楊勤海
（中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051）
摘要對三峽庫區的松散地質體灌漿加固試驗進行聲波測試，即可獲得松散巖體的主要地球物理動力學參數，為庫區移民安置區的地基處理與合理開發提供科學依據，又可定量、全面評價三峽庫區的松散巖體的穩定性。本文結合以往的聲波測試成果，運用聲波測試技術和方法，論述聲波測試方法在研究庫區測試松散工程體灌漿加固的效果。
關鍵詞三峽庫區 松散地質體 聲波測試
1 前言
在長江三峽庫區移民安置中，奉節、巫山等不少城鎮新址都遇到對復雜成因的第四系松散堆積層組成的滑坡、崩塌、巖溶等地質災害體土地資源的開發利用問題。這些地帶基本上是縣城新址就地後靠的主要部位，由於其成因復雜，工程地質條件特殊，在縣城遷建規劃中未能充分加以利用，嚴重地妨礙了城市的建設和發展。第四系松散堆積體的地質成因雖然復雜、特殊，但是作為建築地基，其工程地質條件並不很差，只要能進行充分論證，輔以必要的地質體改造工程，就可以為遷建城市所用，可增加遷建城鎮的土地資源，產生巨大的經濟效益和社會效益。近年來，對於這類復雜成因的第四系堆積體的研究成為工程地質界關註的焦點。本文介紹了聲波測試技術及其在三峽庫區工程地質體灌漿加固試驗研究情況，結合以往在庫區開展的壹些有關巖土彈性參數與力學性質的關系方面的試驗和研究工作，通過聲波測試結果給出了工程地質體的力學指標，在壹定程度上能夠反映試驗場地的動力學性質，可以定量、全面評價加固效果。
2 試驗場地地質條件與地球物理特性
2.1 試驗場地地質條件
試驗場地選擇在移民遷建急需且地質條件典型的地方，即奉節寶塔坪規劃小區的趙家梁子壹帶和巫山二道溝四大家壹帶。因位置不同，試驗場地的地質條件差別較大，反映了松散堆積體結構的不同性。各試驗場地的巖性特征簡述如下：
奉節第壹組上部3m左右為第四系坡積含碎塊石亞粘土，密實。下部為深灰色薄—中厚層泥灰巖，裂隙發育，巖層破碎，巖芯呈短柱狀、餅狀及碎塊狀。
奉節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，後經開挖驗證：2m以上為坡積亞粘土含塊石，密實；2m以下為黃褐色—灰色泥灰巖。巖層裂隙發育，強風化，在6m以上段裂隙被泥質充填緊密，6m以下段充填物較少。
巫山第壹組上部13m以上段為綠灰色泥灰巖，中強風化，垂向裂隙發育，多被泥質充填，巖芯呈碎塊狀，鉆進過程中3～12m段易垮塌，壹般不漏水。13m以下為鈣質粉砂質泥巖，暗紫紅色，裂隙發育，巖芯仍較破碎。
按設計要求，每組試驗均由7個鉆孔組成，中間1孔，周邊6孔，呈梅花狀分布，其中3個為灌漿試驗孔，4個為測試觀測孔，奉節試驗點孔深為20m，巫山試驗點為18m。各孔漿液配比、灌漿量均不同。
2.2 試驗場地地球物理特性
根據以往在巴東黃土坡滑坡、萬州關塘口滑坡等地及實測資料，試驗場地完整巖體的聲波速度壹般在3000m/s以上。由於庫區大部分地質條件較差，基巖上部的地層破碎、裂隙發育、完整性差。聲波速度變化區間較大，多在700～2600m/s之間。聲波在巖體中傳播時，其參數的變化直接反映巖體的地質構造和物理力學性質。
聲波測試巖體（石）的彈性力學參數是在快速瞬間加載情況下完成的，稱為動力法。所測得的參數稱為動彈性參數，如動彈性模量Ed、動泊松比μd、動剪切模量Gd等。只要測得巖體的縱波速度、橫波速度，密度，則可根據下列工程式計算出巖體（石）的動彈性參數。
動彈性模量計算公式：
地質災害調查與監測技術方法論文集
動剪切模量計算公式：
地質災害調查與監測技術方法論文集
動泊松比計算公式：
地質災害調查與監測技術方法論文集
式中：Vp——縱波速度（km/s）;
Vs——橫波速度（km/s）；
ρ——巖石密度（g/cm）;
Ed——動彈性模量；
Gd——動剪切模量；
μd——動泊松比。
因此諸如縱波速度、橫波速度、振幅、頻率等參數，可作為評價工程巖體的定量依據，並可校驗工程地質體灌漿加固的效果。聲波測試主要是為了評價灌漿質量，而灌漿質量主要依據聲波速度進行評價，根據聲波測試獲得的波速資料，結合地質資料，可準確定量評價灌漿效果，從而為試驗場地的穩定性評價提供科學依據。
3 測試方法及技術
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、經濟，聲波測試技術是滿足上述條件的首選方法。經過反復比較研究，松散堆積體灌漿加固試驗檢測方法主要選擇巖心測試、單孔聲波測試及跨孔聲波測試方法。
傳播於固體中的聲波是機械波。由於其作用力的量級所引起的變形在線性範圍，符合虎克定律，也可稱其為彈性波。聲波測試與淺層地震、面波勘探同屬彈性波測試技術範疇。聲波測試所使用的波動頻率從幾十 Hz到50kHz（現場原位測試）和50kHz到500kHz（巖石及混凝土樣品測試），覆蓋了聲頻到超聲頻，在檢測聲學學科領域中仍稱其為“聲波測試”。由於采用的信號頻率要高於地震波和面波的頻率，因此有較高的分辨率，適用於對巖體等地質目標進行較細致的研究。測試動力學參數具有設備輕巧、測試簡便、經濟迅速等優點，而且許多大型工程都要考慮巖土的動力學特征，因此測量巖體的動彈性參數具有實際意義。
3.1 巖心試件測試
先將所選柱狀巖心切齊、磨平做好測試準備，後用縱波換能器、凡士林和巖心耦合進行縱波波速測試；用橫波換能器、錫鉑紙與巖芯耦合進行橫波波速測試。
采用的儀器為CYC-4型超聲巖石測試儀，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動力學參數實測資料。
表1 巖心測試成果表
3.2 單孔聲波測試
單孔聲波測試是采用長源距壹發雙收探管，發射—接收間距50cm，接收—接收間距30cm。在鉆孔（賦存井液的裸孔）內沿井壁發射、接收聲波信息，測井時將探管下至井底，按測井點距（本次測試選用0.5m點距）向上測試，由筆記本計算機完成采集與存儲，室內通過回放和資料處理拾取縱波，在采集波形中根據波形幹涉點、幅度、頻譜分析確定縱波初至走時，計算縱波波速。
測試使用的儀器為SSJ-4D全波列聲波測井儀，井下探頭：源距0.5m，間距0.3m，直徑78mm；電纜長度300m。表2列出了此次試驗場地灌漿加固試驗中的不同期單孔波速實測資料。
表2 奉節、巫山單孔波速表
3.3 跨孔聲波測試
跨孔聲波測試法采用的是同步提升法：在其中壹個鉆孔（裸孔）內激發，另壹個鉆孔（裸孔）內接收，由孔底起始同步上升至上部，按測試要求點距向上測試，在壹鉆孔內由電火花（或剪切錘）發射信號、另壹鉆孔內由換能器接收聲波信息，由儀器完成采集與存儲，室內通過回放和資料處理拾取波形，在采集波形中根據波形幹涉點、幅度、頻譜分析確定縱波或橫波初至走時，計算波速。
儀器采用SWS-1型多功能儀（北京水電物探研究所研制），測試激發源壹般采用電火花（湘潭市無線電廠生產）或剪切錘兩種激振方法。貼壁式三份量檢波器接收。表3列出了此次試驗場地灌漿加固試驗中的不同期跨孔波速實測資料。
表3 奉節、巫山跨孔波速表
4 試驗場地力學參數及方法分析
4.1 力學參數明顯提高
通過采用聲波測井方法對灌漿效果的檢測，工程地質體改性加固灌漿後力學參數明顯提高。
（1）聲波參數
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），縱波速度810m/s～1100m/s。
②灌漿後：
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），單孔波速平均提高14.6%，跨孔波速平均提高65%。
（2）場地力學參數
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.裂隙基巖松動巖體（奉節），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灌漿後：
a.含粘土松散巖土體（巫山），地基承載力[R]=636(kPa），凝聚力[c]=181(kPa），壓縮量[Es]=10.3(MPa），摩擦角[φ]=41（°）。
b.裂隙基巖松動巖體（奉節），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，這是因為巖心試件、單孔聲波、跨孔聲波3種方法的測試結果之間具有可對比性，每種方法所呈現的波速變化與巖石、巖質之間的關系是互相對應的，趨勢是壹致的。只是由於測試方法的不同，其結果亦表現出不同的特點。
巖心試件的測試壹般是在規定尺寸上進行的。相對而言可以視為巖體壹個點上的測試，測試頻率範圍為超高頻率；單孔聲波測試的間距是30cm，其所測的只是井壁圓柱體壹個波長附近有限範圍內的巖體聲學特性，相對而言可以視為壹段壹維桿狀巖體的測試，頻率範圍為高頻；跨孔法在小孔距的範圍內進行，與上述兩種方法比較，測量範圍要大的多，在較大的範圍中，彈性波傳播不但受巖質的制約，而且更重要的是受巖體結構面的控制。也可以視為二維平板狀巖體上的測試，頻率範圍相對為低頻。由於上述的差別，表現在波速參數上的關系是巖心試件測得的聲速大於單孔聲速，而單孔聲速又大於跨孔聲速（V巖芯＞V單孔＞V跨孔）。以上是符合客觀規律的。巖心測試反映的是巖體點上的聲學特性，單孔反映局部巖體的縱向聲學特性，而跨孔卻代表巖體的橫向變化。
5 結論與討論
采用聲波測試技術對三峽庫區松散堆積體灌漿加固試驗進行測試，取得了良好的效果，奉節、巫山兩地的灌漿加固試驗結果表明上述方法是可行的、有效的；聲波測試不僅具有快速、簡便、準確的特點之外，還是壹種無損的測試方法，能夠從整體上、全方位地評價灌漿質量。
應當指出，由於動力法是在瞬間加載情況下進行測試的，且對巖體施加的應力較小，因此，動、靜彈性參數間存在壹定的差異。為了滿足當前工程技術界仍需將動彈性參數換算成荷載條件相近的靜彈性參數的要求，有必要進壹步研究二者之間的關系。但這個問題比較復雜，壹般其對應關系因不同巖性和不同地區而異。實際工作中，往往要進行壹定數量的動靜彈性參數的對比測試，才能找出其中的對應規律。
參考文獻
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