片麻岩风化程度及其声发射规律试验研究

刘传孝，刘星辉，董小花，李茂桐，周 桐

(1.山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018; 2.山东京博石油化工有限公司, 山东 滨洲 256500; 3.山东省滨州市小清河管理局, 山东 滨洲 256600)

片麻岩风化程度及其声发射规律试验研究

刘传孝1，刘星辉2，董小花3，李茂桐1，周 桐1

(1.山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018; 2.山东京博石油化工有限公司, 山东 滨洲 256500; 3.山东省滨州市小清河管理局, 山东 滨洲 256600)

作为建筑地基使用的泰山片麻岩，埋藏浅、区域特征明显，其风化特性对土木工程稳定性的影响广泛而复杂。应力-应变关系试验发现，5组片麻岩试件的A、B、C-D和E组分别隶属于未风化、中等风化、强风化和全风化4种风化程度。力学性质试验时同步检测不同风化程度片麻岩的声发射信号，发现随片麻岩风化程度的提高，振铃计数率呈明显下降趋势；未风化及中等风化片麻岩的振铃计数率最高可达2 500次/s，具有能量累积并集中释放的特点，岩石脆性特征较明显；强风化片麻岩的振铃计数率平均约200次/s，声发射信号密集，岩石具有典型的延性特征；全风化片麻岩的平均振铃计数率仅约15次/s，声发射信号离散、无规律，岩石已等同于散体介质；得到了部分片麻岩风化程度与声发射之间的量化规律。建立的片麻岩风化程度与声发射关系，可应用于指导风化片麻岩地基的处理，寻求匹配的地基置换材料。

水利工程；岩土工程；风化片麻岩；试验；声发射；振铃计数率；地基处理

0 引 言

岩石在风化营力作用下将变得胶结性差、强度降低，并产生节理发育、结构破碎、遇水膨胀等不良特性，风化营力包括令岩石产生物理、力学性质变化的所有因素。不同的风化程度将影响岩土工程的稳定性，是石油工程、隧道工程、建筑基础、水利工程等普遍面对的问题。研究岩石风化程度的特征指标，进行风化程度评价指标的统计分析，根据岩石裂隙发育、蚀变等定性特征建立了岩石风化程度评价标准[1]。更有学者研究铁道工程的岩石地基风化特征，揭示了地下岩石风化程度对工程稳定性的影响规律，并提出了各类工程的对应处理办法[2]。

在土木工程领域，高层建筑的地基多为岩层，岩层埋藏浅，必然经历过明显的风化营力作用，且风化程度随位置不同迥异，但是缺乏系统、细致地研究。岩石地基的风化程度随深度及位置的变化而不同，强度随之发生明显变化，进而直接影响地基沉降量。地基沉降量是进行建筑结构稳定性设计的重要依据，建立地基变形与岩石风化程度之间的关系，提出增强风化岩石工程稳定性的建议措施，具有工程实践意义[3]。

岩石在裂纹扩展时以脉冲波形式释放应变能的现象，称为岩石声发射。声发射检测技术在国外的结构工程和矿山监测方面得到推广应用[4-5]。国内以不同方式对多种岩石强度试验时的声发射特征等分别进行了研究[6-9]。岩石声发射检测技术已经成为现代试验室及工程监测的主要手段。

笔者旨在通过对泰山区域普遍存在的片麻岩力学性质试验，同步检测其声发射信号，研究不同风化程度片麻岩的声发射规律。通过试验研究建立片麻岩风化程度及其声发射规律之间的对应关系，可应用于指导风化片麻岩地基的处理。即在土木工程应用中，试验得到易于量化的风化岩石的声发射指标，直接指导风化岩石地基的处理或材料置换。

1 风化片麻岩试件制备

泰山区域的建筑地基主要为片麻岩，各区域不同深度位置的片麻岩风化程度不同，从建筑工地现场开采5块风化程度各异的片麻岩，安全运抵实验室进行试件加工。

国际岩石力学学会对岩石力学的基本试验提出了建议方法，我国原煤炭部制订的MT 38—87《煤和岩石物理力学性质测定的采样一般规定》、水利部制订的SL 264—2001《水利水电工程岩石试验规程》提出了一套岩石力学试验规程和建议方法。按照岩石单轴抗压强度试验的规程及规定，将风化片麻岩岩块加工成标准试件，试件参数：A，B，C，D，E共5组，每组3个试件，各组试件平均尺寸(D×H)分别为48 mm×104 mm，48 mm×98 mm，48 mm×99 mm，48 mm×94 mm，48 mm×108 mm。

片麻岩岩体特征的宏观描述及钻取岩芯的特征：A组，偶见风化痕迹，岩质新鲜，结构完整，标准试件易加工；B组，岩体被切割成岩块，裂隙较发育，结构部分破坏，标准试件较易加工；C组，岩体较破碎，裂隙发育，结构大部分破坏，标准试件难加工；D组，岩体较破碎，裂隙很发育，结构大部分破坏，标准试件难加工；E组，岩体很破碎，裂隙很发育，保留残余结构，标准试件很难加工。发现，由A组至E组，片麻岩的风化程度顺次提高，包含了结构和构造等特征描述[10]。

2 风化片麻岩试件的试验设计

长春科新试验仪器有限公司研制的SAW-2000型微机控制电液伺服岩石三轴试验机，2006年起配置于山东农业大学水利土木工程实验中心。岩石三轴试验机可以应用于岩石的单轴压缩试验等，采用德国EDC控制器及D633比例伺服阀进行实验控制及数据采集。该设备刚度达2×1010N/m，能够达到本研究对风化岩石的试验要求。对不同风化岩石试件进行力学性质试验，得到不同风化程度岩石的单轴抗压强度等力学指标，各力学指标由每组3个试件试验结果的平均值确定。

在岩石力学性质试验的同时，应用AE21C声发射检测系统检测不同风化程度片麻岩的声发射信号。

3 试验结果与分析

3.1 风化片麻岩的强度特征

通过单轴压缩试验，得到风化片麻岩试件的应力-应变关系曲线，如图1。

图1 片麻岩应力-应变及声发射关系曲线Fig.1 Relationship curves between strain and stress of gneisses and their acoustic emission signals

分析应力-应变关系得到风化片麻岩试件的单轴抗压强度σc、弹性模量E、泊松比ν及极限应变εf等力学性质指标，见表1。

表1 风化片麻岩试件的力学参数

根据中华人民共和国住房和城乡建设部批准的GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)进行片麻岩风化程度的划分，风化系数Kf为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比，得到5组片麻岩试件的A，B，C-D，E组分别隶属于未风化、中等风化、强风化和全风化4种风化程度。研究发现：A，B组未风化及中等风化片麻岩的脆性特征较明显；C-D组强风化片麻岩具有典型的延性特征；E组全风化片麻岩等同于散体介质。极限应变呈总体上升趋势。

3.2 风化片麻岩的声发射特征

在风化片麻岩单轴压缩试验时，同步检测了其声发射信号，如图1。可见随着片麻岩风化程度的提高，振铃计数率呈明显下降趋势；A，B组未风化及中等风化片麻岩的振铃计数率最高达2 500次/s，具有能量累积并集中释放的特点，瞬发振铃计数率均超过800次/s；C-D组强风化片麻岩的振铃计数率平均约200次/s，声发射信号密集；E组全风化片麻岩的平均振铃计数率仅约15次/s，声发射强度低、信号离散、无规律。

3.3 片麻岩风化程度及其声发射特征的关系

本研究的主要目的是试验得到易于量化的风化岩石的声发射指标，直接指导风化岩石地基的处理或材料置换。

通过试验确定的片麻岩风化程度与声发射规律间的关系发现：未风化及中等风化片麻岩的振铃计数率分布具有典型的高峰值，岩石强度达到35 MPa以上，脆性特征明显，且极限应变在1%以内，是良好的天然地基；而强风化片麻岩可以经过注浆加固等处理措施，使其声发射信号具有能量累积并集中释放的特点，瞬发振铃计数率达到800次/s以上，其强度将超过35 MPa，极限应变被控制于1%以内，成为良好的人工地基；全风化片麻岩的声发射强度低，振铃计数率缺乏提高的必要，需要采用强度匹配的材料进行地基置换处理。

4 结 论

1)泰山区域的风化片麻岩据位置不同划分为4级，不包含弱风化程度。

2)未风化及中等风化片麻岩的瞬发振铃计数率均超过800次/s，声发射信号具有能量累积并集中释放的特点；强风化片麻岩的振铃计数率平均约200次/s，声发射信号密集；全风化片麻岩的声发射强度低、信号离散。

3)未风化及中等风化片麻岩是良好的天然地基，强风化片麻岩可经处理后成为良好的人工地基，全风化片麻岩地基需要置换。

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Weathering Degree of Gneisses and Their Acoustic Emission Characteristics

LIU Chuanxiao1, LIU Xinghui2, DONG Xiaohua3, LI Maotong1, ZHOU Tong1

(1.Water Conservancy and Civil Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, P.R.China; 2.Jingbo Petrochemical Co., Ltd., Binzhou 256500, Shandong, P.R.China; 3.Xiaoqing River Administration, Binzhou 256600, Shandong, P.R.China)

As a foundation building material, Taishan gneiss was shallowly buried and had obviously regional characteristics. The influence of weathering degree of gneiss on the stability of civil engineering was extensive and complex. Test on the relationship of strain and stress presents that five groups of gneiss specimens have been subjected to no weathering, middle weathering, strong weathering and full weathering respectively. Synchronous acoustic emission signals of gneisses with different weathering degrees have been tested in mechanical test, which indicates that ringing counting rates present evident downtrend with the increase of weathering grades of gneiss. The highest ringing counting rate of no weathering and middle weathering gneisses can reach 2 500 per second and their energy is cumulative and releases centrally, which determines their obvious brittleness. Strong weathering gneiss is of typical ductility and its acoustic emission signals are concentrated, whose average ringing counting rate is about 200 per second. That average ringing counting rate of full weathering gneiss is only 15 per second and its discrete and irregular acoustic emission signals indicate that it is the same as a disperse medium. Partial quantization rules between weathering degree of gneiss and its acoustic emission signal have been obtained. The established relationship between weathering degree of gneiss and its acoustic emission signal may be useful for the treatment of weathered gneiss and looking for the replacement materials of the foundation.

hydraulic engineering; geotechnical engineering; weathered gneiss; test; acoustic emission; ringing counting rate; foundation treatment

2015-09-25；

2015-12-14

国家自然科学基金项目(51004098,51574156)；山东省自然科学基金项目(ZR2014DM019)

刘传孝(1970—)，男，山东郯城人，教授，博士，博士生导师，主要从事非线性动力学、计算力学、岩土力学与工程方面的研究。E-mail：Lchuanx@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.16

TU45

A

1674-0696(2016)06-077-04