实验室岩样和现场岩体超声波速度差异的原因

超声波通过岩石材料的变形极小，不可能使张开裂隙闭合。即纵波不能直接通过张开裂隙，只能绕行传播。因而纵波通过岩样的时间不同，意味着波传播的路程不同。表9-12中超声波测试是在岩样干燥、应力为零的状态下进行的，这与现场岩体完全不同。岩石内裂隙、含水以及应力状态都会影响超声波的速度^{［14，21～23］}。为此加工了3个尺度在100mm×50mm×50mm左右的长方体岩样10、11和12，进一步研究岩样纵波速度偏低的原因。

9.9.1 加工过程可能对岩样产生损伤

由于大理岩颗粒之间粘接强度较低，切割加工岩样过程中，靠近表面的颗粒不可避免地受到拉伸作用而产生损伤。这可以从如下3个方面看出：

（1）岩样10切割、磨削加工后，一个表面仍有局部的凹坑。不得已继续磨削2mm左右。切割过程中颗粒整体脱落现象在岩样的边缘很容易看到。

（2）岩样11尽管表面平整，但高度方向A纵波速度离散极大。直径20mm的探头在岩样端面（52mm×54mm）的不同位置，纵波速度在2524～3145m/s之间变化，毫无规律可言。两个侧面B、C中部的纵波速度更低，为2191m/s和1713m/s。距离较小，影响更为显著。

（3）岩样10再次磨削后，纵波速度是确定的，但随时间明显增加（表9-13）。14d内3个方向的速度都增加了1000m/s左右。在该岩样轴向压缩破坏后发现，用于耦合的黄油已经侵入大理岩深约10mm。即在多次的测试过程中黄油逐步充填了颗粒之间的缝隙，使纵波速度在试验过程中得以不断提高。此外岩样侧面间距离较短，表面损伤的影响相对显著，使得速度较低。

表9-13 岩样10不同时间3个方向的纵波速度　单位：m/s

9.9.2 岩样中存在张开裂隙

岩样内张开裂隙在加载之后会发生闭合，卸载之后又逐步张开。只要裂隙稍有张开，就会影响到超声波的传播。因此对已经受到黄油充分浸润的长方体岩样10，在高度方向进行加载，同时在两侧面测量纵波速度（图9-18）。显然轴向应力增加，纵波速度增加。

在卸载过程中的纵波速度大于加载过程中的数值。经过一个加、卸载循环，3个方向的速度比加载前得到进一步的提高（表9-13）。不过，卸载之后岩样内的裂隙会逐步张开，纵波速度是不确定的。表9-13给出的数值是卸载结束后立即测量的结果，测量结束后又迅速进行第二次加载。其变化特征与第一次相似，但在轴向应力达到20MPa之后，波速的增加不再显著。在达到45MPa时测得的最大波速，B向为5232m/s，C向为5384m/s，分别比该岩样5月31日第一次测得的数值增加81%和78%，也远大于表2中从圆柱岩样得到的纵波速度。从表9-13可以看出，岩样10沿高度方向的速度大于沿侧向的速度，因而大理岩的纵波速度还可以达到更大的数值。

图9-18 轴向应力对岩样侧向波速的影响

第二次加载至轴向应力50.4MPa时岩样破坏。该值大于表9-12中5个圆柱岩样的单轴压缩强度。无疑，黄油对岩石裂隙的侵润改善了颗粒间的接触状态，减小了局部应力集中的程度，从而提高了岩石的承载性能。

图9-17a中岩样8在围压15MPa时初始模量为125GPa，由公式（9.3）判断对应的纵波速度不小于6840m/s。该值与现场岩体测得的最大值相当。文献［2］给出的几种大理岩岩样的纵波速度，最大值也在7000m/s左右。总之，岩石内裂隙完全闭合之后，矿物颗粒本身变形而没有裂隙或颗粒之间的滑移时，超声波传播的速度确实可以达到很大的数值。

9.9.3 水对超声波速度的影响

表9-14 岩样浸水前后3个方向的纵波速度　单位：m/s

前述岩样11各处的纵波速度不仅离散性大而且明显偏低，表明内部存在大量的裂隙。不过纵波可以通过液体传播，因此裂隙内充水之后将有利于纵波的传播。表9-14是岩样11和岩样12浸水72h前后的测量结果。探头在岩样端面A不同位置和B、C两个侧面中部进行测量。结果表明，干燥时纵波速度越小，浸水之后增加幅度越大，最大可以达到100%以上。这也使得岩样中各处波速的离散性减小。岩样侧面方向的尺度小于高度方向，因而表面损伤的影响相对显著，波速也就较小。但仍大于表9-12中所有圆柱岩样高度方向的纵波速度。从现场取回的岩块与岩体的含水状况并不相同，这可以极大地影响纵波速度。

文献［23］指出，大理岩的孔隙率仅为0.26%～0.29%，但吸水后纵波速度增加很大，平均达到33.6%。显然与球状颗粒的砂岩相比，大理岩晶粒之间的裂隙尽管所占体积较小，但对纵波的传播影响显著。由此也可以看到，在进行岩体超声波测试时，岩体表面的损伤必然会影响测试结果。建议利用水浸润岩体适当充填岩石裂隙，并在选定测点附近的小范围内调整探头位置，通过比较波速的变化程度评价岩体表面的损伤状态。并以最大波速而不是平均值来表示实际岩体特征。

总之，直接以岩体与岩样纵波速度的比值评价岩体完整性必须谨慎。