楊勤海

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的松散地質(zhì)體灌漿加固試驗(yàn)進(jìn)行聲波測(cè)試，即可獲得松散巖體的主要地球物理動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為庫(kù)區(qū)移民安置區(qū)的地基處理與合理開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，又可定量、全面評(píng)價(jià)三峽庫(kù)區(qū)的松散巖體的穩(wěn)定性。本文結(jié)合以往的聲波測(cè)試成果，運(yùn)用聲波測(cè)試技術(shù)和方法，論述聲波測(cè)試方法在研究庫(kù)區(qū)測(cè)試松散工程體灌漿加固的效果。

【關(guān)鍵詞】三峽庫(kù)區(qū)　松散地質(zhì)體　聲波測(cè)試

1　前言

在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)移民安置中，奉節(jié)、巫山等不少城鎮(zhèn)新址都遇到對(duì)復(fù)雜成因的第四系松散堆積層組成的滑坡、崩塌、巖溶等地質(zhì)災(zāi)害體土地資源的開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題。這些地帶基本上是縣城新址就地后靠的主要部位，由于其成因復(fù)雜，工程地質(zhì)條件特殊，在縣城遷建規(guī)劃中未能充分加以利用，嚴(yán)重地妨礙了城市的建設(shè)和發(fā)展。第四系松散堆積體的地質(zhì)成因雖然復(fù)雜、特殊，但是作為建筑地基，其工程地質(zhì)條件并不很差，只要能進(jìn)行充分論證，輔以必要的地質(zhì)體改造工程，就可以為遷建城市所用，可增加遷建城鎮(zhèn)的土地資源，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái)，對(duì)于這類(lèi)復(fù)雜成因的第四系堆積體的研究成為工程地質(zhì)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文介紹了聲波測(cè)試技術(shù)及其在三峽庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)體灌漿加固試驗(yàn)研究情況，結(jié)合以往在庫(kù)區(qū)開(kāi)展的一些有關(guān)巖土彈性參數(shù)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系方面的試驗(yàn)和研究工作，通過(guò)聲波測(cè)試結(jié)果給出了工程地質(zhì)體的力學(xué)指標(biāo)，在一定程度上能夠反映試驗(yàn)場(chǎng)地的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，可以定量、全面評(píng)價(jià)加固效果。

2　試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件與地球物理特性

2.1　試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在移民遷建急需且地質(zhì)條件典型的地方，即奉節(jié)寶塔坪規(guī)劃小區(qū)的趙家梁子一帶和巫山二道溝四大家一帶。因位置不同，試驗(yàn)場(chǎng)地的地質(zhì)條件差別較大，反映了松散堆積體結(jié)構(gòu)的不同性。各試驗(yàn)場(chǎng)地的巖性特征簡(jiǎn)述如下：

奉節(jié)第一組上部3m左右為第四系坡積含碎塊石亞粘土，密實(shí)。下部為深灰色薄—中厚層泥灰?guī)r，裂隙發(fā)育，巖層破碎，巖芯呈短柱狀、餅狀及碎塊狀。

奉節(jié)第二組上部為粉土含碎塊石角礫，稍密，透水性弱，下部為碎塊石，粘土充填，后經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證：2m以上為坡積亞粘土含塊石，密實(shí)；2m以下為黃褐色—灰色泥灰?guī)r。巖層裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化，在6m以上段裂隙被泥質(zhì)充填緊密，6m以下段充填物較少。

巫山第一組上部13m以上段為綠灰色泥灰?guī)r，中強(qiáng)風(fēng)化，垂向裂隙發(fā)育，多被泥質(zhì)充填，巖芯呈碎塊狀，鉆進(jìn)過(guò)程中3～12m段易垮塌，一般不漏水。13m以下為鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖，暗紫紅色，裂隙發(fā)育，巖芯仍較破碎。

按設(shè)計(jì)要求，每組試驗(yàn)均由7個(gè)鉆孔組成，中間1孔，周邊6孔，呈梅花狀分布，其中3個(gè)為灌漿試驗(yàn)孔，4個(gè)為測(cè)試觀測(cè)孔，奉節(jié)試驗(yàn)點(diǎn)孔深為20m，巫山試驗(yàn)點(diǎn)為18m。各孔漿液配比、灌漿量均不同。

2.2　試驗(yàn)場(chǎng)地地球物理特性

根據(jù)以往在巴東黃土坡滑坡、萬(wàn)州關(guān)塘口滑坡等地及實(shí)測(cè)資料，試驗(yàn)場(chǎng)地完整巖體的聲波速度一般在3000m/s以上。由于庫(kù)區(qū)大部分地質(zhì)條件較差，基巖上部的地層破碎、裂隙發(fā)育、完整性差。聲波速度變化區(qū)間較大，多在700～2600m/s之間。聲波在巖體中傳播時(shí)，其參數(shù)的變化直接反映巖體的地質(zhì)構(gòu)造和物理力學(xué)性質(zhì)。

聲波測(cè)試巖體（石）的彈性力學(xué)參數(shù)是在快速瞬間加載情況下完成的，稱(chēng)為動(dòng)力法。所測(cè)得的參數(shù)稱(chēng)為動(dòng)彈性參數(shù)，如動(dòng)彈性模量Ed、動(dòng)泊松比μd、動(dòng)剪切模量Gd等。只要測(cè)得巖體的縱波速度、橫波速度，密度，則可根據(jù)下列工程式計(jì)算出巖體（石）的動(dòng)彈性參數(shù)。

動(dòng)彈性模量計(jì)算公式：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)方法論文集

動(dòng)剪切模量計(jì)算公式：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)方法論文集

動(dòng)泊松比計(jì)算公式：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)方法論文集

式中：Vp——縱波速度（km/s）;

Vs——橫波速度（km/s）；

ρ——巖石密度（g/cm）;

Ed——?jiǎng)訌椥阅Ａ浚?/p>

Gd——?jiǎng)蛹羟心Ａ浚?/p>

μd——?jiǎng)硬此杀取?/p>

因此諸如縱波速度、橫波速度、振幅、頻率等參數(shù)，可作為評(píng)價(jià)工程巖體的定量依據(jù)，并可校驗(yàn)工程地質(zhì)體灌漿加固的效果。聲波測(cè)試主要是為了評(píng)價(jià)灌漿質(zhì)量，而灌漿質(zhì)量主要依據(jù)聲波速度進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)聲波測(cè)試獲得的波速資料，結(jié)合地質(zhì)資料，可準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)灌漿效果，從而為試驗(yàn)場(chǎng)地的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

3　測(cè)試方法及技術(shù)

要了解第四系松散堆積體灌漿加固效果且要求所采用的方法快速、經(jīng)濟(jì)，聲波測(cè)試技術(shù)是滿足上述條件的首選方法。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較研究，松散堆積體灌漿加固試驗(yàn)檢測(cè)方法主要選擇巖心測(cè)試、單孔聲波測(cè)試及跨孔聲波測(cè)試方法。

傳播于固體中的聲波是機(jī)械波。由于其作用力的量級(jí)所引起的變形在線性范圍，符合虎克定律，也可稱(chēng)其為彈性波。聲波測(cè)試與淺層地震、面波勘探同屬?gòu)椥圆y(cè)試技術(shù)范疇。聲波測(cè)試所使用的波動(dòng)頻率從幾十 Hz到50kHz（現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試）和50kHz到500kHz（巖石及混凝土樣品測(cè)試），覆蓋了聲頻到超聲頻，在檢測(cè)聲學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中仍稱(chēng)其為“聲波測(cè)試”。由于采用的信號(hào)頻率要高于地震波和面波的頻率，因此有較高的分辨率，適用于對(duì)巖體等地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行較細(xì)致的研究。測(cè)試動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有設(shè)備輕巧、測(cè)試簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)迅速等優(yōu)點(diǎn)，而且許多大型工程都要考慮巖土的動(dòng)力學(xué)特征，因此測(cè)量巖體的動(dòng)彈性參數(shù)具有實(shí)際意義。

3.1　巖心試件測(cè)試

先將所選柱狀巖心切齊、磨平做好測(cè)試準(zhǔn)備，后用縱波換能器、凡士林和巖心耦合進(jìn)行縱波波速測(cè)試；用橫波換能器、錫鉑紙與巖芯耦合進(jìn)行橫波波速測(cè)試。

采用的儀器為CYC-4型超聲巖石測(cè)試儀，BPFT型和WT型縱波探頭頻率分別為100kHz 25kHz;HT型橫波探頭頻率為460kHz。表1列出了灌漿前鉆孔取芯的巖樣試件聲波速度及相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)實(shí)測(cè)資料。

表1　巖心測(cè)試成果表

3.2　單孔聲波測(cè)試

單孔聲波測(cè)試是采用長(zhǎng)源距一發(fā)雙收探管，發(fā)射—接收間距50cm，接收—接收間距30cm。在鉆孔（賦存井液的裸孔）內(nèi)沿井壁發(fā)射、接收聲波信息，測(cè)井時(shí)將探管下至井底，按測(cè)井點(diǎn)距（本次測(cè)試選用0.5m點(diǎn)距）向上測(cè)試，由筆記本計(jì)算機(jī)完成采集與存儲(chǔ)，室內(nèi)通過(guò)回放和資料處理拾取縱波，在采集波形中根據(jù)波形干涉點(diǎn)、幅度、頻譜分析確定縱波初至走時(shí)，計(jì)算縱波波速。建筑聲學(xué)測(cè)量

測(cè)試使用的儀器為SSJ-4D全波列聲波測(cè)井儀，井下探頭：源距0.5m，間距0.3m，直徑78mm；電纜長(zhǎng)度300m。表2列出了此次試驗(yàn)場(chǎng)地灌漿加固試驗(yàn)中的不同期單孔波速實(shí)測(cè)資料。

表2　奉節(jié)、巫山單孔波速表

3.3　跨孔聲波測(cè)試

跨孔聲波測(cè)試法采用的是同步提升法：在其中一個(gè)鉆孔（裸孔）內(nèi)激發(fā)，另一個(gè)鉆孔（裸孔）內(nèi)接收，由孔底起始同步上升至上部，按測(cè)試要求點(diǎn)距向上測(cè)試，在一鉆孔內(nèi)由電火花（或剪切錘）發(fā)射信號(hào)、另一鉆孔內(nèi)由換能器接收聲波信息，由儀器完成采集與存儲(chǔ)，室內(nèi)通過(guò)回放和資料處理拾取波形，在采集波形中根據(jù)波形干涉點(diǎn)、幅度、頻譜分析確定縱波或橫波初至走時(shí)，計(jì)算波速。

儀器采用SWS-1型多功能儀（北京水電物探研究所研制），測(cè)試激發(fā)源一般采用電火花（湘潭市無(wú)線電廠生產(chǎn)）或剪切錘兩種激振方法。貼壁式三份量檢波器接收。表3列出了此次試驗(yàn)場(chǎng)地灌漿加固試驗(yàn)中的不同期跨孔波速實(shí)測(cè)資料。

表3　奉節(jié)、巫山跨孔波速表

4 試驗(yàn)場(chǎng)地力學(xué)參數(shù)及方法分析

4.1 力學(xué)參數(shù)明顯提高

通過(guò)采用聲波測(cè)井方法對(duì)灌漿效果的檢測(cè)，工程地質(zhì)體改性加固灌漿后力學(xué)參數(shù)明顯提高。

（1）聲波參數(shù)

①灌漿前：

a.含粘土松散巖土體（巫山），縱波速度1320m/s～1480m/s。

b.裂隙基巖破碎巖體（奉節(jié)），縱波速度810m/s～1100m/s。

②灌漿后：

a.含粘土松散巖土體（巫山），單孔波速平均提高11%，跨孔波速平均提高25%。

b.裂隙基巖碎裂巖體（奉節(jié)），單孔波速平均提高14.6%，跨孔波速平均提高65%。

（2）場(chǎng)地力學(xué)參數(shù)

①灌漿前：

a.含粘土松散巖土體（巫山），地基承載力[R]=557(kPa），凝聚力[c]=151(kPa），壓縮量[Es]=8.9(MPa），摩擦角[φ]=36（°）。

b.裂隙基巖松動(dòng)巖體（奉節(jié)），地基承載力[R]=388-438(kPa），凝聚力[c]=92～110(kPa），壓縮量[Es]=6.9～7.3(MPa），摩擦角[φ]=25.6～29（°）。

②灌漿后：

a.含粘土松散巖土體（巫山），地基承載力[R]=636(kP聲波分析a），凝聚力[c]=181(kPa），壓縮量[Es]=10.3(MPa），摩擦角[φ]=41（°）。

b.裂隙基巖松動(dòng)巖體（奉節(jié)），地基承載力[R]=504～568(kPa），凝聚力[c]=134～157(kPa），壓縮量[Es]=8.1～8.9(MPa），摩擦角[φ]=31～37.1（°）。

4.2 測(cè)試方法的分析

由上述中可以看出巖心試件、單孔及跨孔的縱波速度存在明顯的變化，這是因?yàn)閹r心試件、單孔聲波、跨孔聲波3種方法的測(cè)試結(jié)果之間具有可對(duì)比性，每種方法所呈現(xiàn)的波速變化與巖石、巖質(zhì)之間的關(guān)系是互相對(duì)應(yīng)的，趨勢(shì)是一致的。只是由于測(cè)試方法的不同，其結(jié)果亦表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

巖心試件的測(cè)試一般是在規(guī)定尺寸上進(jìn)行的。相對(duì)而言可以視為巖體一個(gè)點(diǎn)上的測(cè)試，測(cè)試頻率范圍為超高頻率；單孔聲波測(cè)試的間距是30cm，其所測(cè)的只是井壁圓柱體一個(gè)波長(zhǎng)附近有限范圍內(nèi)的巖體聲學(xué)特性，相對(duì)而言可以視為一段一維桿狀巖體的測(cè)試，頻率范圍為高頻；跨孔法在小孔距的范圍內(nèi)進(jìn)行，與上述兩種方法比較，測(cè)量范圍要大的多，在較大的范圍中，彈性波傳播不但受巖質(zhì)的制約，而且更重要的是受巖體結(jié)構(gòu)面的控制。也可以視為二維平板狀巖體上的測(cè)試，頻率范圍相對(duì)為低頻。由于上述的差別，表現(xiàn)在波速參數(shù)上的關(guān)系是巖心試件測(cè)得的聲速大于單孔聲速，而單孔聲速又大于跨孔聲速（V巖芯＞V單孔＞V跨孔）。以上是符合客觀規(guī)律的。巖心測(cè)試反映的是巖體點(diǎn)上的聲學(xué)特性，單孔反映局部巖體的縱向聲學(xué)特性，而跨孔卻代表巖體的橫向變化。

5　結(jié)論與討論

采用聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)松散堆積體灌漿加固試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，取得了良好的效果，奉節(jié)、巫山兩地的灌漿加固試驗(yàn)結(jié)果表明上述方法是可行的、有效的；聲波測(cè)試不僅具有快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的特點(diǎn)之外，還是一種無(wú)損的測(cè)試方法，能夠從整體上、全方位地評(píng)價(jià)灌漿質(zhì)量。

應(yīng)當(dāng)指出，由于動(dòng)力法是在瞬間加載情況下進(jìn)行測(cè)試的，且對(duì)巖體施加的應(yīng)力較小，因此，動(dòng)、靜彈性參數(shù)間存在一定的差異。為了滿足當(dāng)前工程技術(shù)界仍需將動(dòng)彈性參數(shù)換算成荷載條件相近的靜彈性參數(shù)的要求，有必要進(jìn)一步研究二者之間的關(guān)系。但這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜，一般其對(duì)應(yīng)關(guān)系因不同巖性和不同地區(qū)而異。實(shí)際工作中，往往要進(jìn)行一定數(shù)量的動(dòng)靜彈性參數(shù)的對(duì)比測(cè)試，才能找出其中的對(duì)應(yīng)規(guī)律。

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