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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

0.5－5.0

1－50

跨孔检测岩体溶洞、软弱结构面

电火花震源

0.5－8.0

1－50

岩体松动范围、风化壳划分评价

超声换能器

20－50

0.5－10

岩体灌浆补强效果检测

超声换能器

20－50

1－10

岩体动弹性力学参数、横波测试

换能器/锤击

20－50/0.5-5

0.5－10/1-50

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

100－1000

0.01－0.15

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

20-50/0.5-5

0.5－10/1-50

2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λ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）λ，此时的介质可认为是无限体。

无限体纵波的声波传播速度：

（1）

无限体横波的声波传播速度：

（2）

式中　Ｅ――弹性模量（Pa）

Ｇ――剪切模量（Pa）

μ――泊松比（无量纲）

ρ――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：

式中　λ――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:

（3）

显然，VB与无限体的纵波声速相差

，当μ=0.2～0.25，

（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＜λ时，二维板在X及Y方向的声速如下：

（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Vpr>Vpm），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-φ），及孔内所充填的介质（φ）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，φ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

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=Asin2πf（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λ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

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。

图3穿透法

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岩层的折射波，测量折射波传播的时间和波形，来判断介质内部性质的方法。

在采用该方法时，下伏岩土层的波速大于覆盖层的波速，发射换能器和接收换能器的距离应大于盲区。

多应用于确定地层厚度、岩层波速等。

3.5.4剖面法

剖面法又称沿面法，它把发射换能器和接收换能器布置在同一表面上，测量表面直达波传播时间和波形，来判断介质表层性质的方法。

主要用于判断介质的岩体浅部缺陷和材料的性能。

3.5.5钻孔探测法

钻孔探测法是把发射换能器和接收换能器布置在钻孔中，测量孔壁折射波或孔间透射波传播时间和波形，探测岩体特征随孔深变化的方法。

分为单孔测井法和双孔穿透法。

单孔测井是发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔，测量折射波；双孔穿透法发射换能器和接收换能器分别放入两个钻孔，测量透射波。

4声波测试技术在工程中的应用

4.1围岩松动圈的测定

围岩“松动圈”是隧洞设计和评价围岩稳定性的重要参数之一。

声波速度是反映岩体变化状态的综合定量指标。

因此，声波速度变化大小，反映了岩体裂隙压密程度及受力状态，这就为测定围岩松动圈的大小或范围提供了理论依据。

洞室开挖以后，洞壁附近岩体会产生新的裂隙，原有裂隙伸长、扩展，原岩应力受到了扰动，表现为应力降低，相应的波速也出现低值，形成具有低波速量值的应力下降带；往内由于岩体应力重分布，产生应力集中，裂隙压密，也出现相应波速增高区，形成具有高波速量值的应力集中带；再往深处，岩体未受到扰动，波速值基本不变，称原始应力（原岩）区。

硐室围岩松动圈范围，可采用岩体声波方法进行测试，并确定围岩松动圈的厚度和形状。

硐室围岩松动圈的测试可选择有代表性的地质单元，布置相距2-3m的两个观测断面，并在断面的拱顶、拱角、侧壁等部位，分别布置孔间距离为0.5-1m的平行孔，孔深一般为1-2倍硐径。

分别在每组钻孔中测量声波速度随深度的变化。

绘制Vp-L曲线。

就可得出整个断面的“松动圈”范围。

从国内外大量实测结果来看，Vp-L曲线有以下几种形式：

第一种形式图为Vp值沿孔深增加基本保持不变，岩体松动带不明显，说明原岩受洞室开挖和爆破的影响较小。

第二种形式为靠近洞壁表面一定范围内，Vp值比岩体的原始值低，以后Vp值随着孔深的增加而逐渐上升至岩体的原始值，表明在靠近硐壁附近存在松动带。

第三种形式为靠近洞壁表面一定范围内，岩体的Vp值低于岩体原始值，Vp值沿孔深逐渐增加，超过原始值Vp后直到有一峰值。

以后，当孔深再增加时，Vp值开始下降，最终恢复到原始Vp值。

说明靠近洞壁处存在松动带，同时在松动带以后还存在应力集中带。

引滦八一林隧洞的声波测试实例：

该隧洞为无压输水隧洞，设计开挖断面为跨度9m，高7.9m直墙圆拱型。

隧洞穿越中厚层、厚层震旦纪白云质灰岩。

隧洞采用光面爆破全断面分段开挖及时喷锚支护的施工方法。

声波测试布置了二个平行测量断面，相距1m，每个断面4孔，孔深8-9m，进行声波测试。

主要成果如下：

①所有的VP-L曲线基本都符合坚硬完整均匀岩体的规律。

②声波测试与围岩变形测得的结果基本一致。

松弛圈的厚度一般在0.9-1.10m，平均为1m，而后波速逐渐增高进入2m左右形成承载圈后趋于稳定，达到未开挖前原始的波速。

③根据围岩松弛圈及承载圈的大小认定围岩基本稳定。

采用3m长锚杆、钢筋网喷混凝土支护。

4.2大坝基础灌浆效果检测

由于声波测试是一种快捷简便的非破坏性检测方法，因此在水电工程大坝帷幕灌浆和固结灌浆效果检查、坝基建基面合理确定、坝基不稳定岩体范围的划定等方面，在国内外得到广泛应用。

该方法根据施工设计对基础的要求，布置灌浆孔以及灌浆效果检测孔。

利用灌浆检测孔或灌浆孔（单、双孔、孔深、孔距应满足施工设计和测试精度要求），测量灌浆前后声波速度Vp变化，直接为设计施工提供依据。

鲁布革电站大坝帷幕灌浆，根据防渗设计要求，灌浆后单位吸水率ω≤0.05Lmin·m·m，裂隙系数

，岩体的平均波速值大于3950m/s。

灌浆前后岩体声波测试结果证实，大坝帷幕灌浆达到了设计的要求。

4.3岩体动静弹模关系

岩体动静对比的研究，上世纪70年代以后，国内外开展得甚为活跃，结合工程实际总结出许多颇有价值的经验公式。

据不完全统计，现已建立动静弹模相关性的经验公式几十种。

由于地质条件和岩性的不同，测试方法和仪器设备又不统一，各种经验公式在推广应用上有很大的局限性。

根据国内外多数研究表明：

对于坚硬完整致密的岩石，Ed/Es比值大约为1-5倍。

而软岩破碎疏松的岩石Ed/Es比值大约为5-20之间。

由于岩体大多受结构节理裂隙控制，因此要找一个统一的动静弹模对比公式是不可能的。

因此，在条件许可时，宜针对具体工程进行一定数量的动静对比测试，从而找出该工程代表性岩体的相关规律。

4.4大坝建基面验收

随着水利水电建设的发展，坝基及边坡岩体质量控制和开挖验收工作，已从过去单纯的宏观地质描述向与地质因素、工程力学性质有关的快速检测定量描述综合评价的方向发展。

清江隔河岩水电站采用地震折射剖面法为主、坝基平面网络波速分布与适量的声波钻孔抽检相结合为辅的方法，将声波快速检测技术运用到坝基验收取得了成功的经验。

在清江隔河岩坝基验收中，采用了声波测试技术对整个基岩面作出了定量评价。

在坝块基岩面沿平行、垂直坝轴方向，按5m×5m方格网络布置测线，作一点锤击多点接收的声波折射波法测试，在重点部位则采用相遇方法进行锤击试验和声波测井。

建基面声波检测要点如下：

①布置5-7m见方的X、Y向网络，根据缺陷及构造面适当调整地震测线，长度以30-60m；

②通过地震剖面测试提供松弛带可能厚度及网格节点间试段波速测值；

③反演各网络单元中心点的波速，绘制坝基波速分布示意图；

④在波速及松弛厚度异常点适当增加声波钻孔抽检测量，并对地震剖面提供的松弛厚度进行复检论证。

根据上千条测线的声波测试成果，将建基面划分为3大类：

1）纵波波速Vp大于4800m/s，约占建基面总面积的14%，其岩体为新鲜或微风化状，岩体完整性系数K大于0.76，动弹模约45GPa，静弹模为19GPa；

2）纵波波速为4000-4800m/s，约占建基面总面积的43%，岩体一般呈微风化或弱风化状态，完整性系数K为0.51-0.76，动弹模为30-45Gpa，静弹模为8-19Gpa；

3）纵波速度Vp为3000-4000m/s，占建基面的43%，岩体完整性系数小于0.51，动弹模小于30GPa，静弹模低于8GPa，岩体多呈弱风化状。

从整个建基面岩体质量分布看，右岸坝块较左岸坝块发育好，上坝块较下坝块好，这与地质构造的发育情况相符合。

声波测试成果表明，建基面低波速层厚度为0.6-1.8m，平均为1.2m。

4.5工程施工质量检查

现代施工多系混凝土构成，混凝土强度检测是工程施工质量检测的关键之一。

影响混凝土质量的诸多因素多与混凝土的声波速度有关。

对于每种混凝土Vp速度的相对数值经常是表示其强度的一种重要指标。

我们可以通过混凝土构件及浇铸体声测参数的变化来判定其质量如何。

在实际工作中，我们把Vp>4.5km/s称为质量优等，把Vp=4.5-4.0km/s的称为质量好，把Vp=4.0-3.3km/s称为质量较好，而把Vp=3.3-2.3km/s的称为质量不好。

声波测试在施工质检的另一个应用是灌浆检查。

在水利水电及某些大型隧洞的施工中，由于基础岩体存在节理裂隙或断层破碎带，强度达不到设计要求，要进入灌浆以人工方式加强其强度，以防渗漏、坍塌但灌浆前后岩体强度提高多少一般可以通过Vp速度反映出来。

在工作中我们主要采用单孔法、双孔法。

有时配合钻孔电视在太平湾电站廓道灌浆检查中一共做了十个坝段共计58个钻孔的灌浆检查，其中约75%的钻孔的纵波速度有所提高，提高幅度为5~20%。

但有25%的钻孔纵波速度没有提高甚至降不氏对此我们认为:

（a）声波测试能够明显地反映岩体灌浆后强度的提高，这是勿庸置疑的；

（b）某些岩体，在灌浆压力作用下微节理张开，灌浆未能深入，强度变弱，至使波速有所下降。

5结论

声波测试技术在及时提供地质物理力学参数及解决工程地质和施工等问题确能发挥重要作用。

所提供的物理力学参数是可靠的，方法简便易行，测试面广，测试周期短，提供参数多，并能提供信息指导施工。

在实际应用中发挥着越来越重要的作用。

参考文献：

[1]刘晶海.声波测试技术在工程地质中的应用[J].吉林地质，1997

（1）.

[2]同济大学声学研究室编.超声工业测量技术[M].上海：

上海人民出版社，1977.9.

[3].中国科学院地质研究所编.岩体工程地质力学问题[M].北京：

科学出版社，1984.