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波動理論在巖土工程中的應用

1巖土體聲波測試

聲波測試技術具有測試快速、分辨率高、完全無損等優(yōu)點，因此自引入巖土工程中以來，得到了廣泛的應用。

1．1巖體彈性參數測試及性能評價

根據波速和彈性參數的關系，可通過波速測試確定巖土體的動彈性參數式中:Ed，μd為巖土體動彈性模量和動泊松比;Vp，Vs分別為巖土體的縱、橫波速;ρ為巖土體的密度。由于式(5)只適用于各向同性的巖土體介質，對于各向異性介質，如裂隙巖體，可將其視為正交各向異性或橫觀各向同性介質，利用主軸方向上的波速與彈性參數的關系進行彈性參數的聲波測試。一般而言，巖體中波速傳播速度越快，表面巖體越致密、堅硬、完整、分化程度低，反之波速越低，表明巖體越疏松、軟弱、破碎，結構發(fā)育、風化嚴重、因此，可根據巖體聲波測試進行巖體結構分類。

20世紀20年代，日本在對巖體的調查、評價和分類中，引入了聲波測試技術;大約同時，前蘇聯提出了波阻抗的概念，并將其作為巖石爆破性的分級指標，到20世紀70年代又把波阻抗和巖石的裂隙性相結合補充了巖石爆破性分級表;20世紀70年代以來，我國水電和國外水電、土木工程界的有關人員較為普遍的選用縱波速度進行巖體分類。當前，我國工程巖體分級標準中規(guī)定可依據巖體和巖石的縱波波速提出的巖體完整性指數進行巖體。

大量的學者通過巖土體波速測試，對隧道、邊坡、大壩，樁基等各種地下工程地基巖石的力學性能進行研究。如邵明申，等通過不同含水狀態(tài)下砂巖的力學性能和彈性波測試，研究了水環(huán)境變化對龍門石窟分化破壞的影響;侯順利，等通過壩基巖體進行聲波測試，檢測了巖體的完整性，評價了爆破施工對壩基質量的影響。Nogami，等、Mylonakis，等、Militano，等基于彈性波理論研究了樁在單相土介質中的縱向振動問題，獲得良好的效果;Makris通過均質板空間中的瑞利波作用研究了樁與土的相互作用。

1．2圍巖松動圈的確定

在巖體開挖過程中，開挖過程擾動了圍巖初始應力狀態(tài)，巖體表明應力釋放，從而在巖體表面附近出現了一個由松弛向集中過度的層狀分布地帶，在工程中稱為松動圈或松散層。松動圈的厚度直接影響巖體的穩(wěn)定性，必須對其作定量的測定。由于波速測試操作簡單，測試效果良好，因此許多學者通過聲波波速的測試來確定圍巖的松動圈或松散層，從而為圍巖的穩(wěn)定性和支護設計提供依據。如龔建伍，等結合大斷面小凈距鶴上隧道，采用聲波法和多點位移計法對隧道圍巖松動圈進行了測試分析，獲得了整個隧道斷面松動圈的分布，并基于測試結果，驗證了該隧道錨桿設計支護參數的合理性，從而為圍巖松動圈支護參數的確定提供了依據和指導。陳慶法，等從層狀巖體的力學特性、聲波在層狀巖體中的傳播規(guī)律、圍巖塑性區(qū)和剪裂區(qū)的分布特征3個方面，對緩傾薄層弱結構松動圈聲波測試測孔布置的理論依據進行研究，提出聲波測孔布置3項基本原則。并基于測孔布置的理論和原則，在工程中合理設計了聲波測孔布置方式。

1．3巖體注漿加固質量的評價

為提高巖體的彈性模量，降低滲透率，提高隔水性能及巖體的完整性和穩(wěn)定性，常對工程巖體進行灌漿、充填等加固處理，為了解加固處理的效果，可以通過聲波測試技術灌漿工程等的加固效果進行評價。如雷宛，等利用聲波CT成像法對灌漿質量進行檢測，并將檢測結果和聲波單孔、跨孔測試結果進行對比，結果表明聲波CT成像測試結合其它測試方法對灌漿效果進行評價，結果準備、可靠。

2工程材料及結構物的無損檢測

隨著我國基礎建設的快速發(fā)展，道路，水利工程，港口碼頭等結構物的大力興建，以波動理論為基礎的彈性波技術，超聲波技術以及地震波技術在結構物中進行無損檢測也越來越普遍，且技術也在不斷完善。尤其在混凝土工程中，超聲波檢測是最主要的無損檢測方法之一，在國外始于20世紀40年代末，我國于20世紀50年代中后期逐步開展這項技術的研究與應用。

到20世紀80年代中期，我國開始了彈性波反射法基樁完整性檢測的研究開發(fā)與應用，大約晚于國外20年，首創(chuàng)了反射法應用于混凝土構筑物檢測技術;20世紀90年代初，開始應用于隧道襯砌厚度的檢測;到了20世紀末，各類混凝土構筑物的缺陷、強度檢測用的最多的檢測技術還是彈性波脈沖透射法。而隨著現代計算機技術的發(fā)展，超聲波CT層析成像技術在混凝土結構物健康診斷中應用越來越廣泛。如趙明階，等對重慶寸灘集裝箱碼頭樁基，利用超聲波CT成像技術確定了由于施工造成的基樁缺陷的尺寸和部位，為基樁質量評價提供了依據;V．P．Yakubov，等基于彈性波理論，利用無線電波層析成像技術對隱蔽結構物的安全性進行了檢測，獲得了良好的效果。DingZhifeng，等利用P波傳播速度的層析成像技術對圍繞北京的地下結構物進行了無損檢測。趙明階，等以波動散射理論以及面波全息成像原理為基礎，經過多年大量試驗的研究及理論分析已經建立了二維的波電場耦合成像診斷技術模型，并成功的運用于堤壩的隱患診斷與檢測，效果良好。

3地震勘探

地震勘探是利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態(tài)的地球物理勘探方法。地震勘探在煤田和工程地質勘查、區(qū)域地質研究和地殼研究等方面，也得到廣泛應用。而近年來隨著地震勘探測試技術的發(fā)展，地震勘探技術在地基加固處理效果評價，路基系統(tǒng)分析等巖土工程的很多領域東歐得到了大量的應用。

隨著人們發(fā)現瑞利波在層狀介質中具有頻散特性之后，瑞利波逐漸被作為有效波，并充分利用其頻散特性來研究各種地球物理問題。在水平分層狀況下，瑞利波具有多個模態(tài)，同一頻率，不同模態(tài)的相速度不同;同一模態(tài)，不同頻率下相速度是不同的，這就是波的頻散特性。頻散特性受介質分層數量及厚度、層剪切波速、泊松比等材料參數的影響，因此，瑞利波傳播特性包含剖面剛度信息。自1983年，Nazarian等提出表面波普分析方法以來，表面波測試技術及其分析方法得到了大量的研究。為了克服SASW方法中有效波難以從干擾波中分離和瑞利波頻散曲線計算精度較低的弱點，表面波多道分析方法逐漸被廣泛采用。于是，瑞利波勘探成為淺層地震勘探和工程質量無損檢測的重要手段之一。

我國學者不僅對瑞利波勘探理論做了大量的研究，而且已經將瑞利波勘探應用于路基勘察、大壩滲漏診斷等各方面。如繆林昌，等利用SASW方法研究了地基土性，并利用SASW法對高速公路煤矸石的壓實路基填筑的狀態(tài)進行評價。賈學明，等利用有限差分軟件FLAC3D對單層介質半無限大體和三維路基體的瑞利波傳播特性以及頻散曲線進行了數值模擬分析;趙明階，等通過推導土石復合介質的波動傳播模型，提出了土石復合路基壓實度的波動測試模型，并通過瑞利波測試，實現了土石復合路基壓實度的波動檢測。

波動理論在巖土工程中的其他應用

隨著專家學者對波動理論越來越深入的研究，以波動理論為基礎的彈性波等技術不僅僅只用于無損檢測，在巖土工程中其他方面的應用也在不斷探索中。近兩年來，李漢江，等將彈性波技術應用于公路土石方工程的勘察中，由于巖土體的性質是影響巖土體的彈性波速和開挖等級的決定因素，巖土體的彈性波速以及開挖等級又與巖土體的密實度、堅硬程度、孔隙度、完整程度和風化程度等密切相關，筆者正是利用這個原理來研究的，目前江西省交通設計院對“巖土體彈性波速與土石方開挖等級的相關性研究”課題進行了研究，已基本建立了一套用彈性波速來界定挖方段土石開挖等級的標準，為彈性波技術應用于土石方工程勘察提供了理論基礎和規(guī)范性實踐依據。李永剛，等將地震波CT技術應用到巖溶地區(qū)橋梁樁位勘察中，結果表明了地震波CT技術不僅能很好地反映溶洞發(fā)育程度及規(guī)律，而且能較全面地反映基巖起伏狀態(tài)及裂隙發(fā)育區(qū)。

席道瑛，等采用特定的分析儀，采取確定實驗參數，模擬地震波的傳播對飽和砂巖進行了單軸循環(huán)加載試驗，研究砂巖中波的能量衰減和虛模量隨溫度的變化規(guī)律，獲得了飽和巖石的楊氏模量和彈性波速度對溫度和頻率的動態(tài)效應，研究結果對現場地震波和聲波測試結果和地震勘探資料的解釋具有現實意義。

展望

隨著科學技術的進步，波動理論的研究也越來越細化，如面波和體波的混頻一直是地球物理勘探中深部勘查存在的問題，面波具有高能量，代表了70%的能量記錄，通常面波隱含了大量的來自地球表面的信息，因此把面波和體波獨立分開具有重要的意義，BenoitDeCacqueray，等已經在實驗室內進行小比尺試驗，并通過陣列處理來識別提取彈性波，目前還有待于用于實踐。MikhailV．Golub，等研究了平面彈性波在彈性邊界條件下的界面破壞模型，通過隨機分布相同尺寸的小裂縫來模擬破壞。CecileBaron通過研究彈性波在真空的各向異性功能性梯度圓管中的傳播特性，表明了彈性波是多相介質中的一種無破壞，無損，非電離的評價技術。就波動理論在巖土工程中得應用而言，目前已 經取得了一定的成果，但是仍然有一些問題需要解決。

1)目前工程上大量運用聲波測試獲取巖土體等工程材料的彈性參數，但是聲波穿過介質附帶著其他大量的信息，如何通過聲波信號獲取有關信息，是聲波測試中研究的難點之一。

2)瑞利波勘探是淺層地震勘探的重要手段，但是目前大量的研究都是在頻率域內進行反演，從而得到橫波速度剖面，由于在頻率域內提取瑞利波頻散曲線具有相當的困難，因此，應該開展時間域全波形反演研究，從而實現瑞利波二維、甚至是三維瑞利波反演。

3)趙明階，等開展了基于地震勘探和電法勘探耦合的土石壩滲漏成像診斷研究，不同的地球物理方法聯合反演，能夠取長補短，但是目前研究深度還不夠，因此，聯合開展地震勘探和其他地球物理方法耦合研究是地球物理反演研究的主要方向。

4)目前，瑞利波由于其頻散特性被作為淺層地震勘探的重要手段，而瑞利波勘探理論及應用也是目前地震勘探研究中的熱點問題，但是面波中的勒夫波(Lovewaves)頻散特性與泊松比無關且對橫波波速更加敏感，因此，開展勒夫波分析研究是豐富地震勘探方法的重要途徑。

作者：孫笑趙明階汪魁荀揚單位：重慶交通大學河海學院92153部隊