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节理走向角度对弹性纵波波速衰减的影响研究

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陈超

摘要：针对弹性波穿过节理时的衰减现象，研究节理走向角度对弹性纵波波速衰减的影响。充分考虑岩体自身的各向异性，设计更合理的试验方案来探究波速的衰减规律。结果表明，岩体的各向异性会导致纵波波速也存在各向异性，不同岩性下波速差异值有所不同，在探究节理走向角度对波速衰减的影响时应考虑此因素;当充分考虑到这一影响时，不论节理走向角度如何，其存在均对弹性纵波波速有着一定的衰减作用，且波速随节理走向角度的增大而线性递减。

Abstract： In view of the attenuation phenomenon of elastic wave traveling through the rock joints， the influence of joint angles on the attenuation of elastic P-wave velocity was discussed. On the premise of fully considering and eliminating the influence of the anisotropy of rock mass on the existence of wave velocity， a more reasonable experiment is designed to analyze the attenuateon law of wave velocity. The results show： The anisotropy of rock mass leads to the anisotropy of elastic P-wave velocity， and the difference value of wave velocity under different lithologies is different. This factor should be considered when studying the influence of joint angles of strike on wave velocity attenuation. When the influence of anisotropy of rock mass on wave velocity is fully considered， its existence has a certain attenuation effect on the elastic P-wave velocity regardless of joint angles， and the wave velocity will decrease linearly with the increase of joint angles.

关键词：弹性纵波;节理岩体;节理走向角度;各向异性

Key words： elastic P-wave;jointed rock mass;joint angles of strike;anisotropic

中图分类号：TU452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）04-0195-03

0? 引言

节理广泛存在于自然岩体中，对岩体自身强度和动态力学特性有着重要的影响[1]。当弹性波传播至节理面时，会发生反射、透射等波动现象而导致能量的衰减，进一步影响其传播速度。另一方面，节理的波动问题涉及到超声波波速测试、工程爆破扰动、测震及仿震等众多岩土工程[2]，在这样一个地震频发以及人们大量利用弹性波测试技术的背景下，探究节理特性对弹性波传播衰减的影响已成为了国内外学者广为关注的重点课题。

Cengiz Kurtulus等[3]通过制作含一组平行节理和含一组不同方向节理的两个长方体试块并对其进行超声波试验，研究表明：含不同方向节理组的试块对超声波波速有着更大的的衰减作用;Luis Miranda等[4]用堆叠的花岗岩砌体充当岩体和节理进行了声波测试，研究了不同节理数量、节理几何粗糙情况对弹性波波速的影响;Xiao lin Huang等[5]通过试验研究了多个平行节理存在情况下超声波穿过岩体时，透射率与正应力、节理粗糙度、节理数和频率之间的关系;韩嵩和蔡美峰[6]以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，制备出岩体物理模型并进行了超声波波速测试，探究了岩体层理的走向对超声波波速的影响。Cha Minsu[7]针对波的大小、节理间距以及節理是否闭合对剪切波的传播影响进行了试验研究;赵安平等[8]通过将两条花岗岩进行拼接从而组成试件的方式，探讨了节理特性对应力波传播衰减的影响;Resmi Sebastian和T.G. Sitharam[9]通过制作砂岩圆柱试样，并对其进行弹性波测试，结合3DEC数值模拟结果，探究了节理条数对弹性纵波和横波波速衰减的影响。

从上述研究现状中可以看出，目前针对各节理特性对弹性波波速的影响研究，探究节理条数、节理间距、节理表面粗糙度、节理充填介质的性质等节理特性对波速传播衰减影响的研究较多，而针对不同节理走向角度对波速影响的研究较少，并且还未充分考虑和消除岩体各向异性对波速存在影响的这一因素，使得数据结果出现较大的离散性。一般来说，即使是取自同一块岩石的试件，岩体的波速也存在一定的差异，这种差异的大小与岩性有关，如果不能有效的考虑这种差异，再加上试验中仪器和操作带来的误差，会对测试结果造成较大的影响。当前已有研究人员[10-11]对这一方面进行了试验研究，通过制备砂岩试件并进行了不同节理倾角下的波速测试，多采用波速分布统计的方法探究了节理倾角对波速衰减的影响，但波速的衰减程度并不明显，也不能完全排除存在其他误差的可能性。因此，本文以结构更加致密的花岗岩作为试验对象，设计更合理的试验方案，在充分考虑岩体各向异性对波速影响的前提下探究了节理走向角度对波传播衰减的影响。研究成果可以对波在节理的岩体中的衰减特性以及当前弹性波测试技术在工程上的运用有着一定的参考意义。

1? 弹性纵波在节理岩体中传播的波速理论

2? 节理走向角度对弹性纵波波速衰减影响的试验研究

2.1 试件的选择和制备

本文对完整岩体试件和节理岩体试件的选择和制备分为三个步骤：

①选取同一产地的结构面致密且晶粒纯度较高的花岗岩作为研究对象，可以初步避免试样内部存在裂隙对试验结果造成影响。

②制作5个尺寸为？准300mm×50mm圆柱试件模型。随机确定各试样中节理的位置，用标记笔标出，然后根据标记好的节理位置确定不同角度波速测试时发接收探头的位置，探头与试件中心点位于同一直线上，且节理水平向之间的夹角α（代表走向角度）依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。最后对各试件进行各个角度的波速试验，从中选择1个各角度下波速差异较小的试件。

③切割完整试件并利用石膏对其进行粘接，制成节理岩体试件，节理厚度为试件切割所损失的厚度，约为1mm，完整岩体试件与节理试件如图1所示。

试件制作完成之后，对不平整的地方进行细心打磨，以保证各端面的平行度及平整度，提高试件的规范程度以及波速测试时发接收探头的易操作性，确保试验结果更加准确。完整岩体及石膏节理的基本力学参数以及纵波波速值如表1所示。

2.2 波速试验方案

本次试验采用的是由康科瑞公司生产的NM-4B非金属超声检测分析仪（如图2），该智能化仪器应用了超声脉冲检测技术，可以对混凝土、岩石陶瓷、石墨、塑料等非金属材料和构件进行无损检测。它集超声波发射、单通道同步接收、数字信号高速采集、声参量自动检测、数据分析处理、结果实时显示、数据存储与输出等功能于一身。可用于波速检测、强度检测、结构内部缺陷和裂缝检测、匀质性、损伤层厚度检测及材料力学、物理性能检测等。本次试验则是利用其超声法波速试验模块对试件进行测试。

测试时，不同角度波速测试时发接收探头的位置与试件的关系如图3所示。对于波速的测试，采用500V的发射电压，0.4μs的采样周期，为消除测试过程中仪器及发、收换能器系统产生的声延时，每次测试开始前或更换测试导线及换能器后都应进行调零操作（零声时的设置）。为避免发接收探头与试件之间的微小裂隙给试验结果带来误差，在探头与岩石接触处涂抹适量的凡士林作为耦合剂，减小接触面之间的声阻抗差和能量在该界面的反射损失，提高试验结果的精确度。最后，由仪器测试系统记录时间，然后根据式（4）计算出平均波速。

3? 试验结果及分析

3.1 完整岩体试件波速分布规律

完整试件在不同测试角度下超声波波速分布如图4所示，由于重复测试时众多波速值存在着一致的现象，所以波速分布图上数据点发生了重叠。由图4可知，不同测试角度下，超声波波速存在着一定的各向异性，但普遍分布在4685-4825m/s之间，波速差异较小且属于花岗岩纵波经验波速范围3000-5000m/s[13]之内。此外，也与弹性纵波在岩体中传播的波速计算公式（3）计算出的理论波速值4555m/s结果相近。说明对此花岗岩岩样的选择满足试验要求，也进一步消除了波速的各向异性对实验结果造成的影响。

3.2 节理岩体试件波速分布规律

不同节理走向角度下的超声波波速分布如图5所示。由图5可知，完整花岗岩试件的波速各向异性相对于节理走向角度对波速的影响几乎可以忽略不计，也进一步说明了对花岗岩试件的选择很大程度消除了试件在各角度下测试的波速差异。当节理存在时，不论其走向角度如何，对波速均有着一定的衰减作用。随着岩体节理走向角度的增大，波速值大致呈现线性减小的趋势。当节理走向角度为90°时，波速衰减幅度最大，当节理走向角度为0°时，此时波速值介于石膏节理波速与完整花岗岩试件波速范围之间，此结果与前人的试验结果以及提出的：在沉积岩中，平行层理的波速大于垂直层理的波速，在层理不明显或结晶岩体中，沿节理裂隙方向的波速大于垂直节理裂隙方向的结论一致[14]。

4? 结论

①岩体的各向异性会导致纵波波速也存在各向异性，不同岩性下波速差异值有所不同，在探究节理走向角度对波速衰减的影响时应考虑此因素;

②在充分考虑岩体各向异性对波速的影响前提下，不论节理走向角度如何，其存在均对弹性纵波波速有着一定的衰减作用;

③弹性纵波波速随着节理走向角度的增大而线性递减，与前人提出的结论相吻合。

参考文献：

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[2]茹忠亮，蒋宇静.弹性纵波入射粗糙节理面透射性能研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（12）：2535-2539.

[3]Cengiz Kurtulus， Maral ？譈ckardes， Umut Sari， et al. Experimental studies in wave propagateon across a jointed rock mass[J].Bulletin of Engineering Geology and the EnvironMent，2012，71（2）：231-234.

[4]Luis Miranda，et al .Applications of Sonic Tests to Masonry Elements：Influence of Joints on the Propaga-tion Velocity of Elastic Waves [J].Journal of materials in civil engineering，2013，25（6）：667-682.

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[14]周思孟.复杂岩体若干岩石力学问题[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

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