刘艳涛
广东省地质实验测试中心 广东广州 510080
摘要：随着我国各项工程建设的蓬勃发展，我国岩土工程的建设力度也随之不断提升，岩体是由不同尺寸的岩块和不同性质的结构面组成且在地层成岩历史上承受过多种作用的复杂结构体，其复杂性表现在地质环境复杂、力学特性(变形、强度、渗流等)复杂、工程性质复杂。矿物开采、水利水电、道路交通等众多岩石工程均需进行大量岩体的开挖和人工维护，这种剧烈的工程作用将改变原岩应力场、物理特性（力学、渗流、声学等）、边界条件等。究其根本，岩体开挖过程是一种应力卸荷过程，其力学特性与岩石加载过程有本质区别，表现在应力路径、力学参数、屈服条件、力学模型及分析方法上的不同岩体是众多地下工程的主要构成材料，岩石又是岩体的重要组成部分，研究岩体和岩石的力学性质对工程的分析研究具有重要意义。基于此，本文主要对波速测试技术在岩土工程勘察中的应用做具体论述，详情如下。
关键词：波速测试技术;岩土工程勘察;应用
引言
岩石具有丰富的物理性质，包括力学、声学、电磁学、热学、放射学等特性参数和物理量，且各类物理特性之间存在基本的物理关联。岩体的力学参数测试分为现场岩体原位测试和实验室岩石力学测试。现场原位测试通过专用设备测试岩体的力学物理性质，具有接近真实反映岩体性质的优势，但现场测试又受诸多条件影响，测试结果通常不稳定，有的设备结构复杂，难以在地下空间展开。实验室测试是通过在岩体上钻孔取芯，加工成标准试件在实验室内进行物理力学性质测试。实验室测试结果通常较为稳定，但岩石试件脱离岩体，难以体现出真实地质环境的影响，而且当岩体较为破碎或者一些岩石强度较低时，难以取出完整的岩芯。
1波速测试概述
对矿区地面钻孔取芯制成的岩石标准试件进行岩石波速测试，采用全波列测井方法在钻孔内进行岩体波速测试，确定现场岩体的波速，对比实验室测试得到的岩石波速，分析岩石声波波速与岩体声波波速之间的相关性。岩石波速测试的设备由示波器、脉冲收发器、探头３部分组成。在试件上下表面均匀涂上耦合剂，将声波发送、接受探头分别放在试件上下两侧，通过示波器读出波在探头间传递的时间，通过试件的尺寸便可求出波速。
2波速测试技术在岩土工程勘察中的应用
2.1三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系
波速测试技术在岩土工程勘察中的应用之一是三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系。分析煤的孔隙率影响煤的吸附、渗透能力，且它也是衡量煤体内部结构及孔、裂隙发育状况的重要指标。而水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响，且瓦斯抽采量也会受到含水煤层的影响，为更客观地了解含水煤层状态下的孔隙率的变化情况，采用超声波透射法对煤层不同层理方向煤样在干燥及自然饱和吸水状态下进行三轴加载超声波测试试验，研究干燥及自然饱和水三轴加载状态下煤样超声波波速与孔隙率关系。煤样三轴加压条件下，无论干燥煤样还是饱和煤样在相同条件下垂直层理方向波速始终小于平行层理方向波速。随着围压增大，干燥煤样平行层理方向煤样波速曲线不易区分，而孔隙率曲线相对好区分。饱和煤样由于水的作用垂直层理方向与2个平行层理方向3个方向波速曲线区别明显，孔隙率曲线不易区分。加载煤样，垂直层理方向波速与平行层理方向波速曲线易于区分，随着围压增大，2个平行层理方向的波速曲线区分不明显。相同条件下，饱和煤样波速曲线比干燥煤样波速曲线易于区分，但孔隙率曲线饱和煤样没有干燥煤样易于区分，因此用单一的波速分析加载煤样准确性不高，需要波速、孔隙率结合分析。
2.2不同初始卸荷水平下红砂岩波速变化及能量耗散规律
波速测试技术在岩土工程勘察中的应用之二是不同初始卸荷水平下红砂岩波速变化及能量耗散规律的有效应用。利用RockTop多场耦合试验仪和JSR-DPR300超声测试系统，在同一围压条件下，开展三轴加载路径、应力差恒定卸围压与应力差增大卸围压两种卸荷路径、70%、80%、90%三个初始卸荷水平下的红砂岩应力-应变过程中的纵、横波速测试试验。研究结果表明：围压加载过程中，纵、横波速均随围压的增大而增大，呈幂函数关系；孔隙度、密度随着围压的升高，对围压的敏感性降低，变化幅度减小，岩石内部不同类型的孔隙其闭合的应力阈值不同，波速受控于岩石的密实程度与岩石骨架性质。围压卸荷过程中，在不同卸荷路径下，随着初始卸荷水平的增大，极限应变增大，统一围压降参数均呈线性降低，应变围压增量比呈幂函数增大，环向变形对围压变形更为敏感，相较于卸荷路径的影响，初始卸荷水平对岩石卸荷变形过程具有控制作用；不同初始卸荷水平下，纵、横波速随轴向应变的变化曲线同应力-应变曲线基本对应，反应了岩样不同的劣化水平，纵、横波速各自整体上的增长衰减趋势具有一致性，卸荷路径对波速的影响较弱，在加载和卸荷两个区间内存在明显的阶段性特征，波速在卸荷起始点迎来大幅度偏转，纵波以此分为增长阶段和衰减阶段，横波分为稳定阶段和衰减阶段，纵波对轴向压力更为敏感，震荡性强烈。围压卸荷伊始，岩石由压缩迅速转为扩容或扩容加剧，应变能密度在卸荷起始点及应力跌落点迎来一次、二次偏转，后者偏转幅度远小于前者；应力差恒定卸围压过程中，弹性应变能近似稳定，其增长趋势和轴向应力-应变曲线是一致的，即轴向应力做功是其主要能量补充方式；能量的耗散集中在卸荷区间内，卸荷前期稳定增长，卸荷后期急速增长，弹性能的释放集中在应力跌落点之后，是岩石失稳破坏的内在动力。三轴加载过程决定了岩样的整体破坏形态，围压卸荷作用突出的扩容特性将导致岩样产生更多的纵向裂纹，导致岩石破坏形态多样化。
2.3含气体突出煤岩纵波波速与应力耦合
波速测试技术在岩土工程勘察中的应用之三是含气体突出煤岩纵波波速与应力耦合。为了实现矿井安全生产以及连续动态监控，许多新的煤与瓦斯突出监测技术被提了出来，如：声发射监测技术、电磁辐射监测技术和无线电波透视监测技术。近年来，震动波CT技术也作为一种新的地球物理方法被应用于矿山工程与地质诊断。该技术通过分析微震台和矿震站间的弹性波射线，从而对勘探区域进行波速反演，进而评价区域应力场分布，实现工作面超前应力探测。在煤与瓦斯突出及地下动力灾害中，岩体纵波波速和各地应力之间往往存在着一系列的关系根据对地下煤岩破碎区域的纵波波速的监测，发现了大型的掘进和地震活动区域通常对应着高波速事件的分布，而低波速区域基本上没有掘进和地震事件的.
结语
总而言之，在岩土工程勘察中，剪切波速是重要的指标。波速检测技术的应用方式便捷，可分为表面波法、单孔法以及跨孔法三种，在实际勘察中，可根据工程项目实际情况选择适宜的测试方式。波速测试技术的应用方式简单，能够获取准确、完善的地质测试数据，进而为岩土工程设计提供可靠依据，同时还可指导后续施工，保证项目建设质量。
参考文献
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［2］吴学广.波速测试在岩土工程勘察中的应用［J］.建材与装饰，2018，98（35）：213-214.
［3］詹金锚.波速检测技术在岩土工程勘察中的应用探讨［J］.能源与环境，2018，149（4）：10-11.