绢云母片岩波速影响因素研究

何 勇，李天斌，孟陆波，唐 林

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

声波探测技术是通过研究超声波在物质中的传播规律来判断物质内部结构状态及其它物理性质指标的一种测试技术［1］。目前该技术已广泛应用于岩体质量分类、围岩松弛带划分等许多方面［2］。在岩石声波测试方法及波速与各物理力学参数关系方面国内外都做了大量研究［3-4］。但上述研究工作主要是针对室内岩块，由于波速在岩体中的传播受到风化程度、节理发育程度、含水状态等内外部因素的影响。因此，室内岩块试验很难真实反映实际工程岩体性质，许多研究者已注意到岩体物理力学参数与室内岩块试件物理力学参数间存在相当大的差异［3］。不同作者虽对这些影响因素进行了研究，但往往仅针对某一单一因素［4］，多因素条件下的研究也多为室内岩块的模拟［5］。本文针对具体工程区影响绢云母片岩的主要外部因素进行了室内岩块、室外岩体的试验研究。

1 试验方法

岩体声波测试采用的仪器为FDP204SW型超声波测试仪及其配套的纵横波换能器。室内测试岩块规格为5 cm×5 cm×10 cm的长方体;室外岩体为开挖边坡面上长约15～35 cm的不同风化程度和不同节理发育程度的岩体。测试时采用直透法，人工凿平两端面，并对测试部位进行详细描述。工程区主要岩体为绢云母片岩，片理面对岩体力学参数起主要作用，因此本次岩体波速测试方向为平行片理面，测试时同时测量岩体的纵、横波速度。

2 试验结果分析

2.1 水对波速的影响

为了研究水对工程区绢云母片岩波速的影响，在室内进行了天然和饱水状态下的波速测试，并对不同饱水时间下的岩块进行了对比分析。岩样水理性质测试结果见表1，波速测试结果见图1。

表1 绢云母片岩水理性质测试结果

由测试结果分析可知，饱水5 d后纵波速度下降幅度在5%以内，平均下降幅度约2.98%;横波速度下降幅度在5%～12%之间，平均降幅约8.82%。饱水20 d后纵波速度下降幅度在9% ～19%之间，平均降幅约14.2%;横波速度下降幅度在17% ～26%之间，平均降幅约20.79%。可见水对绢云母片岩波速的影响较为明显，饱水5 d后纵横波速度即呈下降趋势，饱水20 d后下降趋势更加明显，且总体横波速度较纵波速度下降幅度大。

通过分析可知，饱水对岩体纵横波速度有降低作用。由于水对岩样波速的影响主要决定于岩石的孔隙率和软硬程度，因此综合分析原因为:①岩样属致密岩体，吸水率较低，水对空隙充填的影响较小，水对致密岩样波速的影响较不敏感;②绢云母片岩片理面力学性质相对较差，在水的长期作用下，部分矿物溶解，岩石骨架被软化，片理面的牢固性减弱，使波速降低，饱水时间越长降低越明显，具有明显的时间效应。

图1 不同饱水时间对波速影响曲线

2.2 节理对波速的影响

工程岩体由于经受过复杂的地质历史过程，节理、裂隙一般较为发育。节理、裂隙对岩体质量有较大的影响，声波穿过时将会发生反射、折射和绕射现象，影响声波传播速度。本文在绢云母片岩大量室外波速测试数据的基础上，选择同一风化程度同一测试段的岩体，对其节理发育程度与波速关系进行分析(本文所统计节理均为闭合状态)。由图2和图3可知，在同一风化程度下，节理条数与波速并无明显关系，但对同一风化程度下同一节理条数的波速，剔除明显异常点后统计平均值，作相关曲线可知，平均波速与节理条数存在一定的相关关系(图4和图5)。由图可知，弱风化条件下平均波速与节理条数具有很好的相关关系，相关系数均为0.95;而强风化条件下平均波速与节理条数也具有一定的相关关系，但相关性较弱风化条件下差，相关系数分别为0.73和0.67。

图2 弱风化岩体波速与节理条数关系

图3 强风化岩体波速与节理条数关系

图4 弱风化岩体平均波速与节理条数关系

图5 强风化岩体平均波速与节理条数关系

通过分析可知，弱风化条件下岩体波速主要受节理发育程度影响，节理越发育，岩体波速越低;而强风化条件下，由于风化对岩体结构构造、矿物成分等均有较大的影响，因此波速同时受到风化程度和节理发育程度的影响，平均波速与节理条数相关关系相对较差。

2.3 风化程度对波速的影响

为了研究风化程度对波速的影响，本文对同一测试段同一节理条数下不同风化程度的岩体平均波速进行了统计分析，结果如表2。

表2 绢云母片岩不同风化程度下平均波速统计

由表2可知，在相同节理条数下强风化岩体比弱风化岩体波速低，且降低幅度较大。纵波最大降幅达28.31%，平均降幅约13.87%;而横波最大降幅达38.19%，平均降幅约19.52%。说明风化对岩体波速有较为明显的影响，且风化程度对横波的影响比纵波更明显。

3 结论

1)绢云母片岩波速受水的影响较大，短期饱水后即有明显降低，经过长期饱水后下降趋势更明显，具有明显的时间效应，且横波较纵波更为敏感。

2)节理对波速无明显的影响，但平均波速与节理条数具有一定的相关关系。弱风化条件下相关性较好，强风化条件下相关性较差，这是由于波速同时受到风化程度和节理发育程度的影响。

3)风化对岩体波速有较大的影响，风化程度越强，波速越低，且横波较纵波更为敏感。

4)对影响绢云母片岩声波速度主要因素的综合分析，有利于正确运用声波资料，准确评价工程岩体，合理进行参数取值。

［1］赵奎，万林海，饶运章，等．基于声波测试的矿柱稳定性模糊推理系统及其应用［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(11):1804-1809．

［2］赵明阶，吴德伦．工程岩体的超声波分类及其强度预测［J］．岩石力学与工程学报，2000，19(1):89-92．

［3］丁梧秀，姚增，蒋振，等．岩体工程特性研究中弹性波速参数取值方法探讨［J］．岩体力学，2004，25(9):1353-1356．

［4］马中高，解吉高．岩石的纵、横波速度与密度的规律研究［J］．地球物理学进展，2005，20(4):905-910．

［5］李元辉，赵兴东，赵有国，等．不同条件下花岗岩中声波传播速度的规律［J］．东北大学学报(自然科学版)，2006，27(9):1030-1033．