工程岩体横波频率及振幅的衰减特性

2010-04-05丁梧秀王鸿毅

河南科技大学学报(自然科学版) 2010年1期

丁梧秀,王鸿毅

(洛阳理工学院土木工程系,河南洛阳 471023)

0 前言

岩体通常是非均质的和不连续的集合体,不同岩性具有不同的物理力学性质。由于岩体弹性波波速与岩体的性质和状态之间存在着依赖关系,因此可以利用岩体弹性波波速进行岩体结构分类、岩体质量评价、岩体风化带划分,以及进行岩体破裂程度、裂隙度、含水量和应力状态评价等[1-9],岩体弹性波的运动学参数——波速也已经成为评价岩体质量的可行性方法之一[8-10]。上述成果主要从弹性波传播的运动学范畴出发,对弹性波波速在岩体工程中的应用进行了研究。

近年来随着工程规模的不断扩大,如举世瞩目的“三峡工程”、“南水北调”水利工程、“西气东输工程”等,以及核废料地下处置、地下能源储存、地热开发、石油、天然气的开采等,对岩体的应用、开发范围不断深入,但是在弹性波的应用方面,岩石力学的发展却滞后于工程应用。如已有试验结果表明,波的动力学特征如波的衰减的变化量对岩体结构、岩体质量的反映比波速的变化更加灵敏,相同的岩块在相同的加载下波的衰减的变化量大于波速的变化量[1-2],但是由于对波的衰减理论研究的相对不足,对波的衰减的应用远不如波速的应用广泛,在国家颁发的有关规范中亦没有得到应用。因此,论文结合现场试验结果,对岩体弹性波的动力学特征如频率及振幅衰减特性与工程岩体质量之间的关系进行了研究,研究方法及结果对于合理评价工程岩体具有实际工程意义和指导作用。

本文针对不同质量工程岩体弹性横波的传播特点,对岩体的横波频率及振幅衰减特性进行研究,分析横波波速与其频率及振幅衰减特性之间的变化规律,尝试给出利用横波频率和衰减系数进行岩体质量评价及分级的建议值。

1 现场试验结果

试验资料均为黄河上游水电工程坝基岩体的弹性波试验结果,包括岩体纵波速度 VP、横波速度 VS、横波频率 fS、横波衰减系数 a0等参数,共 28个测段,具体如表1所示。试验点分别位于黄河上游李家峡坝基岩体、小观音坝基岩体和大柳树坝基岩体,三坝址岩性均为变质岩,其中大柳树坝基岩体为受地震破坏的松动岩体[11]。由表1可知:大柳树岩体大部分测段纵波速度小于 3 000m/s,仅个别测段大于3 000 m/s,且无大于 4 000m/s的测段,仅以结构特征划分,大柳树坝基岩体应属于碎裂结构。李家峡、小观音两坝址岩体少量为强、弱风化,大多为微风化或新鲜岩体。

表1 黄河上游三个坝址岩体弹性波试验结果

2 横波频率fS与速度VS的关系

横波频率 fS指岩体自身的横波主振频率,它与震源条件即击发环境、击发方式无关。这是因为任何一种激振方式振动初起都有很大的频率范围,即高、中、低各种频率均有,所以起振开始阶段,振动图不规整,波运行一段后高频成分因为能量损失快而消失,较低频率成分存在而继续向前传播,稳定后的频率是反映岩体性质的主振频率,表1中的频率值即是其主振频率。由表1可得图1所示的 VS-fS关系图。从表1及图1可以看出,研究区内岩体的VS值最大为3 000 m/s,相应地 fS值为 900 Hz;当VS大于 2 000 m/s即岩体质量较好时频率对速度的响应非常敏感,速度增加时频率随之增大,近于直线关系。VS小于2 000 m/s即岩体质量差时,fS值降低到仅200 Hz左右,此时fS值基本不随VS的变化而变化,稳定在200 Hz左右,图1中的散点图呈水平状。

从上述结果还可以看出,当波速相差 1.5倍时,频率却相差 4.5倍,说明频率对岩体质量的反应更明显。

3 横波振幅衰减规律分析

岩体为粘弹性介质,弹性波的振动为非简谐振荡,即以振动形式向前传播的弹性波能量将被逐步吸收而振幅逐步减小。实践证明,振幅的变化规律与岩体质量有密切的关系,通常用衰减系数 a0来表示振幅的变化。衰减系数计算公式:

式中:A1为波运行某一时刻振幅,mm;A2为波由A1运行△x距离时的振幅,mm;A1和A2可以由振动图直接量取。△x为波由振幅A1到A2时传播的距离,显然:△x=Vs(tA2-tA1),mm;a0单位为mm-1。

根据式(1)计算表1各测段不同风化程度岩体的衰减系数如表1所示。由表1可得图2所示的VS-a0关系图。由表1和图2可知:岩体横波速度 VS小于2 000m/s即岩体质量差时,波的振幅衰减很快波能量消耗很大,即 a0值较大,大于 0.05 mm-1。大柳树岩体为地震破坏的松动岩体,横波速度大多小于2 000m/s,a0值基本为0.1左右;当VS大于2 000m/s即岩体质量较好时,a0值突降变小;当VS大于2 500 m/s时,a0值小于等于0.02,最后基本稳定在0.01左右。