波动思想对岩土工程测量的影响范文

波动理论在岩土工程中的应用

1岩土体声波测试

声波测试技术具有测试快速、分辨率高、完全无损等优点，因此自引入岩土工程中以来，得到了广泛的应用。

1．1岩体弹性参数测试及性能评价

根据波速和弹性参数的关系，可通过波速测试确定岩土体的动弹性参数式中:Ed，μd为岩土体动弹性模量和动泊松比;Vp，Vs分别为岩土体的纵、横波速;ρ为岩土体的密度。由于式(5)只适用于各向同性的岩土体介质，对于各向异性介质，如裂隙岩体，可将其视为正交各向异性或横观各向同性介质，利用主轴方向上的波速与弹性参数的关系进行弹性参数的声波测试。一般而言，岩体中波速传播速度越快，表面岩体越致密、坚硬、完整、分化程度低，反之波速越低，表明岩体越疏松、软弱、破碎，结构发育、风化严重、因此，可根据岩体声波测试进行岩体结构分类。

20世纪20年代，日本在对岩体的调查、评价和分类中，引入了声波测试技术;大约同时，前苏联提出了波阻抗的概念，并将其作为岩石爆破性的分级指标，到20世纪70年代又把波阻抗和岩石的裂隙性相结合补充了岩石爆破性分级表;20世纪70年代以来，我国水电和国外水电、土木工程界的有关人员较为普遍的选用纵波速度进行岩体分类。当前，我国工程岩体分级标准中规定可依据岩体和岩石的纵波波速提出的岩体完整性指数进行岩体。

大量的学者通过岩土体波速测试，对隧道、边坡、大坝，桩基等各种地下工程地基岩石的力学性能进行研究。如邵明申，等通过不同含水状态下砂岩的力学性能和弹性波测试，研究了水环境变化对龙门石窟分化破坏的影响;侯顺利，等通过坝基岩体进行声波测试，检测了岩体的完整性，评价了爆破施工对坝基质量的影响。Nogami，等、Mylonakis，等、Militano，等基于弹性波理论研究了桩在单相土介质中的纵向振动问题，获得良好的效果;Makris通过均质板空间中的瑞利波作用研究了桩与土的相互作用。

1．2围岩松动圈的确定

在岩体开挖过程中，开挖过程扰动了围岩初始应力状态，岩体表明应力释放，从而在岩体表面附近出现了一个由松弛向集中过度的层状分布地带，在工程中称为松动圈或松散层。松动圈的厚度直接影响岩体的稳定性，必须对其作定量的测定。由于波速测试操作简单，测试效果良好，因此许多学者通过声波波速的测试来确定围岩的松动圈或松散层，从而为围岩的稳定性和支护设计提供依据。如龚建伍，等结合大断面小净距鹤上隧道，采用声波法和多点位移计法对隧道围岩松动圈进行了测试分析，获得了整个隧道断面松动圈的分布，并基于测试结果，验证了该隧道锚杆设计支护参数的合理性，从而为围岩松动圈支护参数的确定提供了依据和指导。陈庆法，等从层状岩体的力学特性、声波在层状岩体中的传播规律、围岩塑性区和剪裂区的分布特征3个方面，对缓倾薄层弱结构松动圈声波测试测孔布置的理论依据进行研究，提出声波测孔布置3项基本原则。并基于测孔布置的理论和原则，在工程中合理设计了声波测孔布置方式。

1．3岩体注浆加固质量的评价

为提高岩体的弹性模量，降低渗透率，提高隔水性能及岩体的完整性和稳定性，常对工程岩体进行灌浆、充填等加固处理，为了解加固处理的效果，可以通过声波测试技术灌浆工程等的加固效果进行评价。如雷宛，等利用声波CT成像法对灌浆质量进行检测，并将检测结果和声波单孔、跨孔测试结果进行对比，结果表明声波CT成像测试结合其它测试方法对灌浆效果进行评价，结果准备、可靠。

2工程材料及结构物的无损检测

随着我国基础建设的快速发展，道路，水利工程，港口码头等结构物的大力兴建，以波动理论为基础的弹性波技术，超声波技术以及地震波技术在结构物中进行无损检测也越来越普遍，且技术也在不断完善。尤其在混凝土工程中，超声波检测是最主要的无损检测方法之一，在国外始于20世纪40年代末，我国于20世纪50年代中后期逐步开展这项技术的研究与应用。

到20世纪80年代中期，我国开始了弹性波反射法基桩完整性检测的研究开发与应用，大约晚于国外20年，首创了反射法应用于混凝土构筑物检测技术;20世纪90年代初，开始应用于隧道衬砌厚度的检测;到了20世纪末，各类混凝土构筑物的缺陷、强度检测用的最多的检测技术还是弹性波脉冲透射法。而随着现代计算机技术的发展，超声波CT层析成像技术在混凝土结构物健康诊断中应用越来越广泛。如赵明阶，等对重庆寸滩集装箱码头桩基，利用超声波CT成像技术确定了由于施工造成的基桩缺陷的尺寸和部位，为基桩质量评价提供了依据;V．P．Yakubov，等基于弹性波理论，利用无线电波层析成像技术对隐蔽结构物的安全性进行了检测，获得了良好的效果。DingZhifeng，等利用P波传播速度的层析成像技术对围绕北京的地下结构物进行了无损检测。赵明阶，等以波动散射理论以及面波全息成像原理为基础，经过多年大量试验的研究及理论分析已经建立了二维的波电场耦合成像诊断技术模型，并成功的运用于堤坝的隐患诊断与检测，效果良好。

3地震勘探

地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面，也得到广泛应用。而近年来随着地震勘探测试技术的发展，地震勘探技术在地基加固处理效果评价，路基系统分析等岩土工程的很多领域东欧得到了大量的应用。

随着人们发现瑞利波在层状介质中具有频散特性之后，瑞利波逐渐被作为有效波，并充分利用其频散特性来研究各种地球物理问题。在水平分层状况下，瑞利波具有多个模态，同一频率，不同模态的相速度不同;同一模态，不同频率下相速度是不同的，这就是波的频散特性。频散特性受介质分层数量及厚度、层剪切波速、泊松比等材料参数的影响，因此，瑞利波传播特性包含剖面刚度信息。自1983年，Nazarian等提出表面波普分析方法以来，表面波测试技术及其分析方法得到了大量的研究。为了克服SASW方法中有效波难以从干扰波中分离和瑞利波频散曲线计算精度较低的弱点，表面波多道分析方法逐渐被广泛采用。于是，瑞利波勘探成为浅层地震勘探和工程质量无损检测的重要手段之一。

我国学者不仅对瑞利波勘探理论做了大量的研究，而且已经将瑞利波勘探应用于路基勘察、大坝渗漏诊断等各方面。如缪林昌，等利用SASW方法研究了地基土性，并利用SASW法对高速公路煤矸石的压实路基填筑的状态进行评价。贾学明，等利用有限差分软件FLAC3D对单层介质半无限大体和三维路基体的瑞利波传播特性以及频散曲线进行了数值模拟分析;赵明阶，等通过推导土石复合介质的波动传播模型，提出了土石复合路基压实度的波动测试模型，并通过瑞利波测试，实现了土石复合路基压实度的波动检测。

波动理论在岩土工程中的其他应用

随着专家学者对波动理论越来越深入的研究，以波动理论为基础的弹性波等技术不仅仅只用于无损检测，在岩土工程中其他方面的应用也在不断探索中。近两年来，李汉江，等将弹性波技术应用于公路土石方工程的勘察中，由于岩土体的性质是影响岩土体的弹性波速和开挖等级的决定因素，岩土体的弹性波速以及开挖等级又与岩土体的密实度、坚硬程度、孔隙度、完整程度和风化程度等密切相关，笔者正是利用这个原理来研究的，目前江西省交通设计院对“岩土体弹性波速与土石方开挖等级的相关性研究”课题进行了研究，已基本建立了一套用弹性波速来界定挖方段土石开挖等级的标准，为弹性波技术应用于土石方工程勘察提供了理论基础和规范性实践依据。李永刚，等将地震波CT技术应用到岩溶地区桥梁桩位勘察中，结果表明了地震波CT技术不仅能很好地反映溶洞发育程度及规律，而且能较全面地反映基岩起伏状态及裂隙发育区。

席道瑛，等采用特定的分析仪，采取确定实验参数，模拟地震波的传播对饱和砂岩进行了单轴循环加载试验，研究砂岩中波的能量衰减和虚模量随温度的变化规律，获得了饱和岩石的杨氏模量和弹性波速度对温度和频率的动态效应，研究结果对现场地震波和声波测试结果和地震勘探资料的解释具有现实意义。

展望

随着科学技术的进步，波动理论的研究也越来越细化，如面波和体波的混频一直是地球物理勘探中深部勘查存在的问题，面波具有高能量，代表了70%的能量记录，通常面波隐含了大量的来自地球表面的信息，因此把面波和体波独立分开具有重要的意义，BenoitDeCacqueray，等已经在实验室内进行小比尺试验，并通过阵列处理来识别提取弹性波，目前还有待于用于实践。MikhailV．Golub，等研究了平面弹性波在弹性边界条件下的界面破坏模型，通过随机分布相同尺寸的小裂缝来模拟破坏。CecileBaron通过研究弹性波在真空的各向异性功能性梯度圆管中的传播特性，表明了弹性波是多相介质中的一种无破坏，无损，非电离的评价技术。就波动理论在岩土工程中得应用而言，目前已 经取得了一定的成果，但是仍然有一些问题需要解决。

1)目前工程上大量运用声波测试获取岩土体等工程材料的弹性参数，但是声波穿过介质附带着其他大量的信息，如何通过声波信号获取有关信息，是声波测试中研究的难点之一。

2)瑞利波勘探是浅层地震勘探的重要手段，但是目前大量的研究都是在频率域内进行反演，从而得到横波速度剖面，由于在频率域内提取瑞利波频散曲线具有相当的困难，因此，应该开展时间域全波形反演研究，从而实现瑞利波二维、甚至是三维瑞利波反演。

3)赵明阶，等开展了基于地震勘探和电法勘探耦合的土石坝渗漏成像诊断研究，不同的地球物理方法联合反演，能够取长补短，但是目前研究深度还不够，因此，联合开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，瑞利波由于其频散特性被作为浅层地震勘探的重要手段，而瑞利波勘探理论及应用也是目前地震勘探研究中的热点问题，但是面波中的勒夫波(Lovewaves)频散特性与泊松比无关且对横波波速更加敏感，因此，开展勒夫波分析研究是丰富地震勘探方法的重要途径。

作者：孙笑赵明阶汪魁荀扬单位：重庆交通大学河海学院92153部队