岩体超声检测技术

1、岩体超声波检测技术岩体超声波检测技术岩体超声检测技术岩体超声检测技术概念概念 超声波检测：超声波检测： 超声波测试技术是以超声波测试技术是以人工激振人工激振的的方式向介质方式向介质( (岩石、岩体、混凝土等岩石、岩体、混凝土等) )发射超声波，发射超声波，在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的超在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的超声波，通过观测和分析超声波在不同介质中的声波，通过观测和分析超声波在不同介质中的波波速、波幅、波形速、波幅、波形等声学参数，来了解岩体材料的等声学参数，来了解岩体材料的物理力学特性、结构特征和风化程度等。物理力学特性、结构特征和风化程度等。 岩体超声检测技术岩

2、体超声检测技术原理原理原理：原理：通过测定超声波在岩体中的通过测定超声波在岩体中的传播情况（波速、声时值、波形、传播情况（波速、声时值、波形、波幅等）来推定岩体材料的结构特波幅等）来推定岩体材料的结构特征征 岩体结构密实，声速传播快；岩体结构密实，声速传播快； 岩体结构不密实，声速传播慢。岩体结构不密实，声速传播慢。 声波按其频率分为次声波、可闻声波、超声声波按其频率分为次声波、可闻声波、超声波和特超声波四类。波和特超声波四类。岩体超声检测技术岩体超声检测技术什么是超声波？什么是超声波？次声波的频率在次声波的频率在20 Hz以下，人耳听不到，但对人体伤害极大以下，人耳听不到，但对人体伤害极大可

3、闻声波的频率在可闻声波的频率在20 Hz 20 KHz之间之间 ，人耳可以听到，人耳可以听到超声波的频率在超声波的频率在20 KHz 1000 MHz，人耳听不到，人耳听不到特超声波的频率在特超声波的频率在1000 MHz以上，人耳听不到以上，人耳听不到 在声波无损检测中，超声波检测用途最广。主要因为超在声波无损检测中，超声波检测用途最广。主要因为超声波具有以下特性：声波具有以下特性： 束射特性束射特性 超声波频率高、波长短，声束指向较好，可以使超声能超声波频率高、波长短，声束指向较好，可以使超声能量向一个确定的方向集中辐射，便于缺陷定位；量向一个确定的方向集中辐射，便于缺陷定位； 反射特性反

4、射特性 超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质射、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质的声学特性决定，利用超声波这一性质，可确定构件中的声学特性决定，利用超声波这一性质，可确定构件中缺陷的有无及其性质。缺陷的有无及其性质。岩体超声检测技术岩体超声检测技术为什么用超声波做为什么用超声波做检测？检测？ 传播特性传播特性 超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，穿透能力强，使得超声检测具有很大的可检测范围。穿透能

5、力强，使得超声检测具有很大的可检测范围。 波型转换特性波型转换特性 超声波在异质界面上容易实现波型转换，构件检测中所需要的各种超声波在异质界面上容易实现波型转换，构件检测中所需要的各种波型（包括纵波、横波、板、表面波等）都可以通过压电晶片形成的波型（包括纵波、横波、板、表面波等）都可以通过压电晶片形成的纵波产生。纵波产生。岩体超声检测技术岩体超声检测技术 按介质质点的振动方向与波的传播方向间的关系，可将超声波分为按介质质点的振动方向与波的传播方向间的关系，可将超声波分为不同的类型：不同的类型：岩体超声检测技术岩体超声检测技术（1）纵波）纵波L（压缩波、疏密波）：（压缩波、疏密波）： 介质质点振

6、动方向与波的传播方向平行的波。介质质点振动方向与波的传播方向平行的波。波动传播方向质点振动方向纵波可在任何弹性介质（固体、液体和气体）中传播纵波可在任何弹性介质（固体、液体和气体）中传播岩体超声检测技术岩体超声检测技术（2）横波）横波S或或T（剪切波）：（剪切波）： 介质质点振动方向与波传播方向相互垂直的波。介质质点振动方向与波传播方向相互垂直的波。波动传播方向质点振动方向横波只能在固体介质中传播横波只能在固体介质中传播岩体超声检测技术岩体超声检测技术（3）表面波）表面波R（瑞利波）：（瑞利波）： 固体介质（如岩石）表面在交替变化的应力作用下，质点固体介质（如岩石）表面在交替变化的应力作用下，

7、质点产生纵横复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在距固体介产生纵横复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在距固体介质表面很小的范围内进行，故称表面波。质表面很小的范围内进行，故称表面波。 表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆的表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。波动传播方向 （a）某质点在一周期内的位移末端轨迹（b）某一时刻不同质点在的振动位移yxz空气岩石表面波只能在固体介质中传播，且只能在固体表面传播。质点振动幅度随表面波只能在固体介质中传播，且只能在固体

8、表面传播。质点振动幅度随深度的增加迅速减小，可认为仅存于固体介质表面二倍波长深度之内。深度的增加迅速减小，可认为仅存于固体介质表面二倍波长深度之内。岩体超声检测技术岩体超声检测技术（4）板波：）板波： 在板状且厚度与波长相当的弹性固体中，传播的声波是有别于表在板状且厚度与波长相当的弹性固体中，传播的声波是有别于表面波的另外类型的波，称板波。主要用于探测薄板状构件内的缺陷。面波的另外类型的波，称板波。主要用于探测薄板状构件内的缺陷。岩体超声检测技术岩体超声检测技术波速波速波速波速V(m/s)V(m/s)：岩体检测中最常用的参数岩体检测中最常用的参数 材料的材料的弹性弹性性质性质 材料的材料的结构

9、结构特性特性岩体超声检测技术岩体超声检测技术波速波速1.1.波速与材料的弹性性质波速与材料的弹性性质纵波波速纵波波速VpVpa.a.一维（细棒）：一维（细棒）： VpVp1 1= =b.b.二维（薄板）二维（薄板）: Vp: Vp2 2= =c.c.三维（无限大介质）三维（无限大介质） VpVp2 2= =E)1(2E)21)(1()1(E以下所提到的波速均为波在固体以下所提到的波速均为波在固体中传播的速度！中传播的速度！岩体超声检测技术岩体超声检测技术波速波速横波波速横波波速VsVs 无限大介质无限大介质:Vs= =:Vs= =表面波波速表面波波速VrVr 表面波波速与表面曲率有关，平表面的

10、表面波波速如下式，表面波波速与表面曲率有关，平表面的表面波波速如下式，凸表面的凸表面的表面波波速高于此值，凹表面的表面波波速低于此值。表面波波速高于此值，凹表面的表面波波速低于此值。平表面：平表面： Vr=Vr=G)1 (2E)1 (2112. 187. 0E在固体介质中，纵波、横波和表面波的波速有如下关系：在固体介质中，纵波、横波和表面波的波速有如下关系： VpVsVr岩体超声检测技术岩体超声检测技术波速波速2.2.波速与材料的结构特性波速与材料的结构特性 材料的尺寸材料的尺寸 材料的组成成分材料的组成成分 空隙率空隙率 缺陷缺陷岩体超声检测技术岩体超声检测技术声压声压声压（声压（PaPa）

11、：）：超声场中的某一点在某一超声场中的某一点在某一瞬间，因超声波引起的压强。瞬间，因超声波引起的压强。m= ds dxF=p ds由动量定理：由动量定理：F dt =m Va p ds dt= ds dx Vap= dx/dt Va= V VaVa为体积元的振动速度，当体积元很小时，即为为体积元的振动速度，当体积元很小时，即为质点振动速度质点振动速度。岩体超声检测技术岩体超声检测技术超声波的指向性超声波的指向性 声波为一点源时，声波从声源向四声波为一点源时，声波从声源向四面八方辐射。如果声源的尺寸比波长大面八方辐射。如果声源的尺寸比波长大时，则声波从声源集中成一波速，以某时，则声波从声源集中成

12、一波速，以某一角度扩散出去，形成一角度扩散出去，形成主瓣主瓣和和副瓣声束副瓣声束，如图所示。如图所示。 声波的能量主要集中在主瓣声束内，声波的能量主要集中在主瓣声束内，这种声束集中向一个方向辐射的性质就这种声束集中向一个方向辐射的性质就是是声波的指向性声波的指向性。 声场的指向性好坏常用声场的指向性好坏常用指向角指向角（扩（扩散角）散角）0 0衡量，其值为：衡量，其值为：岩体超声检测技术岩体超声检测技术超声波的指向性超声波的指向性D0sin式中：式中：介质中的超声波波长；介质中的超声波波长； D D声源尺寸，对圆声源为其直径，对方声源为其边长；声源尺寸，对圆声源为其直径，对方声源为其边长； 与

13、晶片形状有关的参数，对圆声源与晶片形状有关的参数，对圆声源=1.22=1.22，对方声源，对方声源 =1.0=1.0。 一般而言，希望一般而言，希望0 0值尽量小，因为其值越小指向性越好，可以提值尽量小，因为其值越小指向性越好，可以提高对缺陷的检测灵敏度和定位精度；但在探测形状复杂的工作时，希高对缺陷的检测灵敏度和定位精度；但在探测形状复杂的工作时，希望其值大一些，以便利用扩散声束探测某一区域的缺陷。望其值大一些，以便利用扩散声束探测某一区域的缺陷。岩体超声检测技术岩体超声检测技术介质的声阻抗介质的声阻抗声阻抗声阻抗 Z Z（N N s/ms/m3 3）：）：介质中某一质点的介质中某一质点的声

14、压与该处声压与该处质点的振动速度质点的振动速度之比。之比。 Z = p / VZ = p / Va a 声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗越大，质点的振动就越小。当超声波由一种介质传入声阻抗越大，质点的振动就越小。当超声波由一种介质传入另一种介质，或是从介质的界面上反射时，其另一种介质，或是从介质的界面上反射时，其各种行为（如各种行为（如反射、折射等）主要取决于这两种介质的声阻抗反射、折射等）主要取决于这两种介质的声阻抗。气体、液体与固体之间的特性声阻抗之比接近于气体、液体与固体之间的特性声阻抗之比接近于1:3000:80

15、00岩体超声检测技术岩体超声检测技术超声波的衰减超声波的衰减 超声波在介质中传播时，其能量随传播距离的增加而逐渐减弱，这种超声波在介质中传播时，其能量随传播距离的增加而逐渐减弱，这种现象为超声波的衰减。现象为超声波的衰减。 引起超声波衰减的原因很多，主要包括引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减扩散衰减、散射衰减散射衰减和和吸收吸收衰减衰减。 （1）扩散衰减）扩散衰减 扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，而扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介与传播介质无关质无关，并遵从如下衰减规律：，并遵从如下衰减规律： 平面波：不衰减；球面波：平面波：不衰减；球面波：Px1/x (2)散射衰减

16、散射衰减 散射是指超声波在传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面散射是指超声波在传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面时产生反射、折射和波型转换现象。时产生反射、折射和波型转换现象。 导致散射衰减的主要原因是检测对象本身的特性，如混凝土的不均导致散射衰减的主要原因是检测对象本身的特性，如混凝土的不均匀性，岩体的破碎程度、风化程度及结构面等。匀性，岩体的破碎程度、风化程度及结构面等。 散射衰减可表示为频率的函数：散射衰减可表示为频率的函数： 4211fcfb岩体超声检测技术岩体超声检测技术超声波的衰减超声波的衰减 (3)吸收衰减吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和超声波在介质中传播时

17、，由于介质质点间的内摩擦和热传导引起的衰减称为吸收衰减，又称粘滞衰减。热传导引起的衰减称为吸收衰减，又称粘滞衰减。 吸收衰减可表示为频率的函数：吸收衰减可表示为频率的函数： 对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减几乎可以忽略不计；而对对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减几乎可以忽略不计；而对于液体介质，吸收衰减则是主要的。于液体介质，吸收衰减则是主要的。 需要注意的是，需要注意的是，超声波检测中所谓的衰减仅指介质对声波的衰减作超声波检测中所谓的衰减仅指介质对声波的衰减作用，即与介质有关的、表征介质声学特性的衰减，用，即与介质有关的、表征介质声学特性的衰减，包括吸收衰减和散射包括吸收衰减和散射衰减

18、，而不包括扩散衰减。衰减，而不包括扩散衰减。 超声波的衰减表示为频率的函数为：超声波的衰减表示为频率的函数为：超声波的衰减与超声波频率密切相关，频率越高，衰减越大。超声波的衰减与超声波频率密切相关，频率越高，衰减越大。212fbfa4221fcfbfa 具有不同强度的岩体中超声波的传播行为有所不同，具有不同强度的岩体中超声波的传播行为有所不同，同一岩体结构中强度不相同的区域中超声波的传播行为同一岩体结构中强度不相同的区域中超声波的传播行为也不相同。根据超声波的传播特性来分析岩体的强度，也不相同。根据超声波的传播特性来分析岩体的强度，为分析整体结构的强度提供重要的信息。为分析整体结构的强度提供重

19、要的信息。 岩体是一种岩体是一种弹弹- -塑性体塑性体，其弹性性能和塑性性能都，其弹性性能和塑性性能都会影响超声波的传播，同时，岩体是结构体和结构面得会影响超声波的传播，同时，岩体是结构体和结构面得结合体，岩体内各种结构面、空洞、破碎带等地质上的结合体，岩体内各种结构面、空洞、破碎带等地质上的不连续面特别明显地改变超声波的传播过程和引起超声不连续面特别明显地改变超声波的传播过程和引起超声波能量衰减。波能量衰减。岩体超声检测技术岩体超声检测技术岩体特性与岩体中超声岩体特性与岩体中超声波传播特性关系？波传播特性关系？ （1 1）岩体结构面的影响）岩体结构面的影响 超声波在传播过程中遇到结构面（节理

20、、裂隙、劈理、片理、断裂超声波在传播过程中遇到结构面（节理、裂隙、劈理、片理、断裂等）将发生波的反射、折射和散射等。超声波出现传播速度减低、振幅等）将发生波的反射、折射和散射等。超声波出现传播速度减低、振幅强度的显著降低。强度的显著降低。岩体超声检测技术岩体超声检测技术 （2 2）岩体空洞的影响）岩体空洞的影响 超声破在传播过程中遇到空洞时将发射波的绕射，出现速度降低现超声破在传播过程中遇到空洞时将发射波的绕射，出现速度降低现象，同时，随空洞中充填物质的不同出现不同的波幅衰减。象，同时，随空洞中充填物质的不同出现不同的波幅衰减。 （3 3）岩体风化程度）岩体风化程度 新鲜完整的岩体波速较高，风

21、化岩体波速较低，风化越严重波速就新鲜完整的岩体波速较高，风化岩体波速较低，风化越严重波速就越低。可以利用波速来估计岩体的风化程度，可参照一下公式：越低。可以利用波速来估计岩体的风化程度，可参照一下公式： K Kw w = =（V V0 0-V-V）/V/V0 0 K Kw w 风化系数；风化系数； V V0 0 新鲜岩石波速；新鲜岩石波速； V V 风化岩石波速风化岩石波速岩体超声检测技术岩体超声检测技术检测系统检测系统超声波检测系统包括：超声波检测系统包括：1.1.超声波换能器超声波换能器2.2.超声波检测仪超声波检测仪超声波检测系统？超声波检测系统？岩体超声检测技术岩体超声检测技术检测系统

22、检测系统武汉中科智创武汉中科智创岩体超声检测技术岩体超声检测技术检测系统检测系统武汉岩海武汉岩海岩体超声检测技术岩体超声检测技术换能器换能器常见的超声波换能器类型：常见的超声波换能器类型： 平面型平面型 径向增压型径向增压型 一发双收型一发双收型岩体超声检测技术岩体超声检测技术平面换能器平面换能器 平面换能器的特点是压电体制成圆片状，当受电脉冲的作用后，压平面换能器的特点是压电体制成圆片状，当受电脉冲的作用后，压电体沿厚度方向振动，超声波的发射或接收方向在圆片的法线方向，其电体沿厚度方向振动，超声波的发射或接收方向在圆片的法线方向，其构造如上图所示。构造如上图所示。 夹心式平面换能器的特点是能

23、获得较低频率的声波和较高的发射功夹心式平面换能器的特点是能获得较低频率的声波和较高的发射功率，因而增加了检测深度。率，因而增加了检测深度。岩体超声检测技术岩体超声检测技术径向换能器径向换能器 径向换能器利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动发射或接收超径向换能器利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动发射或接收超声波。目前常用的有增压式径向换能器，其构造如上图所示。声波。目前常用的有增压式径向换能器，其构造如上图所示。 一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。但有时为了增加接收信号，在接收换能器中加装一个前置放大器。但有

24、时为了增加接收信号，在接收换能器中加装一个前置放大器。带有带有前置放大器的径向换能器只能用于接收，不能用于发射。前置放大器的径向换能器只能用于接收，不能用于发射。岩体超声检测技术岩体超声检测技术一发双收换能器一发双收换能器 超声波在岩体中传播时的衰减较大，为了使超声波超声波在岩体中传播时的衰减较大，为了使超声波在岩体中有足够的传播距离，应适当选择换能器的频率。在岩体中有足够的传播距离，应适当选择换能器的频率。在检测时常采用在检测时常采用500KHz500KHz以下以下的低频超声波，且选用的的低频超声波，且选用的频频率随测量距离的增加而减小率随测量距离的增加而减小。 越破碎的岩体对超声波的衰减作

25、用越明显越破碎的岩体对超声波的衰减作用越明显，因此，因此，较破碎的岩体选用较低频率超声波换能器。较破碎的岩体选用较低频率超声波换能器。 频率的选择还要考虑被测结构的横截面大小。频率的选择还要考虑被测结构的横截面大小。横截横截面尺寸越大，其边界对超声波传播的影响越小面尺寸越大，其边界对超声波传播的影响越小。一般横。一般横截面的最小尺寸应至少比超声波的波长截面的最小尺寸应至少比超声波的波长大大2 2倍倍。 换能器频率的选择可参考如下经验：换能器频率的选择可参考如下经验： 岩体超声检测技术岩体超声检测技术换能器的选择（频率）换能器的选择（频率）岩体超声检测技术岩体超声检测技术换能器的选择（频率）换能

26、器的选择（频率） 超声衰减值与超声波频率密切相关，超声衰减值与超声波频率密切相关，频频率越高，衰减越大率越高，衰减越大，根据实际情况选择合，根据实际情况选择合适的频率。适的频率。岩体超声检测技术岩体超声检测技术超声波检测仪超声波检测仪超声仪的基本功能超声仪的基本功能 信号放大（增益，衰减）信号放大（增益，衰减） 信号滤波（高通，低通）信号滤波（高通，低通） 显示波形（延迟，记录宽度）显示波形（延迟，记录宽度） 读取参数（声时，声幅）读取参数（声时，声幅）岩体超声检测技术岩体超声检测技术超声波检测仪超声波检测仪智能化超声仪智能化超声仪应具备的特点应具备的特点. . 自动采用适当的放大倍数自动采用

27、适当的放大倍数. . 自动判读参数（声时，声幅，频率等）自动判读参数（声时，声幅，频率等）. . 灵活高效的显示与记录方式灵活高效的显示与记录方式. . 实时快速的现场分析功能实时快速的现场分析功能. . 方便的数据管理（原始数据与结果）方便的数据管理（原始数据与结果）. . 兼顾通用性与专用性兼顾通用性与专用性. . 友好的界面友好的界面岩体超声检测技术岩体超声检测技术主界面：主界面：通道通道1 1波形波形显示区显示区通道通道2 2波形波形显示区显示区数据显示数据显示区二区二数据显示数据显示区一区一仪器状态仪器状态设置区域设置区域操作命令操作命令区区岩体超声检测技术岩体超声检测技术参数设置参

28、数设置检测项检测项目相关目相关信息信息系统延迟，系统延迟，水和声测管水和声测管的延迟修正的延迟修正联机通联机通讯口设讯口设置置测试深度，测试深度，测点移距，测点移距，声测管间声测管间距与管位，距与管位，桩长桩长设置自动设置自动判读方式判读方式与判据与判据横波，纵横波，纵波波速，波波速，容重求弹容重求弹模，剪模，模，剪模，泊松泊松比；纵波，比；纵波，回弹值求回弹值求混凝土强混凝土强度度选择是否选择是否观测频谱观测频谱岩体超声检测技术岩体超声检测技术数据分析数据分析三者联动显示深度指定深度指定数据曲线，数据曲线，图中红线为图中红线为判据线，黑判据线，黑色横线为选色横线为选中相应的深中相应的深度，此

29、时左度，此时左测图形显示测图形显示区中显示该区中显示该深度处的原深度处的原始波形始波形指定深度指定深度的测点原的测点原始波形始波形各测点的各测点的指定数据指定数据显示显示指定显示数据的类型，显示的通道选择打印的内容存储打印存储打印PILE文件，分析文件，分析处理测桩数据时打上此钩处理测桩数据时打上此钩指定数据指定数据的分析处的分析处理结果理结果调整深度调整深度指定数指定数据曲线的据曲线的显示坐标显示坐标范围范围岩体超声检测技术岩体超声检测技术结果显示结果显示岩体超声检测技术岩体超声检测技术耦合剂耦合剂耦合剂的作用：耦合剂的作用： 排除探头与岩体表面之间的空气，使超声波能有效地传入岩体，以便排除

30、探头与岩体表面之间的空气，使超声波能有效地传入岩体，以便检测；检测； 减小探头与岩体表面之间的摩擦，延长探头使用寿命。减小探头与岩体表面之间的摩擦，延长探头使用寿命。耦合剂需满足的条件：耦合剂需满足的条件： 能湿润岩体和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，易于清洗；能湿润岩体和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，易于清洗； 声阻抗介于探头与被测岩体之间，透声性能好；声阻抗介于探头与被测岩体之间，透声性能好； 对人体无害，不污染环境；对人体无害，不污染环境； 性能稳定，能长期保存。性能稳定，能长期保存。超声检测中常用的耦合剂包括水、润滑油、甘油、水玻璃（硅酸钠）超声检测中常用的耦合剂包括水、润滑

31、油、甘油、水玻璃（硅酸钠） 要准确测试声速，就要准确测读声时。要准确测试声速，就要准确测读声时。 超声波检测仪测量的实际上是以超声波发射为开始点，超声波检测仪测量的实际上是以超声波发射为开始点，以得到接收波为结束点间的时间间隔。以得到接收波为结束点间的时间间隔。 相对于超声波在岩体中传播所用时间而言，这个时间相对于超声波在岩体中传播所用时间而言，这个时间间隔还包含了间隔还包含了电延迟电延迟、电声转换时间电声转换时间和和声延迟声延迟等部分，因等部分，因此，此，测读声时要比超声波的实际传播时间测读声时要比超声波的实际传播时间略长略长，两者之差，两者之差称为称为声时零读数声时零读数（t t0 0）。

32、）。岩体超声检测技术岩体超声检测技术测试系统的调节测试系统的调节怎样能消除或减怎样能消除或减少声时零读数少声时零读数？ 目前常用目前常用直接面对法直接面对法、不同距离测量法不同距离测量法和和标准棒法标准棒法测试系统测试系统的声延迟的声延迟 。 （1 1）直接面对法）直接面对法 将发、收换能器的辐射面通过耦合层将发、收换能器的辐射面通过耦合层直接接触直接接触，两者之间除，两者之间除辐射体和耦合层的厚度外的距离为零，即检测对象的厚度为零，辐射体和耦合层的厚度外的距离为零，即检测对象的厚度为零，检测出的读数即为检测出的读数即为t t0 0。 有时用此方法并不能测出有时用此方法并不能测出t t0 0，

33、因为，因为t t0 0很小，探头对接时发射与很小，探头对接时发射与接收波往往重叠而读不出接收波往往重叠而读不出t t0 0。且由于直接对接，讯号太强，为避免。且由于直接对接，讯号太强，为避免一起损坏，某些仪器不允许这样测量。一起损坏，某些仪器不允许这样测量。岩体超声检测技术岩体超声检测技术测试系统的调节测试系统的调节（2 2）不同距离测量法）不同距离测量法 如果不考虑被测构件的衰减等因素对检测仪所测得的声时的如果不考虑被测构件的衰减等因素对检测仪所测得的声时的影响，可以认为超声波在同一材料、不同厚度的构件中的声速和影响，可以认为超声波在同一材料、不同厚度的构件中的声速和零读数是相同的。零读数是

34、相同的。 对某一对某一匀质材料匀质材料不同厚度的构件，测得其厚度为不同厚度的构件，测得其厚度为l l1 1、l l2 2和通过和通过的声时分别为的声时分别为t t1 1、t t2 2，两构件中的声速应相等，即：，两构件中的声速应相等，即：岩体超声检测技术岩体超声检测技术测试系统的调节测试系统的调节022011ttlttl2112210lltltlt（3 3）标准棒法）标准棒法目前使用较多的测试声时零读数的方法目前使用较多的测试声时零读数的方法 由高精度的、声时零读数已知的超声检测系统测读出该棒的由高精度的、声时零读数已知的超声检测系统测读出该棒的超声波传播时间，作为超声波传播时间，作为标准值标

35、准值，刻在标准棒的外壁上。，刻在标准棒的外壁上。 在使用某一系统检测岩块时，先用该系统测度标准棒中的超在使用某一系统检测岩块时，先用该系统测度标准棒中的超声波传播时间，与标准进行比较，多出部分就是该系统的声时零声波传播时间，与标准进行比较，多出部分就是该系统的声时零读数，在测试时直接扣除即可。读数，在测试时直接扣除即可。 岩体超声检测技术岩体超声检测技术测试系统的调节测试系统的调节岩体超声检测技术岩体超声检测技术岩体超声检测技术应用岩体超声检测技术应用1.1.测试岩石弹性参数测试岩石弹性参数2.2.浅裂缝平面检测浅裂缝平面检测3.3.深裂缝跨孔检测深裂缝跨孔检测4.4.不密实区和空洞检测不密实

36、区和空洞检测5.5.混凝土结合面质量检测混凝土结合面质量检测6.6.表面损伤层检测表面损伤层检测7.7.混凝土均匀性检测混凝土均匀性检测8.8.检测隧道围岩松动圈检测检测隧道围岩松动圈检测岩体超声检测技术岩体超声检测技术 CTS-25非金属超声波检测仪非金属超声波检测仪测试岩石弹性参数测试岩石弹性参数岩体超声检测技术岩体超声检测技术应用应用测试岩石弹性参数测试岩石弹性参数岩体超声检测技术岩体超声检测技术测试岩石弹性参数测试岩石弹性参数 实测实测Vp,Vs,Vp,Vs,计算岩体的弹性参数：计算岩体的弹性参数：)(222222spspVVVV22222)43(spsppVVVVVE)1(21 EG

37、为输入的密度；为输入的密度；这种方法通常为实验室内测定试块的弹性参数时使用。这种方法通常为实验室内测定试块的弹性参数时使用。岩体超声检测技术岩体超声检测技术测试岩石弹性参数测试岩石弹性参数 实测实测Vp Vp 和和，估算，估算，计算岩体的弹性参数，计算岩体的弹性参数1)21 ()1 (2pVE)1(21 EG，为输入的密度、泊松比；为输入的密度、泊松比；这种方法通常为野外实验这种方法通常为野外实验VsVs不易读取时使用。不易读取时使用。岩体超声检测技术岩体超声检测技术浅裂缝平面检测浅裂缝平面检测理论依据：理论依据：222)2(ACABDC22)2(ABACDCccttltAC21211)(22

38、ttlhc岩体超声检测技术岩体超声检测技术浅裂缝平面检测浅裂缝平面检测浅裂缝单工作面平测法步骤：浅裂缝单工作面平测法步骤：不跨裂缝声时测量。将不跨裂缝声时测量。将T T和和R R换能器换能器置于裂缝同一侧，以换能器内缘边置于裂缝同一侧，以换能器内缘边间距间距ll等于等于100mm100mm，150mm150mm，200mm200mm，测试读取声时值测试读取声时值t ti i，绘，绘制制“时时距距”坐标图。坐标图。2. 2. 计算零时距计算零时距a a，修正间距，修正间距l = l+ al = l+ a（a a即为即为“时时距距”图中图中l l 的截距，的截距，mmmm。）。）3. 3. 跨裂缝

39、以换能器内缘为间距，取间跨裂缝以换能器内缘为间距，取间 距分别为距分别为100mm100mm，150mm150mm，200mm200mm， 测试读取声时测试读取声时t tcici。平测平测“时时距距”图图岩体超声检测技术岩体超声检测技术浅裂缝平面检测浅裂缝平面检测10cm 15cm 20cm25cm10cm15cm20cm25cm不跨裂缝测点布置不跨裂缝测点布置跨裂缝测点布置跨裂缝测点布置浅裂缝平面检测测点布置浅裂缝平面检测测点布置岩体超声检测技术岩体超声检测技术浅裂缝平面检测浅裂缝平面检测数据处理及判定：数据处理及判定：平测法的裂缝深度可按下式计算：平测法的裂缝深度可按下式计算：式中：式中：

40、h hcici裂缝深度，裂缝深度，mmmm； t ti i，t tcici测距为测距为l li i时不跨缝、跨缝平测得声时值，时不跨缝、跨缝平测得声时值，usus； l li i不跨缝平测时第不跨缝平测时第i i次的超声波传播距离，次的超声波传播距离，mmmm。 以不同测距取得的以不同测距取得的h hcici的平均值作为该裂缝的深度值的平均值作为该裂缝的深度值h h，如所取得的，如所取得的h hcici值大于原测距中任一个值大于原测距中任一个l li i，则应把该，则应把该l li i距离的距离的d dcici舍弃后重新计算舍弃后重新计算d d值。值。 1)(22iciicittlh注意事项：

41、注意事项：裂缝不得充填有水或泥浆；换能器连线应避开钢筋裂缝不得充填有水或泥浆；换能器连线应避开钢筋轴线；仅适用于深度小于或等于轴线；仅适用于深度小于或等于500mm500mm的裂缝。的裂缝。岩体超声检测技术岩体超声检测技术深裂缝跨孔检测深裂缝跨孔检测 对于裂缝深度超过对于裂缝深度超过500mm500mm以上的岩面，单工作面平测法会面临测以上的岩面，单工作面平测法会面临测距过大导致衰减过大判读误差急剧增加的问题。必要时应采用在裂距过大导致衰减过大判读误差急剧增加的问题。必要时应采用在裂缝两侧钻孔，在孔中以径向换能器测试。缝两侧钻孔，在孔中以径向换能器测试。 其优点为：其优点为： 1. 1. 测距

42、可以控制在适当的范围；测距可以控制在适当的范围； 2. 2. 增压型径向换能器发射能量大。增压型径向换能器发射能量大。深裂缝跨孔检测示意图深裂缝跨孔检测示意图岩体超声检测技术岩体超声检测技术深裂缝跨孔检测深裂缝跨孔检测深裂缝单工作面跨孔检测的技术要求：深裂缝单工作面跨孔检测的技术要求： 裂缝中不得填充水或泥浆；裂缝中不得填充水或泥浆； 钻孔孔径比换能器的直径大钻孔孔径比换能器的直径大5-10mm5-10mm； 钻孔孔深比裂缝深度大钻孔孔深比裂缝深度大600-800mm600-800mm； 两个钻孔应始终位于裂缝两侧，轴线应保持平行；两个钻孔应始终位于裂缝两侧，轴线应保持平行； 换能器频率在换能

43、器频率在20-60kHz20-60kHz范围内；范围内； 测点移距在测点移距在100-400mm100-400mm； 可在裂缝一侧多钻一孔，进行不跨裂缝的跨孔测试，可在裂缝一侧多钻一孔，进行不跨裂缝的跨孔测试，取得用于对比的参数。取得用于对比的参数。岩体超声检测技术岩体超声检测技术深裂缝跨孔检测深裂缝跨孔检测测试方法：测试方法：（1 1）选择频率）选择频率20-60kHz20-60kHz的径向增压换能器，并在其连接线上做出等距的径向增压换能器，并在其连接线上做出等距离标志（间隔离标志（间隔100-400mm100-400mm）；）；（2 2）测试前先向测试孔中注满清水，然后将）测试前先向测试孔

44、中注满清水，然后将T T、R R换能器分别置于裂缝换能器分别置于裂缝两侧的对应孔中，以相同高程等间距从上至下同步移动，逐点读取两侧的对应孔中，以相同高程等间距从上至下同步移动，逐点读取声时、波幅和换能器所处的深度。声时、波幅和换能器所处的深度。岩体超声检测技术岩体超声检测技术深裂缝跨孔检测深裂缝跨孔检测裂缝深度判定裂缝深度判定h hA A坐标图坐标图岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测 不密实区和空洞检测用于结构混凝土局部区域内的不密实区和空洞检测用于结构混凝土局部区域内的不密实和空洞情况检测。不密实和空洞情况检测。检测要求：检测要求： 被测部位应具有一对（或两

45、对）相互平行的测试面；被测部位应具有一对（或两对）相互平行的测试面； 测区的范围应大于有怀疑的区域；测区的范围应大于有怀疑的区域； 在测区布置测点时，应避免在测区布置测点时，应避免T T、R R换能器的连线与附近的主钢筋轴换能器的连线与附近的主钢筋轴线平行；线平行；岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测测试方法：测试方法：（1 1）布置换能器，可按下列方法之一布置：）布置换能器，可按下列方法之一布置： 结构具有两对相互平行的测试面时可采用对测法，其测试方法如结构具有两对相互平行的测试面时可采用对测法，其测试方法如下图所示。在测区的两对相互平行的测试面上，分别画间距

46、下图所示。在测区的两对相互平行的测试面上，分别画间距200200300mm300mm的网格，并编号确定对应的测点位置。的网格，并编号确定对应的测点位置。对测法换能器布置图对测法换能器布置图岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测 结构中只有一对相互平行的测试面时可采用斜测法。即在测区结构中只有一对相互平行的测试面时可采用斜测法。即在测区的两个相互平行的测试面上，分别画出交叉测试的两组测点位置。的两个相互平行的测试面上，分别画出交叉测试的两组测点位置。斜测法换能器布置图斜测法换能器布置图岩体超声检测技

47、术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测 当结构的测试距离较大时，为了提高测试灵敏度，可在测区适当结构的测试距离较大时，为了提高测试灵敏度，可在测区适当位置钻出平行于侧面的测试孔，测孔直径当位置钻出平行于侧面的测试孔，测孔直径4550mm4550mm，深度视测试，深度视测试需要而定。结构侧面采用厚度振动式换能器，用黄油耦合；测孔中需要而定。结构侧面采用厚度振动式换能器，用黄油耦合；测孔中采用径向振动式换能器，用水耦合。采用径向振动式换能器，用水耦合。钻孔测试法换能器布置图钻孔测试法换能器布置图（2 2）读取每一测点的声时、波幅、频率和测距。）读取每一测点的声时、波幅、频率和测距。

48、岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测数据处理及判定：数据处理及判定：（1 1）测区混凝土声时、波幅、频率测量值的平均值）测区混凝土声时、波幅、频率测量值的平均值m mx x和标准差和标准差s sx x应按下应按下式计算：式计算：式中：式中：X Xi i第第i i测点的声时、波幅、频率的测量值；测点的声时、波幅、频率的测量值； nn一个测区参与统计的测点数。一个测区参与统计的测点数。（2 2）测区中的异常数据可按以下方法判别：）测区中的异常数据可按以下方法判别： 将一测区各测点的声时值将一测区各测点的声时值由小至大由小至大按顺序排列，即按顺序排列，即t t1 1t

49、t2 2 t ti i t tn n, ,将排在后面明显大的数据视为可疑，再将这些将排在后面明显大的数据视为可疑，再将这些niixXnm11nixxnnmXsi122)1/()(岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测 可疑数据中最小的一个（假定可疑数据中最小的一个（假定t tn n）连同前面的数据按上式计算出）连同前面的数据按上式计算出m mi i及及s si i并代入下式，算出异常情况的判定值并代入下式，算出异常情况的判定值X Xi i。 式中式中11为异常值判定系数，可通过查表获得。为异常值判定系数，可通过查表获得。 把把X Xi i值与可疑数据中的最小值值与

50、可疑数据中的最小值t ti i想比较，若想比较，若t ti i值大于或等于值大于或等于X Xi i，则，则t ti i及及排在其后的各声时值均为异常值；当排在其后的各声时值均为异常值；当t ti i小于小于X Xi i时，应再将时，应再将t ti+1i+1放进去重放进去重新进行统计计算和判别。新进行统计计算和判别。 按照同样的方法，可判别各测点的波幅、频率或由声时计算的声按照同样的方法，可判别各测点的波幅、频率或由声时计算的声速的异常值，不同的是将这些值按照速的异常值，不同的是将这些值按照由大至小由大至小的顺序排列，计算判定的顺序排列，计算判定值值X Xi i时时iiismX1iiismX1岩

51、体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测 （3 3）当测区中某些测点的声时值（或声速值）、或波幅值或频率值被判为）当测区中某些测点的声时值（或声速值）、或波幅值或频率值被判为异常值时，可结合异常测点的分布及波形状况确定混凝土内部存在不密实区和异常值时，可结合异常测点的分布及波形状况确定混凝土内部存在不密实区和空洞的范围。空洞的范围。空洞范围的估算方法（一）：空洞范围的估算方法（一）： 对于仅能在一个剖面进行检测的情况，通常不能确定空洞的中心位置，仅对于仅能在一个剖面进行检测的情况，通常不能确定空洞的中心位置，仅能按空洞位于检测位置的中央估算空洞的尺度。能按空洞位于检测

52、位置的中央估算空洞的尺度。21)(22dttlrc岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测空洞的范围估算（二）空洞的范围估算（二） 对于有两个剖面进行检测的情况，通过两个方向对应的声时最大对于有两个剖面进行检测的情况，通过两个方向对应的声时最大值位置可以确定空洞的中心位置的中央估算空洞的尺度。值位置可以确定空洞的中心位置的中央估算空洞的尺度。%100)(ttcmmtXllYhlrZ 设设X 为声时变化率为声时变化率测试得到测试得到X,Y ，查下表得到，查下表得到Z，然后计算出空洞的大致半径，然后计算出空洞的大致半径r。设设Z 为空洞相对半径位置为空洞相对半径位置设设

53、Y 为空洞相对中心位置为空洞相对中心位置岩体超声检测技术岩体超声检测技术不密实区和空洞检测不密实区和空洞检测岩体超声检测技术岩体超声检测技术混凝土结合面质量检测混凝土结合面质量检测 混凝土结合面（简称结合面），指前后两次浇注间隔时间混凝土结合面（简称结合面），指前后两次浇注间隔时间大于大于3h3h的混凝土之间所形成的接触面，如施工缝、修补加固等。的混凝土之间所形成的接触面，如施工缝、修补加固等。检测要求：检测要求： 测试前应查明结合面的位置及走向，以正确确定被测部位及布置测试前应查明结合面的位置及走向，以正确确定被测部位及布置测点；测点； 结构的被测部位应具有使声波垂直或斜穿结合面的一对平行测

54、试结构的被测部位应具有使声波垂直或斜穿结合面的一对平行测试面；面； 所布置的测点应避开平行声波传播方向的主钢筋或埋铁件；所布置的测点应避开平行声波传播方向的主钢筋或埋铁件； 岩体超声检测技术岩体超声检测技术混凝土结合面质量检测混凝土结合面质量检测测试方法：测试方法： （1 1）混凝土结合面质量检测可采用斜测法，按下图布置测点。布）混凝土结合面质量检测可采用斜测法，按下图布置测点。布置测点时应注意一下几点：置测点时应注意一下几点： 使测试范围覆盖全部结合面或有怀疑的部位；使测试范围覆盖全部结合面或有怀疑的部位； 各对各对T T、R R换能器连线的倾斜角及测位距应相等；换能器连线的倾斜角及测位距应

55、相等； 测点的间距视结构尺寸和结合面外观质量情况而定，可控制在测点的间距视结构尺寸和结合面外观质量情况而定，可控制在100300mm100300mm。 （2 2）按布置好的测点分别测出各点的声时、波幅和频率值。）按布置好的测点分别测出各点的声时、波幅和频率值。结合面检测布点示意图结合面检测布点示意图岩体超声检测技术岩体超声检测技术混凝土结合面质量检测混凝土结合面质量检测数据处理及判定：数据处理及判定： （1 1）某一测区各测点声时、波幅和频率值分别按不密实区和空）某一测区各测点声时、波幅和频率值分别按不密实区和空洞检测的数据处理方法进行统计和异常值判断。洞检测的数据处理方法进行统计和异常值判断

56、。 （2 2）当通过结合面的某些测点的数据被判为异常，并检查无其）当通过结合面的某些测点的数据被判为异常，并检查无其他影响因素时，可判定混凝土结合面在该部位结合不良。他影响因素时，可判定混凝土结合面在该部位结合不良。岩体超声检测技术岩体超声检测技术表面损伤层检测表面损伤层检测 适用于因冻害、风化或化学侵蚀等所引起的岩体或混凝土表适用于因冻害、风化或化学侵蚀等所引起的岩体或混凝土表面损伤厚度的检测。面损伤厚度的检测。检测要求：检测要求： 根据结构的损伤情况和外观质量选取有代表西性的部位布根据结构的损伤情况和外观质量选取有代表西性的部位布置测区；置测区； 被测表面应平整并处于自然干燥状态；被测表面

57、应平整并处于自然干燥状态； 测点布置时应避免测点布置时应避免T T、R R换能器的连线方向与附近主钢筋的换能器的连线方向与附近主钢筋的轴线平行。轴线平行。岩体超声检测技术岩体超声检测技术表面损伤层检测表面损伤层检测测试方法：测试方法：（1 1）选用频率较低的换能器；）选用频率较低的换能器；（2 2）测试时）测试时T T换能器应耦合好保持不动，然后将换能器应耦合好保持不动，然后将R R换能器依次耦合在测点换能器依次耦合在测点 1 1、2 2、33位置上，如图所示。依次读取相应的声时值位置上，如图所示。依次读取相应的声时值t t1 1、t t2 2、t t3 3并测量每并测量每次次R R、T T换

58、能器之间的距离换能器之间的距离l l1 1、l l2 2、l l3 3。R R换能器每次移动距离不宜大于换能器每次移动距离不宜大于100mm100mm，每一测区的测点数不得少于，每一测区的测点数不得少于5 5个。个。（3 3）当表面的损伤层厚度不均匀时，应适当增加测区数。）当表面的损伤层厚度不均匀时，应适当增加测区数。损伤层检测的换能器布置示意图损伤层检测的换能器布置示意图T 发射换能器R 接收换能器df岩体超声检测技术岩体超声检测技术表面损伤层检测表面损伤层检测数据处理：数据处理：（1 1）以各测点的声时值）以各测点的声时值t ti i和相应测距值和相应测距值l li i绘制绘制“时时距距”

59、坐标图。由图可知时坐标图。由图可知时距曲线有拐点距曲线有拐点l l0 0，时距曲线在，时距曲线在l l0 0前的一段反射波落在直达波后，斜率为表层前的一段反射波落在直达波后，斜率为表层损伤层岩体波速损伤层岩体波速V Vf f ；时距曲线在；时距曲线在l l0 0后的段折射反射波在直达波前，斜率为后的段折射反射波在直达波前，斜率为底层底层未损伤岩体的声速未损伤岩体的声速V V 。（2 2）损伤层厚度计算公式：）损伤层厚度计算公式：t/us t1 t2 t3 t41212tanttllVf3434tanttllVl/mml4l3l0l2l1损伤层检测损伤层检测“时时距距”图图fffvvvvld20

60、l0声速突变时的测距，mm。岩体超声检测技术岩体超声检测技术混凝土均匀性检测混凝土均匀性检测 混凝土均匀性检测用于结构混凝土各部位的相对匀质性的检测。混凝土均匀性检测用于结构混凝土各部位的相对匀质性的检测。检测要求：检测要求： 被检测的结构应具有相对平行的测试面。被检测的结构应具有相对平行的测试面。 测点应在被测部位上均匀布置，测点的间距一般为测点应在被测部位上均匀布置，测点的间距一般为200500mm200500mm； 测点布置时，应避开与声波传播方向平行的主钢筋。测点布置时，应避开与声波传播方向平行的主钢筋。 岩体超声检测技术岩体超声检测技术混凝土均匀性检测混凝土均匀性检测测试与计算：测试