的位置來確定兩函數的偏移量，從而得到到時差[14]。

設兩個信號x(t)和y(t)由被測信號s(t)和噪聲n(t)組成，即

x(t)=s(t)+n(t)

(1)

y(t)=s(t+τ)+n(t)

(2)

式中，τ為延遲時間。根據前面的相關性的定義可知，隨機信號x(t)和y(t)的互相關函數可定義為

(3)

式中，T為隨機信號x(t)和y(t)的采樣時間。互相關函數Rxy(τ)是τ的函數，它完整地描述了兩個信號之間的相關情況或取值依賴關系。

對振動信號x(t)和y(t)進行互相關分析，即對振動信號x(t)和延遲后的信號y(t+τ)進行卷積運算，得到的結果就是振動信號x(t)和y(t)的互相關函數。互相關函數最大值對應的延時即為到時差Δt，進而根據式(4)求出巖塊縱波波速。

(4)

式中:Vpr為巖塊縱波波速;L為巖塊長度;Δt為兩個傳感器接收到振動信號的到時差。

2 巖樣制備及試驗方法

2.1 巖樣特征

選用大連液流電池儲能調峰電站取到的輝綠巖，青島金能洞庫取的花崗巖、泥質灰巖，養馬島取的大理巖四種巖性11個巖塊作為測試巖樣，將所要測量的巖塊加工成圓柱巖樣，兩端面加工光滑。

巖塊中的花崗巖為二長花崗巖，塊狀構造，呈粒狀或斑狀結構，其主要礦物成分有黑云母、斜長石、石英等。輝綠巖的礦物成分與輝長巖相似，主要礦物成分為輝石和基性斜長石還有少量黑云母、石英等，具有斑狀結構，巖石呈暗綠或黑色。泥質灰巖以土黃色泥質灰巖為主，灰巖成分較多呈細晶結構。大理巖為粒狀變晶結構，其主要礦物為白云石。

巖塊按照“規范”要求進行制備，標準巖樣尺寸為：直徑約50 mm，高度約100～125 mm。巖塊兩端面不平行度誤差不大于0.05 mm，高度、直徑和邊長的誤差不大于0.3 mm，端面垂直試件軸線且最大偏差不超過0.25°，為了作對比，也選取了幾個不同尺寸的巖塊進行波速測試。鉆孔取芯加工的巖塊的巖性、尺寸及風化程度等參數如表1所示。

表1 巖塊樣品的巖性、尺寸及風化程度Tab.1 The lithology,size and weathering degree of rock specimens

2.2 振動法測試

傳感器采用P-150型振動加速度傳感器(通頻帶為0.5 Hz～9 kHz)，連接好COINV數據采集儀、筆記本電腦以及激振力錘等設備。為了使巖塊與傳感器之間接觸良好，測試前需要用砂紙打磨巖塊兩端面，使其干凈、無雜質，再用巖塊固定裝置將巖塊固定。于兩端橫截面中心處用雙面膠粘貼兩個振動加速度傳感器，分別采集輸入信號和輸出信號。

調試設備及各項參數，采樣頻率設置為10 MHz，采樣時間為2 s，用BY-L200型力錘在巖塊橫截面處沿垂直巖塊橫截面方向進行錘擊激振，配合上數據采集儀、電腦記錄顯示振動信號和波形，完成各個巖塊的縱波波速測試，振動法測試圖如圖2所示。

圖2 振動法測試圖Fig.2 Vibration test

2.3 超聲波測試

為了驗證振動法測試數據的準確性，采用ZBL-U510型非金屬聲波測試儀測試巖塊的縱波波速，首先是將兩個超聲換能器連接到主機通道上，然后調節測試儀各類參數如建立工程、新建構件、將所測巖塊尺寸輸入，完成之后要進行調零。將兩個換能器通過TM-100型超聲耦合劑耦合到巖塊兩端橫截面中心，換能器工作頻率為50 kHz。每個巖塊進行3次測量，取其平均值作為測試結果儲存，儲存好數據之后，便可通過U盤將測試數據拷入電腦讀取。

3 試驗結果及分析

本次試驗采用振動法與超聲波法的測試結果如表2所示。圖3為振動法實測的各個巖塊水平加速度時程曲線以及互相關函數圖，互相關函數波峰點的位置對應的延時即為到時差。由表2可以發現，振動法與超聲波法測試結果有一定差異，且對同一巖塊，超聲波法測試結果均大于振動法測試結果。

表2 巖塊縱波波速測試結果Tab.2 Test results of compression wave velocity of rock

試樣10圖3 各試樣水平加速度時程曲線及互相關分析圖Fig.3 Sample horizontal acceleration time history curve and cross-correlation analysis diagram

由表2可以看出，不同巖性的巖塊，其波速具有一定的變化范圍。巖塊縱波波速主要與其造巖礦物的組分、相對含量以及完整程度等因素有關。

組成巖塊的礦物(長石、云母等)各自具有各自的性質，不同巖性的巖塊，其礦物組分不同，因此波速各不相同。花崗巖巖塊取樣于完整的巖體，其主要礦物為石英、斜長石，結構致密、孔隙小，其平均波速為5 077.1 m/s。輝綠巖取樣于較完整的巖體，其結構均勻致密、質地堅硬，其平均波速為4 936.9 m/s，其縱波波速在幾種巖性的巖塊中最高。泥質灰巖鉆孔取樣巖體為泥質膠結，其主要礦物為方解石，巖塊硬度低，易劈裂，其致密程度較花崗巖低，所測得的巖塊縱波波速為四種巖性的巖塊中最低。本次測試的大理巖巖塊取樣于節理裂隙發育、完成程度比較破碎的大理巖巖體，其表面含有幾條微裂隙，平均波速為4 603.6 m/s，由此可以看出，完整程度對波速影響較大。

巖塊的尺寸也是影響縱波波速的因素之一。由試件5可以看出，當巖塊長度增大時，其表面存在的微裂隙以及內部孔隙都增多了，波傳播時折射、散射現象較多，使得振動法與超聲波法測試結果均小于標準尺寸的巖塊縱波波速。但相對于振動法，超聲波法測試結果的變化幅度較大，由此可以看出，超聲波頻率較高，其頻率對波速影響較大。

測試的大理巖巖塊由于其表面有微裂隙的存在，使測得的縱波波速降低，主要原因在于當振動波沿測試方向傳播時，遇到微裂隙會發生反射、繞射等現象，增大了波的傳播距離，導致縱波波速降低[15-16]。其振動法測試結果與超聲波法測試結果的相對誤差最大，達到了-7.87%，由此可以看出，對于比較破碎的巖塊，采用振動法測試巖塊縱波波速有較好的測試效果。

5 結 論

(1) 本文在以往超聲波法波速測試的基礎上，提出了采用振動法測試巖塊縱波波速，振動法測試結果與超聲波法測試結果對比，兩者最大相對誤差達到-7.87%。超聲波法激發的振源為超聲波，超聲波頻率較高，頻率對波速的影響不能忽略。

(2) 本文對鉆孔取芯得到的不同巖性、尺寸、風化程度的巖塊進行了測試及分析，得到了不同因素對巖塊波速的影響情況。振動法與超聲波法測試結果對比表明：縱波波速受到巖塊致密程度、硬度、完整程度的影響。巖塊縱波波速隨巖塊致密程度、硬度、強度的增大而增大，隨巖塊微裂隙的增多而減小。

(3) 以往巖體完整性系數Kv大多根據振動法測得的巖體縱波速度與任意頻率超聲波測得的巖塊縱波速度求得的，這是不合理的。采用振動法測試巖體與巖塊縱波速度進而求得Kv，能更準確地評價巖體完整性。