王飛聲

(昆山華一巖土勘察工程有限公司，江蘇蘇州215300)

·巖土工程·

粘土超聲波速度變化因素研究

王飛聲*

(昆山華一巖土勘察工程有限公司，江蘇蘇州215300)

波速測試作為一種測試手段，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域取得了成功。這里將波速測試運用于南京地區(qū)常見的粉質(zhì)粘土中，研究了在不同環(huán)境、不同壓力作用之下，土樣的含水率、孔隙比和縱波波速的變化。結(jié)合壓縮條件下土體微結(jié)構(gòu)變化和平均波速公式，嘗試解釋原狀土樣和擾動土樣，二者在分級側(cè)限壓縮試驗之下，所對應(yīng)的波速變化。研究結(jié)果表明，含水量的變化跟波速的增大呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢；而同時，孔隙比的變化跟波速則體現(xiàn)出了負(fù)相關(guān)的關(guān)系。為了能夠進(jìn)一步地闡述這一變化機制，這里引入了孔隙水壓力和有效應(yīng)力的概念，以二者的相對變化趨勢來研究在描述固液氣三相的體積變化，從而為解釋2種不同狀態(tài)的粉質(zhì)粘土中波速的異常行為提供了理論基礎(chǔ)和實例參考。

粉質(zhì)粘土；超聲波檢測；波速異常；壓力

1 概述

超聲波檢測作為一種無損、快速、簡便的檢測方法在巖土工程探測已被廣泛應(yīng)用，并趨于成熟，被越來越多的用于試驗研究當(dāng)中。國內(nèi)在巖土體完整性檢測與評價及強度預(yù)測、混凝土強度檢測方法、波速與埋深的關(guān)系等固體超聲測定方面的技術(shù)已相當(dāng)成熟：如陳燁[1]從波速、波形和頻譜特性的角度來綜合研究水泥土的質(zhì)量和強度，陶蒞寧等[2]則是根據(jù)地表脈沖在地層分界處傳播的差異，介紹了波速測試的原理；陳昌軍[3]則是從剪切波波速測試的角度，對影響波速測試的因素做了相關(guān)的探討。然而對于工程應(yīng)用中比較常見的粘土[4]，超聲波對應(yīng)的研究卻偏少，拾峰[7]、王崢輝[5]等雖然探討了粘土含水量和壓縮系數(shù)隨波速的變化情況，并給出了關(guān)于波速擬合曲線的解析式，但是并沒有清晰的關(guān)于波速跟孔隙水壓力、有效應(yīng)力二者之間的表述。

本文從相關(guān)土樣中選出2大組不同狀態(tài)的粉質(zhì)粘土為試樣，進(jìn)行側(cè)限壓縮研究。同時借鑒地球物理中巖石速度時間平均公式，嘗試從側(cè)限壓力、含水率、孔隙比3個角度，解釋粉質(zhì)粘土中引起波速變化的原因。

2 試驗裝置、方法和試樣的制作

2.1 試驗裝置

本次試驗采用的是武漢沿海公司生產(chǎn)的RSST01C非金屬聲波檢測儀，RS-ST01C集電子技術(shù)、計算機技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)于一體，是低耗、高效、穩(wěn)定、便攜的新一代智能化測試技術(shù)。

2.2 試驗方法

對采集的土樣按照0kPa、50kPa、100kPa、200kPa和400kPa壓力下，分5個階段分別進(jìn)行側(cè)限固結(jié)壓縮試驗。每個階段開始之前都需要先進(jìn)行土工試驗，然后采用超聲波脈沖透射法，以凡士林作為耦合劑，在試樣的一端用發(fā)射器發(fā)射超聲脈沖波，同時試樣的另一端接收換能器接收。當(dāng)超聲波在試樣中傳播后，另一端所接收到的超聲波信號則轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，通過超聲波放大器放大，就可以得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息。

2.3 試樣制作

選取南京某段工程中的粉質(zhì)粘土作為試驗試樣，用薄壁取土器取粉質(zhì)粘土原狀土，取24個樣，取樣方法和試樣尺寸嚴(yán)格按照《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ89-92）進(jìn)行：取得試樣之后，采用環(huán)刀法，制作了如圖1、圖2所示的2組試樣：原狀土樣（Y）(圖1)、擾動土樣（R）(圖2)。

所謂原狀土樣，即通過環(huán)刀法采集原狀土樣，并將試樣放入固結(jié)儀內(nèi)，上下放透水石，透水石貼近試樣的面要加濾紙，以便排水；擾動土樣，即不同之處是將獲得的原狀土倒入擊實筒內(nèi)，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)中擊實試驗的輕型擊實試驗方法進(jìn)行擊實，取出擊實樣用環(huán)刀進(jìn)行切取，得到擊實擾動土樣[7]。

圖1 原狀試樣

圖2 擾動試樣

3 速度平均方程的選用

自然界中的土是由固相(固體顆粒)、液相(土中水)和氣相(土中氣體)組成的，是三相分散體系[8]。這里可以借鑒伍德提出的，時間—平均方程[10]：

式中：V——巖石介質(zhì)中超聲波的速度；

Vs——固體骨架中的超聲波速度；

Vl——充填物的波速，可近似等于即超聲波在水中的速度；

Φ——孔隙比；

Va——空氣中的波速；

Sw——含水飽和度，水所占的孔隙的體積與巖石孔隙體積之比；

ρa、ρl、ρs——空氣、流體和固體骨架中超聲波的速度。

綜上所述，波速的大小跟三相所占的體積比例有著直接的關(guān)系。

4 實驗結(jié)果分析及討論

試驗測定了5種側(cè)限壓力之下2種不同土樣所對應(yīng)的波速、含水量和孔隙比。對2種不同狀態(tài)的土樣在不同側(cè)限壓力環(huán)境中分別進(jìn)行了壓縮試驗，將測量的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理后得到各物理性質(zhì)指標(biāo)，而波速則可以通過聲波儀直接讀出。

4.1 波速隨著壓力的變化異常情況

按照2.2節(jié)所述試驗方法，對粉質(zhì)粘土原狀土樣和粉質(zhì)粘土擾動土樣在各個壓力之下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將物理性質(zhì)指標(biāo)和縱波波速數(shù)據(jù)總結(jié)之后，繪制成圖，通過圖像的直觀表達(dá)，顯現(xiàn)出波速隨物理性質(zhì)變化的趨勢，進(jìn)而分析研究得出相關(guān)結(jié)論。

如圖3所示，隨著壓力的增大，原狀土樣中壓力呈現(xiàn)出先減小，再增大，最后再減小的趨勢，總體上，波速跟壓力兩者總體呈現(xiàn)反比的特性；而與原狀土不同的是，隨著壓力的增大，擾動土樣中（圖4），雖然在100～200kPa區(qū)間體現(xiàn)一定的波動，但總體上，隨著壓力的增加，波速呈現(xiàn)出上升的趨勢。

這樣2種不同狀態(tài)之下的粉質(zhì)粘土中，波速跟壓力呈現(xiàn)出迥然相反的趨勢。原狀土樣，波速跟壓力呈現(xiàn)反比趨勢，而擾動土樣中，則是呈現(xiàn)出正比的趨勢。

圖3 原狀土樣中速度—壓力變化曲線圖

圖4 擾動土樣中速度—壓力變化曲線圖

4.2 含水率在靜壓試驗中的變化

根據(jù)上一節(jié)中制備的試樣進(jìn)行試驗，可以得到相應(yīng)壓力級別之下含水率的指標(biāo)，試驗結(jié)果如下所示：

圖5 原狀土樣中含水率的變化

由圖5原狀土含水率的變化可知，在這一過程中，某一壓力區(qū)間之內(nèi)（即0～100kPa壓力之間處），含水率的下降速度偏大，而之后的應(yīng)力范圍內(nèi)（即100～400kPa壓力之間處），變化則趨緩；對應(yīng)上圖3可知，在這一區(qū)間，波速也出現(xiàn)了擾動，這說明在這一壓力區(qū)間，含水量的損失，跟波速的擾動二者之間存在一定的關(guān)系。

同樣，擾動土樣中（圖6），水量的流失也存在類似的變化趨勢，只是其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原狀土樣中水分的流失。

圖6 擾動土樣中含水率的變化

4.3 孔隙比在靜壓試驗中的變化

同樣，根據(jù)上一節(jié)中的試樣進(jìn)行試驗，可以得到相應(yīng)壓力級別之下孔隙比的變化趨勢，試驗結(jié)果如下所示：

圖7 原狀土樣中孔隙比的變化

孔隙比方面，孔隙比表示的是土中孔隙體積與顆粒體積的比值。在壓縮固結(jié)過程中，假設(shè)顆粒不被壓縮，也就是固體顆粒總體積不變，所以孔隙比的減小直接代表的就是孔隙總體積的減小。而孔隙體積的變化則是體現(xiàn)在有水孔隙和無水孔隙二者的體積變化，而水的體積無法壓縮，所以體積的變化主要體現(xiàn)在無水孔隙的變化中。

結(jié)合圖7可知，其在波速界限含水率后(1～2級壓力之間)，孔隙比下降的幅度保持了一個相對穩(wěn)定值。但是在1～2級壓力之間，平均孔隙比變化相對比較大。這主要是由于在這段區(qū)間內(nèi)，壓力主要由孔隙水壓力承壓，導(dǎo)致水的流失加劇，而同時，在100kPa之后，土體結(jié)構(gòu)逐漸完成了重新固結(jié)，有效應(yīng)力變大，而此時孔隙水壓力也相應(yīng)的減小，同時殘余孔隙水逐漸被封存進(jìn)孔隙，不容易被排出，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙水含量減小幅度變?nèi)?，這在圖3中也有所體現(xiàn)。

在擾動土樣中（圖8），也有著類似的規(guī)律，但是擾動土樣中孔隙比的變化幅度明顯偏小，這應(yīng)該是因為，擾動土樣的制備過程中，土樣擊實，土顆粒經(jīng)過重新排布，此時，壓力主要由固體骨架承擔(dān)，而孔隙水壓力分擔(dān)壓力的作用，此時并沒有得到充分發(fā)揮。

圖8 擾動土樣中孔隙比的變化

因此綜合以上的觀點，可以近似得出在原狀土樣中，含水率的變化對波速影響占主要因素，而在擾動土樣中，孔隙比的變化則是主要影響因素。

5 原因解析

這里主要根據(jù)式1中，固液氣三相體積的變化來解析波速的變化。粘土的變形通常以K.Terzaghi的固結(jié)理論為依據(jù)，可以大致分為兩部分：由孔隙水壓力所引起的孔隙壓縮和骨架有效應(yīng)力所發(fā)生的骨架變形[9，11]。

第一階段（0～100kPa），屬于結(jié)構(gòu)恢復(fù)期，由于土樣暴露在空氣中，導(dǎo)致土樣中的自由水開始揮發(fā)，同時在荷載的作用下，孔隙水壓力和骨架有效應(yīng)力開始發(fā)揮作用，但是此時，土樣處于結(jié)構(gòu)恢復(fù)階段，所以土質(zhì)松散，因此這一過程中一部分荷載將由孔隙水壓力承擔(dān)，從而加快了孔隙水的流失，并在土樣中留下了大量的無水孔隙。然而，這一過程中，粒間連結(jié)沒有發(fā)生大的變化，而流體所占體積減小，同時，氣體的體積所占比例則在相應(yīng)的增大。結(jié)合式（1）可知，這一過程中，土中的含水量成為了控制縱波波速的主要因素，即含水率越大縱波波速越大，而含水率越小減少則波速降低，而在此之后，隨著壓力的繼續(xù)增大，孔隙水壓力逐漸減小，而有效應(yīng)力增大，此時，水的流失速度減小，所以，對于大部分土樣，這段時期之內(nèi)，波速則是開始上升，這在圖3和圖4的體現(xiàn)就是，波速隨著壓力的增長先減小，后增大。

而在擾動土樣中，由于擊實作用，使得式樣中的土顆粒已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)重組，液體的流失在這一過程中，表現(xiàn)得并不如原狀土樣那么明顯。這在圖5、圖6中有所反映。而同時，由于土體的擊實重構(gòu)，使得在這一過程中，土體變形減小，即孔隙比變化幅度變小，這在圖7、圖8中有所體現(xiàn)。經(jīng)過這兩方面的對比，可以發(fā)現(xiàn)對于擾動土樣，荷載主要是由固體骨架承擔(dān)荷載，所以直接導(dǎo)致骨架的體積縮小，對應(yīng)著氣體體積的減小，所以可以推斷，這一階段中，擾動土中的含水率對波速的影響有限，而同時孔隙比對波速的影響加大。

第二階段（100～400kPa），原狀土樣中，荷載開始從孔隙水壓力向固體骨架轉(zhuǎn)移，在這一過程中，土的密實度增大，孔隙連通率減小，孔隙中自由水的含量減少，不過其減小幅度在變小。而壓力的增大，使得原有的孔隙骨架間的有效應(yīng)力己經(jīng)不能適應(yīng)增大后的壓力，發(fā)生了顆粒的崩解向細(xì)粒轉(zhuǎn)化，此時，部分結(jié)合水變成了自由水，彌補了部分流失的自由水。同時細(xì)化后額顆粒填補了孔隙，使得孔隙減小。對比圖5～圖8可知，這一過程中，原狀土樣和擾動土樣的孔隙率變化幅度類似，而同時，原狀土樣含水量的變化是擾動土樣的3-4倍，這表明在這一過程中，原狀土樣中的水的流失的速度仍然大于固體骨架固結(jié)的速度，即在這一過程中，流體所占體積比例進(jìn)一步減小，而同時，氣體所占相對體積比例增加。結(jié)合式1可知，此時波速仍然在變小，只是變小的幅度變小，這在圖3中有所體現(xiàn)。

而擾動土樣在這一階段中，則是土體的骨架在應(yīng)力的作用之下則是進(jìn)一步加強，而同時，由于孔隙比的減小，顆粒間的通道被截斷，導(dǎo)致更多的自由水被禁錮在孔隙中，水的散失量在減小，但總體上，荷載是由固體骨架承擔(dān)，所以這段時期內(nèi)，孔隙比的變化對波速產(chǎn)生的影響還是大于含水量對波速產(chǎn)生的影響。

6 結(jié)論與展望

本文針對原狀和擾動2種不同的粉質(zhì)粘土式樣在側(cè)限壓縮下，超聲波波速的變化情況，結(jié)合巖石中超聲波時間平均波速方程，從孔隙比、含水率這2個角度闡述了波速變化的原因，試驗結(jié)果表明：

在表觀因素中，縱波波速與土的含水率、孔隙比、外力條件等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間有著很好的相關(guān)性，含水率與縱波波速是正相關(guān)的，孔隙比與縱波波速是負(fù)相關(guān)的。但是它們的變化在土中不是單純變化，而是同時作用的相互聯(lián)系著變化，而它們各自對波速也有著自己的對應(yīng)影響規(guī)律，所以它們對縱波波速的影響因素既有規(guī)律性也存在不確定性。

在試驗研究的過程中，除了以上的結(jié)論外，仍然存在著有待解決的問題：

在研究試驗數(shù)據(jù)中，能發(fā)現(xiàn)，原狀土樣在某一應(yīng)力區(qū)間內(nèi)（50～100kPa），試樣中的孔隙水壓力和有效應(yīng)力二者之間發(fā)生了類似于“接力棒”的角色轉(zhuǎn)換，但是這一個點具體在什么地方發(fā)生，在其他土式樣中，是否也有著類似的過程，這個有待進(jìn)一步查明。如果能夠直接測量孔隙水壓力和有效應(yīng)力兩者的變化情況，則能夠客觀地觀測到二者變化的情況。

[1]陳燁,簡文彬,林生涼,等.水泥土的超聲波特性研究[J].福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006(1)：130-133.

[2]陶蒞寧，侯廣春.波速測試技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].山東煤礦科技.

[3]陳昌軍.場地剪切波波速測試及其應(yīng)用[J].華南地震，2003，23(4)：81-86.

[4]黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京：水利電力出版社，1983.

[5]王崢輝,楊鳳根,徐建龍.粘性土物理力學(xué)性質(zhì)與超聲波波速關(guān)系的試驗研究[J].江蘇地質(zhì)，2007(3)：99-102.

[6]周緒文.反射波地震勘探方法[M].北京：石油工業(yè)出版社，1989.

[7]拾峰.超聲波法反演粉質(zhì)粘土物理力學(xué)性質(zhì)試驗研究[D].河海大學(xué)，2010.

[8]王盛源.飽和粘性土主固結(jié)與次固結(jié)變形分析[J].巖土工程學(xué)報，1992(5)：72-77.

[9]王崢輝.下蜀黃土超聲波波速與物理力學(xué)性質(zhì)試驗研究[D].河海大學(xué)，2007.

[10]鄭志華,張志毅,王德潤.超聲波法測試干砂試樣剪切模量的試驗研究[J].世界地震工程，2002(4)：64-67.

[11]胡瑞林，李向全.粘性土微結(jié)構(gòu)定量模型及其工程地質(zhì)特征研究[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

P631.5

A

1004-5716(2015)11-0001-04

2014-11-05

王飛聲（1987-），男（漢族），江西吉安人，助理工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察技術(shù)工作。