5.5.4.1 岩体力学参数的测定
岩体的弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数，对于工程围岩稳定性的评价以及进行工程设计和施工等都是极其重要的基本数据，都可通过声波检测来测定。
利用声波仪测出发射与接收换能器之间距离为L时的直达波旅行时间t，可求出弹性波的速度v。在已知岩石密度ρ的条件下，根据其函数关系，可换算出岩体的各种力学参数。
试验证明，在室内进行岩石标本测试时，要求发射到岩石内的声波，其波长λ远小于岩石试件的尺寸，而大于岩样的组成粒径。试件横向(垂直于波传播方向)的尺寸，不小于波长的10倍，试件中脉冲穿过岩石的旅行距离至少为平均粒径的10倍。若以边长d=5cm的正方体为例，当岩样中的波速v=3000m/s时，所要求的最低工作频率f=v/λ=V/0.1d=600Hz。进行岩样声波测试时，只有使用高频的超声波仪器，才能忽略岩样边界对声波的影响。
对于同一岩体(岩石)，弹模数值与岩性有关，还与加载的方式有关。用静力测试的方法称为静力法，测得的弹模称为静弹模量，以Es表示。在快速瞬间加载情况下的测试方法，称为动力法，测得的弹模称为动弹模量，以Ed表示。Es和Ed是在不同物理条件下测出的，一般Ed>Es。有些单位给出了它们的经验的关系曲线，即Es=0.1E1.45d(长办)或Es=0.025E1.7d(中国科学院地质所)。
动力法和静力法测试各有优缺点。静力法测得的Es值与基础荷载条件相近，只能选择有代表性的少数典型地段进行测试。由于静力法在一个测点上应力影响的范围有限，少数地段的测试，只能反映岩体局部的变形特点，因而不能满足工程设计的数量要求。动力法测试采用最新的电子技术，具有设备轻巧，测试简便，经济迅速，可大量施测等优点，而且近代许多工程建筑还要考虑动力的特点，因此声波(或地震勘探)测出的动弹模量具有实用价值。但是目前工程设计人员一般还是要求给出与基础荷载条件相近的静弹模量值，因此往往要把声波或地震勘探测得的动弹模量换算成静弹模量。
5.5.4.2岩体的特征参数
声波检测能作为岩体分类主要手段是由于岩体的成因、类型、结构面特征、风化程度等地质因素，与岩体的力学性质有关，岩体的力学性质与声波在岩体中的传播规律有着密切的联系。
环境与工程地质中，我们用纵波速度vP、弹性模量E、裂隙系数Ls、完整性系数Kw、风化系数β及衰减系数α等来描述岩体的特征参数。
(1)纵波速度vP
一般说来，岩体新鲜、完整、坚硬、致密，波速就高;反之，岩体破碎、结构面多、风化严重，波速就低。由于波速是反映岩体强度的各种地质因素综合影响的参数，因此它是岩体特征最基本的参数。
(2)完整性系数Kw和裂隙系数Ls
完整性系数Kw是描述岩体完整情况的系数。裂隙系数Ls是表征岩体裂隙发育程度的系数。通常用式(5.11)表示:
环境与工程地球物理
式中:vP体为岩体的纵波速度;vP石为同一岩体的岩石试件的纵波速度。
测出完整岩石的vP石和待测岩体的vP体值，可以计算出出完整性系数和裂隙系数，定量说明岩体结构面的发育情况。一般把岩体完整性情况分为三个等级:①Kw=0.75～0.9;②Kw=0.45～0.75;③Kw<0.45。把裂隙发育情况分为五个等级(表5.2):①Ls<0.25;②Ls=0.25～0.50;③Ls=0.50～0.65;④Ls=0.65～0.80;⑤Ls>0.80。根据上述纵波速度与岩体结构面和完整性的关系可知，Kw大或Ls小表明被测岩体结构面少、完整性好;反之，则结构面多、完整性差。
表5.2基于特性参数的岩体状态分级
(3)风化系数β
风化系数β是一个表示岩体风化程度的系数。β值愈大，风化程度愈高;β值愈小风化程度愈低。根据岩体波速随岩体风化而减小的特点，风化系数可用式(5.12)表示:
环境与工程地球物理
式中:vP新为新鲜岩体的纵波速度;vP风为同类风化岩体的纵波速度。
根据风化系数β，岩体可分为四级，见表5.3。
表5.3岩体分化程度分级
(4)衰减系数α
声波在岩体中传播的特征，其波速、振幅随岩体性质不同而发生变化。试验证明，声波在不连续面上的能量衰减比较明显，因此衰减系数α可以反映岩体节理裂隙发育的程度。其表示式为
环境与工程地球物理
式中:Ai为固定某增益时，参与比较的各测试段的振幅实测值，以mm为单位;Am为参与比较的各测试段中振幅的最大值，以mm为单位;Δx为发射换能器到接收换能器的距离，即测试段的长度，以cm为单位;α为参与比较的各测试段介质的振幅相对衰减系数，以cm－1为单位。
由式(5.7)可见，当Ai=Am时，相对衰减系数α为零，表明该段岩体在参与比较的各测试段中质量最好;Ai越小，α就越大，表明该段岩体质量越差。根据这一原理，衰减系数可用于岩体分类的指标，也可用于测定工程爆破引起的周围岩体破裂影响范围等方面。
根据工程地质调查和试验，将上述参数进行综合分析，可对岩体进行总体分类评价(表5.4)。
表5.4弹性波参数与岩体类型特征
5.5.4.3 围岩应力松弛带的测定
在硐壁应力下降区，岩体裂隙破碎，以致波速减小，振幅衰减较快。反之，在应力增高区，应力集中，波速增大，振幅衰减较慢。因此利用声波速度随孔深的变化曲线，可以确定松弛带的范围。
<声波分析p>现场工作是在垂直于硐壁布置若干组测孔，每组1或2个测孔，孔深为硐径的1～2倍。在一个断面上测孔应尽可能选择在地质条件相同的方位，以减少资料解释的困难。为保证换能器与岩体耦合良好，边墙测孔可向下倾斜5°～10°。拱顶处因钻孔向上，应采用止水设备。测试时可采用单孔法(一发两收的初至折射波法)或双孔法(直透法，逐点同步测试)。先在测孔中注满水作为耦合剂，然后从孔底到孔口每隔一段距离(一般为20cm)测量一次声速值。将测试结果绘成波速随孔深变化的vP－L曲线，便可进行解释。图5.33是单孔测试方法和几种常见的vP－L曲线类型。其中vP>v0曲线(曲线1，2)，表明无松弛带;硐壁附近vP<v0的曲线(曲线3，4)和vP<v0的多峰值曲线(曲线5)，则表明存在应力松弛带。解阻抗管吸声系数释时，由vP－L曲线图中点的坐标L1值确定松弛带的厚度。
图5.33测试布置及常用的vP－L曲线图
