巖土體彈性波速測試及巖土體波速與物理參數(shù)的相關(guān)性研究

摘要：以山東省煙臺市某建筑工程巖土工程勘察為背景工程，在結(jié)合工程場區(qū)巖土地質(zhì)條件分布的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場超聲波縱波速度實測的方法，對各層巖土體的縱波速度進(jìn)行測試，并結(jié)合室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，分析巖土體的超聲波縱波速度與各層巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系，得到以下幾個結(jié)論：隨著各巖土層重度指標(biāo)的增加，巖土層的超聲波速度呈現(xiàn)線形增加的趨勢；巖石單軸抗壓強度呈現(xiàn)明顯分化，風(fēng)化程度越低，單軸抗壓強度越高，表明其力學(xué)性質(zhì)越好；隨著巖石單軸抗壓的增加，巖石超聲波縱波速度呈現(xiàn)指數(shù)的變化關(guān)系；隨著各巖土層實測標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的增加，巖土層的超聲波速度也呈現(xiàn)線形增加的趨勢。

關(guān)鍵詞：超聲波速度；原位測試；波速測試；物理參數(shù)；介質(zhì)密度

0" "引言

天然狀態(tài)下的巖土體具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，表現(xiàn)出力學(xué)性質(zhì)的多樣性，正確評價巖土工程的物理力學(xué)性質(zhì)是工程設(shè)計和采取工程措施的先決條件[1]。為了獲取巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，一般采用室內(nèi)試驗的方法進(jìn)行測試。但這些方法得到的參數(shù)，諸如密度、彈性模量、泊松比等多為靜態(tài)參數(shù)，不能反映巖土工程受到動力荷載作用下的力學(xué)性能演變。而建立動力力學(xué)參數(shù)與靜力學(xué)參數(shù)之間的相互關(guān)系，則可以地綜合反映力學(xué)特性[2]。彈性波在巖土層中傳遞過程中，攜帶了巖土體大量物理力學(xué)性質(zhì)信息，可利用彈性波縱橫波速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，來揭示巖土體的性質(zhì)和狀態(tài)，達(dá)到參數(shù)表征和工程勘測的目的[3]。

1" "工程概況

山東省煙臺市某建筑工程場地西側(cè)臨山，整體中西部高，中間有沖溝自北向南通過，屬于山麓斜坡地帶，后因施工等多次堆填形成現(xiàn)地表形態(tài)。地貌類型主要為坡積裙及山間沖溝，地形起伏很大，地面標(biāo)高最大值79.02m，最小值53.22m，地表相對高差25.80m。巖土勘察包含7層中高層建筑19棟、4層多層建筑1棟、2層配套建筑1棟及1層配套建筑1棟。

2" "場區(qū)巖土工程條件

根據(jù)巖土工程勘察分析可知，鉆探深度范圍內(nèi)揭露的巖土層如下：

地表分布素填土（Q4ml），共計151個鉆孔揭露該層，以粉質(zhì)黏土為主回填，局部夾含建筑垃圾及生活垃圾等，厚度差異大，固結(jié)較差，成分不均。總體厚度為0.50～23.50m，層底標(biāo)高為47.37～71.61m，層底埋深為0.50～23.50m。粉質(zhì)黏土（Q4pl+dl）有121個鉆孔揭露該層，韌性及干強度中等，偶見土中包裹有角礫及碎石成分。總體厚度為0.90～9.70m，層底標(biāo)高為45.80～68.81m，層底埋深為3.40～26.00m。

角礫混黏性土（Q4pl+dl）有計79個鉆孔揭露該層，以角礫為主，黏性土含量較高，局部夾粉質(zhì)黏土層。該層混合土中局部夾碎石成分，場區(qū)多分布于東部沖溝附近，總體厚度為0.80～9.20m，層底標(biāo)高為41.83～52.84m，層底埋深為6.80～25.00m。角礫（Q4pl+dl）分布在151#孔中，碎石粒徑多為3～8cm左右，最大超過10cm，充填物為巖石碎屑、砂土等部分區(qū)域相變?yōu)榈[砂，總體厚度為0.80～5.50m，層底標(biāo)高為44.30～52.80m，層底埋深為6.80～24.30m。

全風(fēng)化云母片巖（Pt1fG）有120個鉆孔揭露該層，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，厚度為0.60～8.10m，層底標(biāo)高為35.01～66.91m，層底埋深為1.60～29.00m。強風(fēng)化云母片巖（上）（Pt1fG）有43個鉆孔揭露該層，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，厚度為0.80～10.70m，層底標(biāo)高為32.18～63.31m，層底埋深為8.50～28.80m。

強風(fēng)化云母片巖（下）（Pt1fG）有24個鉆孔揭露該層，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造厚度為1.10～14.60m，層底標(biāo)高為26.81～70.43m，層底埋深為4.00～37.00m，該層局部未穿透，最大揭露深度為14.60m。中風(fēng)化云母片巖（Pt1fG）有24個鉆孔，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，該層未穿透，最大揭露深度為10.20m。各層土的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)如表1所示。

3" "孔內(nèi)彈性波速度測試方法

將超聲波作為彈性波，其頻率大于2萬Hz。超聲波在巖土體中傳播時，其傳播過程可以借由波動偏微分方程進(jìn)行表達(dá)，如公式（1）所示[4-5]：

（1）

式中：ρ為巖土體的密度，u為位移，λ、μ為介質(zhì)拉梅常數(shù)，為外力。

對公式（1）進(jìn)行散度求解可得，其無旋波（縱波）的傳播速度，如公式（2）所示。

（2）

式中：Vp為超聲波的縱波速度。

對公式（1）進(jìn)行旋度求解可得，其無散度波（橫波）的傳播速度，如公式（3）所示。

（3）

式中：Vs為超聲波的橫波速度。

在實際巖土工程現(xiàn)場測試中，采用的超聲波縱波測試方法如下：將自接自收超聲波探頭放入測孔的預(yù)定深度；超聲波發(fā)射換能器激發(fā)超聲波，并在巖土體中傳播，反射后被探頭中的接收換能器接收；接收換能器將采集的超聲波縱波信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸至超聲波接收儀；經(jīng)過示波器顯示，將電信號轉(zhuǎn)化為聲波數(shù)字信號；這些信號通過軟件進(jìn)行濾波處理以及頻譜分析，得到反映巖土體性能參數(shù)的動力學(xué)參數(shù)。具體的超聲波縱波信號采集過程如圖1所示。

4" "孔內(nèi)彈性波速度與物理參數(shù)的相關(guān)性分析

對場區(qū)15個超聲波縱波測孔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合測孔內(nèi)各土層的室內(nèi)試驗物理指標(biāo)測試結(jié)果，研究物理指標(biāo)與超聲波縱波速度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，巖土層的重度分布范圍較為集中，各土層的超聲波縱波速度呈現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象。整體而言，隨著各巖土層重度指標(biāo)的增加，巖土層的超聲波速度也呈現(xiàn)線形增加的趨勢，兩者的相互關(guān)系如公式（4）所示。

Vp=111.6γ，R2=0.991" " " " " " " " " （4）

式中：Vp為超聲波縱波速度，單位為m/s；γ為巖土層室內(nèi)試驗重度，單位為kN/m3；R為擬合系數(shù)。

為研究巖石層力學(xué)指標(biāo)與超聲波縱波速度之間的關(guān)系，選取了⑦強風(fēng)化云母片巖（上）、⑧強風(fēng)化云母片巖（下）和⑨中風(fēng)化云母片巖進(jìn)行研究。土層中的⑥全風(fēng)化云母片巖由于風(fēng)化嚴(yán)重、取樣困難，無法獲取其飽和單軸抗壓強度，因此統(tǒng)計時不考慮該巖層的超聲波縱波速度與飽和單軸抗壓強度的關(guān)系。

各巖層超聲波縱波速度與飽和單軸抗壓強度的統(tǒng)計結(jié)果以及曲線相關(guān)關(guān)系分別如圖3所示。從圖3中可以看出，⑦強風(fēng)化云母片巖（上）、⑧強風(fēng)化云母片巖（下）和⑨中風(fēng)化云母片巖的單軸抗壓強度，呈現(xiàn)明顯的分化，風(fēng)化程度越低，單軸抗壓強度越高，表明其力學(xué)性質(zhì)越好。隨著巖石單軸抗壓的增加，巖石超聲波縱波速度呈現(xiàn)的變化關(guān)系如公式（5）所示。

Vp=490.9ln（σ），R2=0.809" " " " " " " " （5）

式中：Vp為超聲波縱波速度，單位為m/s；σ為巖石的單軸抗壓強度，單位為MPa；R為擬合系數(shù)。

對場區(qū)15個超聲波縱波測孔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合測孔內(nèi)各土層現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)結(jié)果，研究標(biāo)貫擊數(shù)與超聲波縱波速度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，各層巖土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)分布較為分散，各土層的超聲波縱波速度呈現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象，這與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與超聲波縱波的變化規(guī)律較好的一致性，也側(cè)面表明超聲波縱波速度在一定程度上反映了巖土層的力學(xué)性質(zhì)。整體而言，隨著各巖土層實測標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的增加，巖土層的超聲波速度也呈現(xiàn)線形增加的趨勢，兩者的相互關(guān)系如公式（6）所示。

Vp=10.457N，R2=0.8190" " " " " " " "（6）

式中，Vp為超聲波縱波速度，m/s；N為巖石的實測標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，擊；R為擬合系數(shù)。

5" "結(jié)語

本文以山東省煙臺市某建筑工程巖土工程勘察為背景工程，分析巖土體的超聲波縱波速度與各層巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系，得到以下幾個結(jié)論：

各層巖土層的重度分布范圍較為集中，但各土層的超聲波縱波速度呈現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象。隨著各巖土層重度指標(biāo)的增加，巖土層的超聲波速度也呈現(xiàn)線形增加的趨勢。

巖石單軸抗壓強度呈現(xiàn)明顯的分化，風(fēng)化程度越低，其單軸抗壓強度越高，表明其力學(xué)性質(zhì)越好。隨著巖石單軸抗壓的增加，巖石超聲波縱波速度呈現(xiàn)指數(shù)的變化關(guān)系；

各層巖土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)分布較為分散，各土層的超聲波縱波速度呈現(xiàn)出一定的分層現(xiàn)象。隨著各巖土層實測標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的增加，巖土層的超聲波速度也呈現(xiàn)線形增加的趨勢。

參考文獻(xiàn)

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