超声波探测实用教案

1、 我们常说的声波，就是在空气中传播(chunb)的弹性波。当其频率f在16Hz至20KHz的范围里，人的耳朵能够感知，属于声波。频率低于16Hz的叫次声波。而高于20KHz的叫超声波。实用超声波的频率范围f在 （几千万到几亿Hz)。工程勘察使用的地震波的频率f 在1010量级，天然地震的主频范围大约为0.110Hz 量级。若考虑声、超声波的速度相同，则超声波的波长远远小于声波的波长。 声、超声波工程探测，是通过探测超、声波在岩体内的传播(chunb)特征来研究岩体性质和完整性的一种物探方法。和工程地震勘探相类似，它也是以弹性波的理论为基础的。两者的主要区别在于震源使用的弹性波频率范围不同，声、

2、超声波探测所使用的信号频率范围大大高于地震波的频率，通常可达 ，因此有较高的分辨率。但另外一方面，由于声源激发的能量一般都较小，831010nn841010第1页/共32页第一页，共33页。，且岩石对于声波的吸收作用也较强烈，导致声波传播的距离较短，一般只适应在小范围内对岩体等地质对象进行较细致的研究。因为这种方法具有简便快速对岩石没有任何破坏作用的优点，目前已经成为工程与环境监测中不可缺少的手段之一。 岩体的声、超声波探测可以分成两种工作方法：第一是主动式，其二是被动式。什么是主动式测试方法？即测量的声波是由声波仪的发射系统或者使用锤击等人工声源激发的。被动式是指测量的声波是由于岩体遭受到自

3、然界或者其它作用力时，在变形或破坏过程中自身产生的。因此两种探测方法的应用(yngyng)范围也有所不同。 目前在工程勘察和工程与环境监测中，声波探测主要应用(yngyng)于以下各个方面：1、根据声速等声学参数的变化规律进行工程岩体的地质分类。2、根据声速随应力状态的变化，圈定开挖造成围岩松弛带，为确定合理的衬砌厚度和緢杆长度提供依据。第2页/共32页第二页，共33页。3、测定岩体和岩石试样(sh yn)的力学参数，E、等4、利用声速和声幅在岩体内的变化规律进行工程岩体边坡和地下硐室围岩稳定性的评价。5、探测断层、溶洞的位置和规模，张开裂隙的延伸方向及长度。6、研究岩体风化壳的分布。7、工程

4、灌浆后的质量检查。8、天然地震及地压等自然灾害的研究预报。 研究和解决上述问题，为工程项目及时而准确地提供设计工作所需的资料，对于缩短工期、降低造价、提高安全度都具有重要意义。7.1声、超声波探测原理 如前所述，声、超声波探测的原理和地震勘察基本一致，第3页/共32页第三页，共33页。都是以研究弹性波在岩土介质中的传播规律(gul)、特征为基础的。声、超声波在不同类型的介质中传播具有不同的特性。当岩土介质的成分、结构、密度等因素发生变化时，声波的传播速度、能量衰减以及频谱都将发生相应的变化，当超声、声波在传播过程中遇到不同分界面时，也会发生波的反射 、折射和绕射，也会产生转换波。和工程地震勘察

5、一样，当岩石介质和结构物的构成材料、均匀度、施工条件等内外因素基本一致时，声、超声波在其中的传播参数基本一致；而岩土介质和结构物中存在缺陷时，声、超声波在其中的传播过程就会发生绕射、折射、反射、能量的衰减等现象，使声时、声速、声幅、频率都产生变化。使用超声、声波仪器测量出声波在岩土介质中的传播速度、振幅衰减以及频谱等特征，就可以推断被测岩土层介质的结构和致密完整程度，并对其做出一定程度的评价。第4页/共32页第四页，共33页。 在测试过程中，人为控制仪器产生系列电脉冲信号，并把它加在发射换能器极板(j bn)上，激发出一定频率的声、超声波。这种声、超声波以各种波形在岩土介质和结构内部传播，并被

6、接受换能器接收，接受换能器将接收的超声波信号转换成电讯号返回给仪器，仪器显示出接收换能器所接受的穿过被测介质的超声信号，利用各种物理领域介质性质之间的关系，来确定被测的介质和结构的力学性质，了解他们的内部缺陷的大小。一）声、超声波的基本性质： 1、 声、超声波在各类岩石介质中的传播速度不同： 声、超声波探测一个最大特点是：声波在岩石中传播时，对岩石施加的作用力是非常小，作用时间也非常短，不影响和不破坏被测试岩石样本的性质。不同类型的岩石其弹性参数有差异，则速度方面的差异更为显著，下面给出一些岩石的特性参数表：第5页/共32页第五页，共33页。几种(j zhn)典型岩石的弹性模量和应力波速度 岩

7、石名称岩石名称g/cm9.810MPa 9.810MPa VP km/sVs km/s玄武岩玄武岩2.7699026800.30659303140 石膏石膏2.26360012700.33847902370 石灰岩石灰岩2.7724027600.31361303200 砂岩砂岩2.6163704900 板岩板岩2.74578021400.35258702800 煤煤1.401450560.29437002000第6页/共32页第六页，共33页。)1(2)21()1(2)21)(1(1ddddsddddpEVEV按照弹性波速度(sd)公式： 上两式可以表明，各种岩石弹性参数不同，声波在介质中传播

8、时，速度(sd)也不相同。主要是由、 、 的差异决定了速度(sd)的不同。波速差异，实质是弹性性质的差异。 2、声、超声波在分界面上的传播： 和地震波一样，声波在传播过程中如果遇到分界面，将发生反、透、折射、绕射，遵从斯涅尔定律，并可能出现转换波。 第7页/共32页第七页，共33页。 3、声、超声波在传播过程中能量的变化： 声、超声波在岩石中传播，其能量将不断损失，声波幅度要不断衰减，其原因有两个：（1）声、超声波能量的热损失： 声、超声波在岩石介质中传播的过程中，要与岩石发生摩擦，使声能转换成为热能，随传播距离不断加大，能量渐渐损失，声幅变小(bin xio)，可用下式表达：式中A-为距声源

9、L远处的声波振幅。 -为岩石对声波的吸收系数。不同岩石的吸收系数不同，例如LeAA0 岩 类 花岗岩玄武岩 灰 岩 砂 岩 页 岩 0.210.3840.414.040.361.77.072.320.68第8页/共32页第八页，共33页。 (2)分界面上，声波能量的再分配： 在声速度不同的分界面上，将按照界面声阻抗的不同，分配各种类型的声波。与地震波相同(xin tn)，界面对于声波也有反射、透射、折射系数：波）（波）透射系数）S)(1)(1P()(1)(1(22112221122222112221111222211VVVVRVVVVRVVVVK第9页/共32页第九页，共33页。二）声、超声波

10、的探测的基本原理： 使用声波仪，探测声波在岩土介质中的传播速度、声幅以及频谱特征，就可以完成声波的勘探工作。 例如(lr)，当对某岩体（或者硐）进行声波探测时，只要将发射点和接受点分别安放在岩体（或者硐）的不同地段，根据发射点和接受点之间的不同距离L，以及声波在岩体中传播的时间t ，既可由下式计算出声速：三）测量声、超声波的仪器声波仪 声波仪只要由发射系统和接收系统两大部分组成。发射系统包括信号发生器、功率放大、发射机和发射换能器。接收系统：接收机和接受换能器和用于控制、记录数据、处理数据的微机组成。 发射机是一种声源信号发射器，其主要部件是由振动器组成（声频、超声信号发生器），在微机的控制下

11、，按照需要产生tLV第10页/共32页第十页，共33页。一定频率的电脉冲信号，经功率放大后由发射换能器转换成声波，并向岩体辐射。 电声换能器是一种实现声能和电能转换的一种装置。见图6-10。其主要元件是压电晶体（一种天然和人工制造的晶体或者陶瓷）。压电晶体具有独特的压电效应，即将一定频率的经过功率放大的电脉冲加到发射换能器的压电晶体片上，晶片就会在其法线和径向方向产生机械振动，从而产生声波，并可以按照一定方向辐射。之后，在介质中传播。晶片的的机械振动与电脉冲是可逆的。接受换能器若接收到岩石介质传播过来的声波，压电晶体也将发生振动，则在其表面也产生一定频率的电脉冲，并把它们送到接收机。 根据测试

12、对象(duxing)和工作方式的不同，声换能器也有各种类型和不同式样，如喇叭式、增压式、弯曲式型，测井换能器和横波换能器等等。第11页/共32页第十一页，共33页。第12页/共32页第十二页，共33页。 接收机是将接受换能器接收到的电脉冲进行功率放大，并将声波波形显示在屏幕上。通过调整游标电位器，可以在数码显示器上显示声波的初至时间使用微机进行信号数字处理，比如进行频谱分析、滤波、功率谱计算。并可以通过打印机输出原始波形和成果图件。四）声波测试的各种方式： 岩体声波探测的现场工作，应该根据测试的环境、岩体和目的、要求，选择正确的测量方法合理的布置测网、确定各种测量工作参数。 测网的布置应该选择

13、在有代表性的地段，力求以最少的工作量解决较多的地质问题。测点或者测孔一般(ybn)布置在岩石均匀、表面光洁、无局部解理、裂隙的地方，以避免介质不均匀对声波的干扰。由于声波的纵波比较容易识别，因此当前的声波测试主要利用纵波的声波测试工作。在测试中，最常用的是直达波法（又叫直透法）、折射波法。声速测井也是最主要的工作方法，主要利用直达波和折射初至波。见图7-12所示：第13页/共32页第十三页，共33页。第14页/共32页第十四页，共33页。7.1声、超声波探测(tnc)应用一、岩体动弹模量的测定： 在工程地质在工作中，常常采用静力加压的方法测定岩石的弹性力学参量，这种方法又称静力法。所测得的参数

14、为静弹模量，如静杨氏模量Es、静泊松比s、静剪切模量s等等。静力法测得的弹性力学参量与基础荷载条件相近，但测试(csh)设备笨重、测试(csh)周期长，因此只能选择有代表性的少数地段进行测量。测试(csh)的数据只能反映岩体的局部变形特征，因而往往不能满足工程设计的数量要求。 动力法测试(csh)岩体的弹性力学参数，只要测得纵波速度VP、横波速度VS、岩石密度根据公式就可以计算Em、m 、m等，就可以使用公式计算各种模量：第15页/共32页第十五页，共33页。2222222222)(22)43(smspspmspspsmVGVVVVVVVVVE 应当指出的是，因为动力法是在瞬间加载情况下进行测

15、试的，且对岩体施加的应力较小，导致了动、静弹模量出现了差异。实际工作中，往往要进行一定(ydng)数量动、静弹模量的对比实验，才可能找出其中的对应规律。第16页/共32页第十六页，共33页。二、岩体的工程地质分类： 为了评估岩体质量，了解硐室及巷道围岩的稳定性，合理选择地下硐室和巷道的开挖方案。设计合理的支衬方案，都必须对岩体进行(jnxng)工程地质分类。大量的岩体力学实验表明，岩体的纵波速度与其抗压强度Re成近于正比的关系。因此，强度高（或者模量大的）岩体具有较高的声速。另一方面，岩体的成因、类型、结构面特征、风化程度等地质因素，直接影响着岩体的力学性质，而岩体的力学性质由于声波在岩体中的

16、传播规律有着密切的关系，这就是岩体声波测试之所以能够作为岩体分类的主要手段的物理前提。 目前对岩体进行(jnxng)工程地质分类的声学参数主要是纵波速度VP、杨氏模量E、完整系数KW、裂隙系数LS、风化系数、以及衰减系数等。现在分别加以简单介绍： 1）纵波速度VP： 一般来说，岩体新鲜、完整、坚硬、致密波速值就高，反之，岩体破碎、结构面多、风化严重，声速就低。第17页/共32页第十七页，共33页。第18页/共32页第十八页，共33页。第19页/共32页第十九页，共33页。用VP和Vs 以及它们的比值，划分岩土性质和岩体质量进行(jnxng)分类：（1）当VP/ Vs约等于 且Vp较高时（Vp2

17、000m/s），是未风化岩石。（2）当VP/ Vs约等于 时，Vp2000m/s) 只要是风化基岩、压实的砂、卵石层。（3）当VP/ Vs约等于 且VP 300m/s时为干砂、卵石填方。（4）当VP/ Vs较高（35）之间，且Vp300m/s，表示是经常处于水位以上粘性土。当VP1500m/s左右是， VP/ Vs较高，表示是水位以下软粘土 VS一般与物质的刚度有关，对于粘性土层由于饱和土的不可压缩性，是VP升高，而对于VS没有太大的影响。VP值，是工程地质岩体分类的最基本参数之一。坚硬的岩石VP5000m/s,而松散的岩石VP在15003000m/s.333第20页/共32页第二十页，共33

18、页。二）完整系数(xsh)KW、裂隙系数(xsh)LS：完整系数(xsh)KW是描述岩体完整情况的系数(xsh)，可以表示为：裂隙系数(xsh)LS是表征岩体裂隙发育程度的系数(xsh)，可以表示为：式中的VP石为无裂隙完整岩石的纵波速度，VP体为有裂隙的岩体的纵波速度。使用上面两个公式计算时，岩石试样和测点应在同一地段选取。使用上面两个公式计算时，岩石试样和测点应在同一地段选取根据完整系数(xsh)KW、裂隙系数(xsh)LS，可将岩体分为五个等级：见下表：2P2P2P石体石VVVLs2PV石体pwVK第21页/共32页第二十一页，共33页。第22页/共32页第二十二页，共33页。三）风化系

19、数： 风化系数是表示岩体风化程度的系数，根据(gnj)岩体波速随风化程度加重而减小的特点，可将其表示如下：新风新PPVVpV第23页/共32页第二十三页，共33页。第24页/共32页第二十四页，共33页。四）衰减系数： 声波在岩体中传播时，除了波速要发生变化外，振幅也要衰减。实验证明，声波在不连续(linx)的界面上通过，其能量衰减比较明显。因此衰减系数可以反映岩体节理裂隙的发育程度。可以表示为：式中Ai为固定增益时，参与比较各测试段的实测振幅值，Am为其中最大的振幅，单位为mm；为发生换能器到接收换能器的距离，单位cm。衰减系数的单位是cm-1。从式中可见，当Ai = Am时，相对的衰减系数

20、为零。表示该岩体质量较好。 Ai越小， 愈大就表明该测试岩体质量就愈差，衰减系数，不仅可以作为岩体进行分类的指标，而且还可以用于圈定工程爆破引起围岩破裂的影响范围。imAAln1第25页/共32页第二十五页，共33页。三、围岩应力松弛带的测定： 在硐室开挖前，岩体中应力处于平衡状态。开挖后，岩体的应力平衡状态被破坏，引起了应力的重新分布，导致硐室围岩的应力集中和释放。这种变化会随岩体的性状(xngzhung)、硐室形态、硐室直径大小、硐室在岩体中的位置而各异。如果在各向同性的岩体中开挖一个圆形隧硐，则在侧压系数等于1的条件下，由弹性理论计算可以表明，硐壁处的径向应力r 等于零，而切向应力t 可

21、以增大至岩体原始应力的2倍。 r 和t的分布见图4.4.2（a）。可见受影响的范围半径是硐室的半径的3倍。 由于岩体并非理想的弹性体，而且强度有限，因此当切向应力t在硐室处的增大程度超过岩体的极限强度，岩体就会进入塑性形变状态或发生破裂。于是引起了应力的下降，使隧硐附近的一定范围内出现比原始应力还要低的应力降低区；向岩体内部则形成大于原始应力的应力增高区。在第26页/共32页第二十六页，共33页。第27页/共32页第二十七页，共33页。向内过渡到某一深度才逐渐恢复到原来的应力状态。故在硐室周围岩石的应力分布曲线上出现一个峰值如（b）图。此外，由于施工等因素(yn s)的影响，也会使岩体的完整性

22、下降（爆破引起的爆破影响带），出现附加的应力松弛。上述两种原因引起岩体完整性的破坏和强度下降的总范围，就叫应力松弛带。或应力松动圈。确定松弛带的厚度是岩体稳定性评价及支衬设计的重要依据。 在硐室应力的下降区，岩体裂隙破碎，以至于声速减小振幅衰减较快。反之，在应力增高区，应力集中，声速增高，振幅衰减较慢。因此，利用声波速度随孔深的变化，可以确定应力松弛带的范围。 现场工作示意图图，垂直于硐壁布置若干口测孔，孔深是硐径半径的12倍，一个断面上的测孔应该选择在地质条件相同的方位，以较少资料解释的困难。为保证换能器与岩体耦合第28页/共32页第二十八页，共33页。良好，边墙测孔可以向下倾斜510度。拱顶处，因钻孔向上，应该采用止水设备。测试时可以采用单孔法（一发双收的初至折射波法），或两孔法（直透发