5.5.4.1 巖體力學參數的測定

巖體的彈性模量、泊松比、抗壓強度等力學參數，對于工程圍巖穩定性的評價以及進行工程設計和施工等都是極其重要的基本數據，都可通過聲波檢測來測定。

利用聲波儀測出發射與接收換能器之間距離為L時的直達波旅行時間t，可求出彈性波的速度v。在已知巖石密度ρ的條件下，根據其函數關系，可換算出巖體的各種力學參數。

試驗證明，在室內進行巖石標本測試時，要求發射到巖石內的聲波，其波長λ遠小于巖石試件的尺寸，而大于巖樣的組成粒徑。試件橫向(垂直于波傳播方向)的尺寸，不小于波長的10倍，試件中脈沖穿過巖石的旅行距離至少為平均粒徑的10倍。若以邊長d=5cm的正方體為例，當巖樣中的波速v=3000m/s時，所要求的最低工作頻率f=v/λ=V/0.1d=600Hz。進行巖樣聲波測試時，只有使用高頻的超聲波儀器，才能忽略巖樣邊界對聲波的影響。

對于同一巖體(巖石)，彈模數值與巖性有關，還與加載的方式有關。用靜力測試的方法稱為靜力法，測得的彈模稱為靜彈模量，以Es表示。在快速瞬間加載情況下的測試方法，稱為動力法，測得的彈模稱為動彈模量，以Ed表示。Es和Ed是在不同物理條件下測出的，一般Ed>Es。有些單位給出了它們的經驗的關系曲線，即Es=0.1E1.45d(長辦)或Es=0.025E1.7d(中國科學院地質所)。

動力法和靜力法測試各有優缺點。靜力法測得的Es值與基礎荷載條件相近，只能選擇有代表性的少數典型地段進行測試。由于靜力法在一個測點上應力影響的范圍有限，少數地段的測試，只能反映巖體局部的變形特點，因而不能滿足工程設計的數量要求。動力法測試采用最新的電子技術，具有設備輕巧，測試簡便，經濟迅速，可大量施測等優點，而且近代許多工程建筑還要考慮動力的特點，因此聲波(或地震勘探)測出的動彈模量具有實用價值。但是目前工程設計人員一般還是要求給出與基礎荷載條件相近的靜彈模量值，因此往往要把聲波或地震勘探測得的動彈模量換算成靜彈模量。

5.5.4.2巖體的特征參數

聲波檢測能作為巖體分類主要手段是由于巖體的成因、類型、結構面特征、風化程度等地質因素，與巖體的力學性質有關，巖體的力學性質與聲波在巖體中的傳播規律有著密切的聯系。

環境與工程地質中，我們用縱波速度vP、彈性模量E、裂隙系數Ls、完整性系數Kw、風化系數β及衰減系數α等來描述巖體的特征參數。

(1)縱波速度vP

一般說來，巖體新鮮、完整、堅硬、致密，波速就高;反之，巖體破碎、結構面多、風化嚴重，波速就低。由于波速是反映巖體強度的各種地質因素綜合影響的參數，因此它是巖體特征最基本的參數。

(2)完整性系數Kw和裂隙系數Ls

完整性系數Kw是描述巖體完整情況的系數。裂隙系數Ls是表征巖體裂隙發育程度的系數。通常用式(5.11)表示:

環境與工程地球物理

式中:vP體為巖體的縱波速度;vP石為同一巖體的巖石試件的縱波速度。

測出完整巖石的vP石和待測巖體的vP體值，可以計算出出完整性系數和裂隙系數，定量說明巖體結構面的發育情況。一般把巖體完整性情況分為三個等級:①Kw=0.75～0.9;②Kw=0.45～0.75;③Kw<0.45。把裂隙發育情況分為五個等級(表5.2):①Ls<0.25;②Ls=0.25～0.50;③Ls=0.50～0.65;④Ls=0.65～0.80;⑤Ls>0.80。根據上述縱波速度與巖體結構面和完整性的關系可知，Kw大或Ls小表明被測巖體結構面少、完整性好;反之，則結構面多、完整性差。

表5.2基于特性參數的巖體狀態分級

(3)風化系數β

風化系數β是一個表示巖體風化程度的系數。β值愈大，風化程度愈高;β值愈小風化程度愈低。根據巖體波速隨巖體風化而減小的特點，風化系數可用式(5.12)表示:

環境與工程地球物理

式中:vP新為新鮮巖體的縱波速度;vP風為同類風化巖體的縱波速度。

根據風化系數β，巖體可分為四級，見表5.3。

表5.3巖體分化程度分級

(4)衰減系數α

聲波在巖體中傳播的特征，其波速、振幅隨巖體性質不同而發生變化。試驗證明，聲波在不連續面上的能量衰減比較明顯，因此衰減系數α可以反映巖體節理裂隙發育的程度。其表示式為

環境與工程地球物理

式中:Ai為固定某增益時，參與比較的各測試段的振幅實測值，以mm為單位;Am為參與比較的各測試段中振幅的最大值，以mm為單位;Δx為發射換能器到接收換能器的距離，即測試段的長度，以cm為單位;α為參與比較的各測試段介質的振幅相對衰減系數，以cm－1為單位。

由式(5.7)可見，當Ai=Am時，相對衰減系數α為零，表明該段巖體在參與比較的各測試段中質量最好;Ai越小，α就越大，表明該段巖體質量越差。根據這一原理，衰減系數可用于巖體分類的指標，也可用于測定工程爆破引起的周圍巖體破裂影響范圍等方面。

根據工程地質調查和試驗，將上述參數進行綜合分析，可對巖體進行總體分類評價(表5.4)。

表5.4彈性波參數與巖體類型特征

5.5.4.3 圍巖應力松弛帶的測定

在硐壁應力下降區，巖體裂隙破碎，以致波速減小，振幅衰減較快。反之，在應力增高區，應力集中，波速增大，振幅衰減較慢。因此利用聲波速度隨孔深的變化曲線，可以確定松弛帶的范圍。

<聲波分析p>現場工作是在垂直于硐壁布置若干組測孔，每組1或2個測孔，孔深為硐徑的1～2倍。在一個斷面上測孔應盡可能選擇在地質條件相同的方位，以減少資料解釋的困難。為保證換能器與巖體耦合良好，邊墻測孔可向下傾斜5°～10°。拱頂處因鉆孔向上，應采用止水設備。測試時可采用單孔法(一發兩收的初至折射波法)或雙孔法(直透法，逐點同步測試)。先在測孔中注滿水作為耦合劑，然后從孔底到孔口每隔一段距離(一般為20cm)測量一次聲速值。將測試結果繪成波速隨孔深變化的vP－L曲線，便可進行解釋。

圖5.33是單孔測試方法和幾種常見的vP－L曲線類型。其中vP>v0曲線(曲線1，2)，表明無松弛帶;硐壁附近vP<v0的曲線(曲線3，4)和vP<v0的多峰值曲線(曲線5)，則表明存在應力松弛帶。解阻抗管吸聲系數釋時，由vP－L曲線圖中點的坐標L1值確定松弛帶的厚度。

圖5.33測試布置及常用的vP－L曲線圖