岩体声波测试技术

《岩体测试技术》课程结业论文岩体声波测试技术原理及在工程中的应用学院：XXX专业班级：XXX姓名：XXX学号：XXX岩体声波测试技术原理及在工程中的应用XXX（XXXX，XXXX）摘要：声波测试技术现已变成一种常规的勘测技术，在工程地质中的应用越来越广泛这主要的原因就在于它设备简单、测试而广、经济实用，结合地质能较全而地提供岩石及岩体的多种物理力学的动态指标。本文介绍了声波测试技术的基本原理和在工程中的应用实例。关键词：声波岩体测试泊松比纵波1概述在岩体中传播的声波是机械波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。岩体声波检测（RockMassSoundWaveDetecting）所使用的波动频率从几百赫到50千赫（现场岩体原位测试）及100到1000千赫（岩石样品测试），覆盖了声频到超声频频段，但在检测声学领域简称其为“声波检测”。应提及的是：这里所阐述的声波检测还包含一些被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术概述。1.1岩体声波检测技术的进展概述我国岩体声波检测技术应用研究，是在上世纪六十年代中期开始的。它的起步借鉴了金属超声检测和水声探测技术，从仪器研发、换能器的仿制到研制，现场原位检测及室内试件测试方法研究，经历了四十个春秋，是在一代科技工作者多学科群体的努力下完成的；到今天，检测仪器由第一代电子管式、第二代晶体管式、第三代小规模集成电路式，发展到今天的第四代，即由声波发射电路、大规模集成电路的数据采集系统、计算机嵌入式主板、操作系统软件、信号分析处理软件等组成，成为具有一定智能分析功能的声波检测分析仪，换能器多达十余个品种；由纵波测试应用发展到横波测试；由声学参量声时的应用，发展到波幅、频率的应用。目前，声波检测技术纳入了不同行业的多个规程、规范，说明该项技术的发展成熟程度。1.2岩体声波检测使用的频率表1不同频率震源的检测目的、检测距离检测目的所用震源震源频率（kHZ）探测距离（m）备注大距离检测岩体完整性锤击震源0.5－5.01－50跨孔检测岩体溶洞、软弱结构面电火花震源0.5－8.01－50岩体松动范围、风化壳划分评价超声换能器20－500.5－10岩体灌浆补强效果检测超声换能器20－501－10岩体动弹性力学参数、横波测试换能器/锤击20－50/0.5-50.5－10/1-50岩石试件枞波与横波声速测试矿物岩石物性测试研究超声换能器100－10000.01－0.15决定于由岩石试件尺寸地质工程施工质量检测换能器/锤击20-50/0.5-50.5－10/1-502声波传播基本理论2.1声波基础知识2.1.1声波概念发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声波是频率在20~20000Hz范围内的振动波，低于20Hz为次声波，高于20000Hz为超声波。2.1.2声波的种类无限介质中的波存在两种波：纵波，横波。纵波的质点振动方与波传播方向相平行，横波的质点振动方与波传播方向相垂直。声波是一种纵波，是弹性介质中传播着的压力振动。但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波。2.2声波的声速岩体声波检测技术得到广泛应用，有着完善的物理基础。首先，我们讨论岩体的声速与岩体物性间的关系。鉴于岩体的结构特征，和检测的对象既有大块的岩体，也有小尺寸的岩石试件，由固体中波动方程的解可知，岩体或岩石的几何尺寸与声波波长相对关系的不同，边界条件是不一样的，声速的表达式也不一样，有必要对它们分别讨论。2.2.1无限固体介质中的声速无限体(介质)指的是介质的尺寸远比波长大，理论及实验证明当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D，存在D＞(2~5)，此时的介质可认为是无限体。无限体纵波的声波传播速度：2111EＰＶ（1）无限体横波的声波传播速度：)1(21EGＳＶ（2）式中Ｅ――弹性模量（Pa）Ｇ――剪切模量（Pa）――泊松比（无量纲）――质量密度（kg/m3）2.2.2有限固体介质中的声速2.2.2.1一维杆的声速(1)一维杆的边界条件：当固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：LDD512　式中――波长D――一维杆直径L――一维杆的长度(2)一维杆轴线方向的纵波声速为:EVB（3）显然，VB与无限体的纵波声速相差2111，当=0.2～0.25，BPVV）－1.105.1((3)论述一维杆的声速的目的是：在测取岩石试件的声速时，岩石试件可能是圆柱体，也可能是长方体，故不可以把岩石试件的尺寸加工成一维杆，因为这时测出的声速是（3）式的一维杆的声速，不是无限体的声速，其值不能代表现场测到的岩石无限体的声速，也不能作为计算岩体完整性指数的VPR值。(4)如果把岩石试件有意加工成一维杆，测其轴向声速，再按（3）式可以测算出岩石的弹性模量。2.2.2.2二维板的声速当岩体的尺寸满足二维板的边界时，即在X及Y方向的尺寸远大于Z方向尺寸，且Z方向的尺寸Lz＜时，二维板在X及Y方向的声速如下：2121EVP(4)板状建筑石材的声波检测，对垂直于厚度方向的纵波声速，应按式（4）式来考虑，同样可以用声速来确定其完整性及动弹性力学性能。2.2.3声速与岩体性质关系2.2.3.1声速与裂隙的关系岩体是多裂隙非均匀介质，裂隙的表2裂隙发育程度与声速之间关系发育影响着岩体的稳定性,室内模拟及大量现场测试数据证实，随着裂隙的发育，声波在岩体内将产生绕射、折射以及多次反射，造成声线拉长，使传播时间，随裂隙的发育而增大，“视声速”降低，表2示出这一关系。为了用声速值定量说明裂隙发育程度，可测量待定岩体的声速Vpm，及岩石标准试件的声速Vpr。(因试件内仅有少量裂隙故VprVpm)，并以(V2pr-V2pm)/V2pr，和(Vpm/Vpr)2分别表征岩体裂隙系数及完整性系数。它已成为评价岩体完整程度的重要参数。2.2.3.2声速与孔隙率的关系岩体孔隙率影响着声速.目前仍延用的韦里(Wyllie)公式，建立在将多孔隙岩体近似等效为多孔的岩体骨架(1-)，及孔内所充填的介质()两部分组成。声波在其内传播的时间，可视为式中Vp、Vpl、Vpm分别为多孔岩体、充填介质、岩体骨架的纵波声速，为孔隙率，则式中t为总的声时，tj、tm分别为充填介质及岩石骨架的声时，可见孔隙率是声速的相关函数。韦里公式是不完善的，未能考虑传播中的许多复杂因素，故与实际往往有所出人，但就此仍可看出其基本关系。2.2.3.3声速与岩体风化程度的关系岩体随其风化程度的不同，在其内部结构特性上，即松散程度、胶结状况、矿物成分、容重、孔隙度、粒度等物理性能存在着差异，将引起弹性模量、泊桑比及密度上的差异。风化程度的不同，还造成岩体不均匀，至使不同声阻抗率界面上发生波的折射、反射、绕射，这些因素均使声速随风化程度的剧烈而降低。表3列出了某一大型水利枢纽某坝段结晶岩的这一关系。2.2.3.4声速与应力的关系我国许多单位开展的岩体声速和应力的实验研究表明，多裂隙、多孔隙岩体的声速与岩体所受应力有关。这一现象目前解释为：应力增加时，岩体裂隙、孔隙受挤压，声波易于传播，声速相应增加;当应力超过岩体破坏强度使岩休原有裂隙扩展，或产生新裂隙，或应力解除后，又会出现声速降低，称之为“裂隙效应”。2.2.3.5声速与环境温度的关系温度上升，声速下降。度下降声波提高，特别当温度下降到度以下，孔隙中的水变成冰，声速由1500m/s(水)变为3600~4300m/s(-5~-80C冰)。2.3声波测试基础理论2.3.1描述声波基本参数表3岩体性状与声速振幅A指声波波形离开平衡点的最大值；频率f波峰与波峰之间相隔的时间称为周期，周期的倒数即为频率；振动图表示(x=x0)波传播过程质点的振幅随距离和时间变化；y=Asin2f(t-x/c)主频任意一个波都可以分解成不同频率，不同振幅和不同相位的正弦波，主频指振幅最大那个正弦波的频率；波长在一个周期内传播的距离称为波长；波数波长的倒数；声能密度指介质单位体积内的声波能量，包括动能和势能，动能与介质质点振动速度有关，势能与振幅有关；波长=声速×周期=声速/频率2.3.2声波的传播路径2.3.2.1声波的折射与反射当弹性波以临界角j入射到分层介质时，在地表能检测到三种传播路径不同纵波：(1)由声源直接传播来的直达波；(2)声波传播到交界层面时沿交界面行走一段的滑行波，再折射回上面岩层的折射波；(3)声波传到下面岩层上直接反射回来的反射波。2.3.2.2声波的绕射声波遇到障碍物时，如果障碍物反射系数很大，波将改变传播方向，绕过障碍物传播，产生绕射波。例如：入射波波前到达障碍物的边缘A点时，将形成新的波源并绕过障碍物继续向前传播。常用来探测岩体的裂隙。2.3.2.3声波的散射在岩体中传播的波，遇到不光滑的界面时，如果界面上的凹凸处的曲率半径和波长的相比很小，会发生波前的散射。波的散射特性，给声波探测带来干扰，是不利因素。可以利用散射特性来观察岩体内部结构的破碎程度。3声波探测设备及方法图1图2岩体声波探测系统由激发装置、换能器和声波仪组成。3.1声波激发方式3.1.1爆炸激发——用炸药作震源特点：（1）频率较低，约为10~100Hz；（2）能量较大，作用距离较远（3）可分辨性较差；（4）单次激发3.1.2锤击激发——使用8~10kg的铁锤，人工锤击岩体特点：（1）频率100~1000Hz；（2）作用距离几米到数十米；（3）分辨能力较爆炸震源强；（4）单次激发3.1.3电火花源激发——在空气或水中高压放电，产生振动特点：（1）频率较高，约1~300kHz；（2）瞬间放电功率达1000kw以上，形成冲击波，传播距离达几十米；（3）可分辨性较高；（4）单次激发3.1.4电声换能器激发——声波换能器利用压电逆效应制成一种电声之间的能量转换装置特点：（1）发射频率、脉冲长度（持续时间）可以控制；（2）可多次重复发射；（3）发射能量较小。3.2声波的接收传统的声波仪多使用压电型接收换能器，利用晶体压电效应将经岩体传播后的声波信号转换成电信号，做成接收声波探测器，接收的信号携带了岩体的物理力学及地质信息。3.3放大及数据采集当代国产性能好的声波检测仪，在将波形显示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间(即声时)自动加以判读，同时显示其数值。对接收到的波形、波幅、声时等可随时存入电脑硬盘，作为下一步的分析处理。上述声波信息可在专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介质作出评价。3.4被动式声波检测岩体中的声发射信号、滑坡体蠕动产生的摩擦声信号统称为“地声信号”。由于它没有声波发射系统，但接收是多通道的(三个以上)，故称之为被动式声波检测。另一个重要的不同点是：它需要计时系统，记录出现地声的时刻，同时需对地声脉冲信号的主频、波幅量化处理后存储记录，统计出地声事件出现的频度。它必须长时间连续工作，提供不间断的观测记录。地声监测是地质灾害的勘查手段之一，是研究地质灾害发展规律的重要手段。3.5岩体声波的检测方法应用声波探测岩体时，主要有下列五种工作方法：穿透法、反射法、折射波法、剖面法、钻孔探测法。3.5.1穿透法穿透法是将声波发射换能器和接收换能器放置在介质相对的两个表面上，根据穿透波的传播时间和波形的变化来判断介质的特性。穿透法灵敏度高，波形单纯、清晰，干扰较小，各类波形易于辨认，是一种使用较为广泛的方法；但是对换能器安装的相对准确性要求较高。通常用于厚度比较大、并且两个表面都能安放换能器的情况。3.5.2反射波法该方法是将声波发射换能器和接收换能器放置在介质同一表面上，发射换能器向介质内部发射声波，接收换能器接收来自介质内部分层、缺陷的反射波，测量反射波传播的时间和波形，来判断介质内部性质的方法。通常用于确定地层厚度、波速和缺陷、桩基完整性检测、混凝土厚度检测。3.5.3折射波法折射波法是将声波发射换能器和接收换能器放置在岩体同一表面上，发射换能器向岩体内部发射声波，接收换能器接收来自下伏