1、超聲波測(cè)量技術(shù),一.測(cè)量的意義 利用聲波在巖體內(nèi)傳播的特性，（波速、振幅、頻率、相位）研究巖體物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造特征及應(yīng)力狀態(tài) 超聲波 頻率高于20000Hz 目前巖體聲波量測(cè)技術(shù)主要可以解決下列問(wèn)題 1.巖體的工程地質(zhì)分類； 2.確定圍巖松動(dòng)圈的范圍，為合理設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度、噴 漿或襯砌厚度提供依據(jù)； 3.測(cè)定巖體物理力學(xué)參數(shù)，包括動(dòng)彈性模量、泊松 比、單軸抗壓強(qiáng)度及密度等； 4.工程注漿效果檢測(cè)；,5.煤柱、巖柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)； 6.混凝土探傷及強(qiáng)度檢測(cè)： 7.凍結(jié)法鑿井時(shí)，凍結(jié)壁厚度的檢測(cè)； 8.斷層、裂隙及溶洞等地質(zhì)異常的研究； 9.地應(yīng)力測(cè)試，沖擊地壓、煤與瓦斯的突發(fā)事件及地 震災(zāi)害的預(yù)報(bào)等

2、。 聲波量測(cè)法的實(shí)質(zhì) 在被測(cè)巖體中，利用聲波的傳播速度或振幅的衰減規(guī)律取得的數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算求出所需的力學(xué)參數(shù)。 巖體測(cè)量假設(shè) 巖體視為彈性體，承載信息的是彈性聲波。,二、無(wú)限彈性介質(zhì)中的波 1.縱波與橫波 根據(jù)固體彈性理論，在不考慮體力的情況下各向同性理想彈性介質(zhì)中的波動(dòng)方程為 (2.1) 式中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移向量； 介質(zhì)的彈性常數(shù)； 介質(zhì)的密度； 體應(yīng)變，可表示為位移向量的散度， 拉普拉斯算子,(2.1)式兩端分別取散度，利用算符及之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得,（2.2）,（2.3）,或,上式實(shí)際上描述的是一種脹縮狀態(tài)擾動(dòng)傳播的波動(dòng)方程式。（無(wú)旋波） 假定在巖體中取一點(diǎn)作為波的震源， 隨時(shí)間 的變化規(guī)

3、律為 （2.4） 式中 初始振幅； 角頻率。 振動(dòng)是由震源向四周傳播的，那么，距震源為r的點(diǎn)處的體應(yīng)變?yōu)?（2.5）,式中聲波在巖體介質(zhì)中的傳播速度。 式(2.5)分別對(duì)r和t求二階導(dǎo)數(shù)，得： 將(2.6）和（2.7)式代入(2.3)式得 上式表示體應(yīng)變 以 大小的速度在介質(zhì)中傳播，這就是彈性縱波(P波)。 對(duì)式（2.1）兩邊分別取旋度，可得,（2.6）,（2.7）,（2.8）,（2.9）,令 ，將上式整理得 表示彈性體在旋轉(zhuǎn)外力作用下介質(zhì)產(chǎn)生的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，可以看出上式描述的是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)擾動(dòng)傳播的波動(dòng)方程式。（無(wú)散波） 依照上述分析方法，得： 上式表示旋轉(zhuǎn)量w是以 的速度在介質(zhì)中傳播，橫波(S波)

4、。,（2.10）,（2.11）,已知體積壓縮模量 ，故 此式說(shuō)明，縱波不僅與K有關(guān)，也與G有關(guān)，即縱波傳播時(shí)，介質(zhì)不只是承受一個(gè)簡(jiǎn)單的壓縮，而承受的是壓縮和剪切的組合作用。 從彈性理論知道，拉梅常數(shù)、與彈性模量和泊松比有如下關(guān)系：,（2.12）,（2.13）,（2.14）,于是有,（2.15）,上式表明，固體介質(zhì)的vp和vs值的大小是由其彈性模量、泊松比及密度決定的。 相反，如果測(cè)量得出vp、值vs，并且知道密度時(shí)，即可算出固體介質(zhì)縱、橫波速度的大小。 根據(jù)公式（5.14）、（5.15），可得： 即巖體的 只與泊松比有關(guān)，而與密度和彈性模量無(wú)關(guān)。多數(shù)巖石的泊松比為0.25，故 以上討論得知，在

5、無(wú)限的彈性介質(zhì)中傳播的波，只有縱波和橫波兩種波。,（2.16）,（2.17）,縱波特性 不論波長(zhǎng)的大小和波形如何，在彈性巖體內(nèi)都以疏密發(fā)散的形式傳播，其速度為常數(shù)，速度的大小只與彈性常數(shù)和密度有關(guān)。 橫波特性 不論波長(zhǎng)大小和形狀如何，在彈性巖體中均以剪應(yīng)變的橫向位移形式向前和向后傳播，其速度為常數(shù)，它也是只與彈性常數(shù)和密度有關(guān)的常數(shù)。 這個(gè)結(jié)論是材料力學(xué)性質(zhì)的超聲技術(shù)測(cè)量主要理論基礎(chǔ)。,二.聲波量測(cè)應(yīng)用的參量 聲波穿過(guò)巖體時(shí)，有三個(gè)方面的參數(shù)將因巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，這些指標(biāo)可作為聲波探測(cè)巖體的參量。 (1)聲速 聲波在巖體中傳播的速度，包括縱波速度和橫波速度。 (2)聲幅

6、聲波的能量或強(qiáng)度大小，表現(xiàn)在觀測(cè)儀表上為聲波波形的振幅大小。 (3)頻譜 任何一個(gè)非正弦的振動(dòng)波，可以分解成不同振幅、不同頻率、不同相位的多個(gè)正弦波，這些不同頻率、不同振幅的正弦波構(gòu)成頻譜，振幅(能量)最大的頻率稱為主頻。,左圖為不同巖體的聲學(xué)特性 堅(jiān)硬、致密、完整的巖體，聲波的傳播速度較快，能量(振幅)衰減較小，頻譜成分變化也較小，因而總的波形變化不大（a）。,(a)完整巖體；(b)非完整巖體,軟弱、破碎巖體，聲速較低，聲幅衰減較大，頻譜中高頻成分被嚴(yán)重吸收，波形變化較大，表現(xiàn)為周期拉長(zhǎng)(b)。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中主要應(yīng)用縱波速度和橫波速度。研究與測(cè)試表明，這些參量與巖體穩(wěn)定的巖性、風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面

7、、所受應(yīng)力狀態(tài)等。,三、超聲波量測(cè)儀器 1.聲波換能器 壓電晶體電壓作用變形 壓電晶體受力作用電壓 壓電晶體既能發(fā)出聲波，還可以接收聲波，把接收的聲波，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，經(jīng)過(guò)聲波儀接收機(jī)放大并顯示出波形，可以測(cè)量聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，用以計(jì)算波速。由壓電晶體組成的聲波測(cè)量元件叫電聲換能器，包括作為振源的發(fā)射換能器和作為探測(cè)器的接收換能器。 利用壓電晶體的這種特性可以實(shí)現(xiàn)電聲之間的能量轉(zhuǎn)換。將聲波儀發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的脈沖電壓加到壓電晶體上，晶體便產(chǎn)生變形而振動(dòng)，成為振源。,2.聲波參數(shù)的測(cè)量 走時(shí)與旅程 測(cè)量聲波的走時(shí)，最為關(guān)鍵是波初至點(diǎn)的準(zhǔn)確位置的確定。 巖體聲波探測(cè)對(duì)儀器的要求 脈沖寬度； 輸出

8、電壓； 頻率； 阻抗匹配； 換能器的指向性； 耦合方式。 保證獲得正確的、清晰的聲波波形。,1）縱、橫波的識(shí)別 對(duì)實(shí)測(cè)記錄一般按以下波形特征區(qū)別縱波和橫波： 縱波比橫波波速大 記錄波形縱波在前，橫波在后； 縱波的振幅小于橫波的振幅； 縱波的周期小于橫波的周期； 橫波初至相位與縱波初至相位差180。 聲波儀上接收的波形 圖,實(shí)測(cè)波形的初至?xí)r間 . A發(fā)射波起始點(diǎn)：tpP波初至?xí)r刻； P縱波起跳點(diǎn)： tsS波初至?xí)r刻：S橫波起跳點(diǎn);l發(fā)射點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)間的距離,1)初至點(diǎn)的識(shí)別 經(jīng)過(guò)對(duì)接收波形的圖形處理之后，就要對(duì)各類波的初至?xí)r刻進(jìn)行識(shí)別。 縱波初至?xí)r刻的識(shí)別： 盡量增大放大器的增益，以便于識(shí)別波形的最

9、初起跳點(diǎn)； 在有高頻干擾時(shí)，可用高頻包絡(luò)線的中線與基線的分離點(diǎn)作為初至?xí)r刻； 當(dāng)初至起跳點(diǎn)不明顯或反相時(shí)，則需根據(jù)波速及波形特點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)轉(zhuǎn)換傳感器的耦合條件和傾斜方向，力爭(zhēng)使各測(cè)點(diǎn)初動(dòng)方向一致。,2)橫波初至?xí)r刻的識(shí)別： 橫波比縱波慢，?；煜诶m(xù)至波區(qū)域內(nèi)，比較難于識(shí)別。 盡量減小增益，壓縮P波振幅使其盡量與基線重合，突出S波； 再加大增益，根據(jù)S波周期和相位與P波不同的特點(diǎn)，仔細(xì)判定橫波的起跳點(diǎn)； 另外也可以由縱、橫波速度之比以及理論時(shí)間距離曲線法，查找初至?xí)r刻。,3)波速的計(jì)算 測(cè)得縱、橫波的旅行時(shí)間和后，根據(jù)收、發(fā)測(cè)點(diǎn)間的距離， 即可計(jì)算縱、橫波速和：,（2.19）,（2.18）,

10、2.現(xiàn)場(chǎng)巖體聲波探測(cè)方法 1）雙孔孔間穿透測(cè)量 （1）同步觀測(cè)法。 孔間距約5l0m， 增壓式換能器或圓管式換能器， 兩孔換能器同步移動(dòng) 用水做耦合劑。,（2）CT(Computer Tomography)觀測(cè)方法。 發(fā)射與接收也是兩個(gè)平行孔，該觀測(cè)方法在一個(gè)深度發(fā)射，另一孔中不同深度多點(diǎn)呈扇形接收，然后。不斷移動(dòng)發(fā)射點(diǎn)，接收段按一定規(guī)律移動(dòng)。,一個(gè)孔發(fā)射完后，發(fā)射與接收互換，重復(fù)進(jìn)行。 接收點(diǎn)的多少和觀測(cè)次數(shù)依探測(cè)精度要求而定。 依據(jù)聲波走時(shí)對(duì)孔間聲速進(jìn)行層析成像反演，得到孔間聲速分布圖。 根據(jù)聲速分布圖進(jìn)行巖體巖性變化、裂隙發(fā)育狀況、巖體破碎狀況以及注漿效果等的評(píng)價(jià)。 CT觀測(cè)方法精度高，

11、效果好，但是工作量大，成本很高。,2）單孔聲波測(cè)量 水做耦合劑； 圓管式一發(fā)雙收換能器； 確定圍巖松動(dòng)圈； 進(jìn)行巖體分級(jí)； 求取巖體力學(xué)參數(shù)。 單孔聲波測(cè)試對(duì)垂直于孔軸方向的結(jié)構(gòu)弱面比較敏感，采用一發(fā)雙收換能器的目的是除去聲波在耦合水中的走時(shí)，此時(shí)計(jì)算聲速的公式為：,（2.20）,3）環(huán)形聲波測(cè)量 沿圓周上8個(gè)以上測(cè)點(diǎn) 在巖體表面上用夾心式換能器； 或在鉆孔內(nèi)用圓管式換能器； 測(cè)取對(duì)徑各個(gè)方向的聲波速度。 確定巖體最大主應(yīng)力方向 因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)巖體波 速隨應(yīng)力的增大而升高。,4）巖柱對(duì)穿測(cè)量 在巖柱相對(duì)兩壁面上，用錘擊方式或夾心式換能器激發(fā)聲波，用夾心式或彎曲式換能器接收，也可在任意兩點(diǎn)間對(duì)

12、穿，如圖。測(cè)量直達(dá)波的走時(shí)，計(jì)算波速，此法可以快速、經(jīng)濟(jì)地測(cè)試巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況，用于巖柱穩(wěn)定性分區(qū)，但要準(zhǔn)確地測(cè)量發(fā)射與接收點(diǎn)的間距還是比較困難的。,5）巖面平面測(cè)量 在巖面上，用夾心式(喇叭式)換能器或錘擊方式激發(fā)聲波，接收點(diǎn)用夾心式或單片彎曲式換能器進(jìn)行接收，測(cè)取聲波從發(fā)射換能器T到接收換能器R的旅行時(shí)或錘擊聲波經(jīng)過(guò)第一接收換能器到第二接收換能器的時(shí)差，計(jì)算直達(dá)波的速度 此方法主要用于快速確定巖體淺部結(jié)構(gòu)狀況，對(duì)垂直巖面的結(jié)構(gòu)弱面比較敏感。,3.室內(nèi)巖石試件測(cè)試 1)承壓測(cè)量 將承壓式換能器連同試件一起放到壓力機(jī)上，在進(jìn)行軸向加載的同時(shí)，測(cè)取縱、橫波速度。 承壓測(cè)試方法的主要用途為： （

13、1）研究聲速與應(yīng)力的關(guān)系； （2）測(cè)聲速同時(shí)，進(jìn)行靜彈性模量的測(cè)試(貼應(yīng)變片)，研究聲速與靜彈性模量之間的關(guān)系； （3）測(cè)聲速同時(shí)，將巖塊壓碎，測(cè)抗壓強(qiáng)度，研究聲速與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。,2）非承壓測(cè)試 將巖塊加工成圓柱狀或方柱狀試件，用非承壓縱、橫波試件換能器，分別測(cè)取縱、橫波走時(shí)，然后據(jù)試件長(zhǎng)度計(jì)算聲速，縱波測(cè)試多用黃油做耦合劑；橫波測(cè)試需用粘結(jié)劑將換能器固結(jié)在試件上，并且在測(cè)試完畢后又能設(shè)法取下。 非承壓試件測(cè)試主要用于確定巖石的動(dòng)彈性參數(shù)。,四、聲波探測(cè)的應(yīng)用 1.巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)定 巖體(石)動(dòng)彈性參數(shù)測(cè)定 在現(xiàn)場(chǎng)，通常利用平面測(cè)試或孔內(nèi)測(cè)試來(lái)測(cè)定巖體縱、橫波速度，并按照下列兩式計(jì)算巖體的動(dòng)彈性模量及動(dòng)泊松比,（2.22）,（2.21）,2）巖體靜彈性模量的測(cè)算 間接測(cè)試方法： 通過(guò)室內(nèi)巖石動(dòng)、靜彈性模量和現(xiàn)場(chǎng)巖體動(dòng)彈性模量，換算出現(xiàn)場(chǎng)巖體靜彈性模量的方法。 大量實(shí)測(cè)資料可知，巖體與巖石試件的動(dòng)彈性模量之比 ，同巖體與巖石試件的靜彈性模量 之比存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。只要測(cè)得室內(nèi)巖石試件的動(dòng)、靜彈性模量，再測(cè)得所取巖石樣本之處現(xiàn)場(chǎng)巖體的動(dòng)彈性模量，根據(jù) 與 關(guān)系的統(tǒng)計(jì)曲線可以求出巖體的靜彈性模量。,3）巖體準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的測(cè)算 現(xiàn)場(chǎng)巖體抗