地下工程监测与检测技术第五章地下工程中的声波测试技术

地下工程监测与检测技术第五章地下工程中的声波测试技术人民交通出版社声波测试技术声波测试技术在围岩测试中的应用声波测试技术在地下混凝土结构质量评价中的应用传感器的选择和标定内容提要声波测试技术是研究人工激发或者岩石断裂产生的声波在岩体内的传播规律，并据此判断岩体内部结构状态、应力大小、弹性参量及其他物理性质等岩体力学指标的一种工程测试方法。

声波测试属于无损检测的范畴，近年来，在建筑、水电、采矿、冶金、铁道等工程中得到广泛应用，成为工程测试的重要手段之一。

第一节声波测试技术一.声波测试的基本原理1.波的概述波是介质质点离开平衡位置的一种扰动，这种扰动随时间从空间的一个区域传播到另一个区域。在传播过程中没有物质的传输，也就是说无论波在介质中传播得多远，介质质点仅能围绕其平衡位置在一个非常小的空间内振动或转动。波在传播中的速度称为波速度。根据声波的振动方向与波传播方向的关系，可把声波分为纵波和横波。若质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称为压缩波。若质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。在气体和液体中的声波只能是纵波，而在固体中声波即有纵波又有横波。岩体属于固体，故在岩体中声波的传播，即包括纵波又包括横波的传播。2.声波测试基本原理声波测试的基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波，这种弹性波在材料和结构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接收和记录下来的波动信号来确定岩土介质和结构的力学特性，了解它们的内部缺陷。称为波速度。岩土体中往往包含有各种层面、节理和裂隙等结构面，岩体中的这些结构面在动荷载作用下产生变形，对波动过程产生一系列的影响，如反射、折射、绕射和散射等。这样，岩土体界面起着消耗能量和改变波的传播途径的作用，并导致波的非均质性及各向异性。因此，岩土体结构影响着岩土体中弹性波的传播过程，也就是说岩土体弹性波的波动特性反映了其结构特征，所以，弹性波探测技术已成为工程岩土体研究中一项有效而简便可靠的手段。二.测试仪器及使用声波测试仪主要由发射系统、接受系统和微机组成。发射系统包括发射机和发射换能器，接收系统包括接收机和接收换能器，微机主要用于用数据记录和处理搜索。发射机是将由声源讯号发生器产生一定频率的电脉冲，放大后由发射换能器转换成声波，并向岩体辐射的设备。

发射换能器将一定频率的电脉冲加到发射换能器的压电晶片时，晶片在其法向或径向产生机械震动，从而产生声波。发射换能器和接收换能器可以实现声波和电能的相互转换。

接收机将接收到的电脉冲进行放大，并将声波波形显示在荧光屏上，通过调整游标电位器，可在数码显示器上显示波至时间，若将接收机与微机连接，则可对声波讯号进行数据处理。1.SYC-2C型非金属超声测试仪SYC-2C型非金属超声测试仪由接收机和发射机两部分组成。该仪器轻便、快速、环境干扰小。可供研究人员在实验室进行岩样的研究或地震模拟实验；研究洞室的节理、裂隙发育情况，确定洞室开挖松弛的范围；进行岩体强度分级；测算出岩体动弹性力学参数；进行地应力的测量，长期观测进行地震预报。2.CTS-25型非金属超声波检测仪该仪器主要用于混凝土的无损检测，通过混凝土声速和混凝土抗压强度的关系，可以估计其强度；

通过对混凝土的声速、衰减和波形的测量，可以检查混凝土结构内部的孔洞，裂缝及其他缺陷的位置等。该仪器还可用于对木材、塑料、橡胶、石墨、碳素纤维、陶瓷、岩石等材料的性能测量。

该仪器具有波形显示和数字显示装置，便于观察波形和进行声速测量，仪器本身有80dB的衰减器，可以测量材料的衰减。3.UVM-2型声波仪日产的UVM-2型声波仪是通过声循环法进行延时测定，检测时不受试样中多重反射波的影响，能迅速准确地测定材料的声速、弹性模量等参数。测量精度较高，与我国现有的国产SYS型系列岩石声波探测仪相比，具有延时测量精度高的优点。

该仪器具有波形显示和数字显示装置，便于观察波形和进行声速测量，仪器本身有80dB的衰减器，可以测量材料的衰减。三.测试方法

1.直达波法1）表面直达波法将发、收换能器布置在被测物表面的声波测试方法称为直达波测试法，当发、收换能器布置在同一平面内时称为平透直达波法，当换能器不在同一平面内设置时称为直透直达波法。平透直达波法测试时，收、发射换能器之间的距离应小于折射波首波盲区半径，如图1。室内岩石试件的声学参数测试不论加载与否，均应采用直透直达波法，如图2。在野外或井下工程测试中，一般利用巷道之间的岩柱或工程的某些突出部位在非同一平面相对设置收、发换能器，如图3。图1平透直达波法测试图2直透直达波测试3工程岩体直达波测试图F-发射换能器；S-接收换能器1-巷道；2-岩体2）孔中直达波法将发射和接收换能器分别置于两个或两个以上钻孔中进行直达波测试的方法称为孔中直达波法。当被测物仅有一个自由面，且需要了解被测物内部声波参数变化情况时，可采用这种方法。在被测的结构物上打两个或两个以上的相互平行的钻孔，分别布置发射和接收换能器。观测时发射和接收换能器从孔底（或孔口）每隔10～20cm同步移动，即可测出两换能器之间岩体不同剖面的波速与振幅的相对变化情况。5-4孔中直达波测试法F1、F2、…Fn-发射换能器的第1,2，…n个测试位置；S1、S2、…Sn-接收换能器的第1,2，…，n个测试位置2、反射波法反射波法是利用声波在介质中传播时遇到波阻抗面会发生反射的现象，研究喷射混凝土厚度、岩层厚度以及围岩内部结构等的观测方法。反射波法测试时，被测结构往往只有一个自由面，换能器的布置应采用并置方式，换能器之间的距离应根据被测层厚度及波阻抗面的形状而定。图5-5反射波测试法3、折射波法声波由观测界面到达高速介质并沿该介质传播适当距离后又折返回观测界面时称为折射波。折射波法是接收以首波形式出现的折射波的测试方法。它可分为平透折射波法和孔中折射波法。平透折射波法探头布置方式同平透直达波法相同，但接收换能器应布置在折射波首波盲区之外。这种测试方法常用来测试回采工作面超前支承压力影响范围等。孔中折射波法又称单孔测试法，它是将特制的单孔换能器放入钻孔中，接收通过岩壁的折射波，并沿钻孔延深方向逐段观测声波参数的变化，从而确定所通过地层的层位、构造、破碎情况以及岩石的物理力学性质等。这种方法在工程中常用来测定井巷围岩破碎范围，查明围岩结构，进行工程质量评价等。第二节声波测试技术在围岩测试中的应用一、评价岩土强度和完整性程度岩体完整性系数Kv又称裂隙系数，为岩体与岩石的纵波速度之比的平方，用动力法可以测定完整性系数。根据岩体完整性系数对岩体完整程度进行分类，可分完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎五类。评价完整性程度以及估算岩体强度：二、围岩松弛带测试地下洞室由于开挖过程的扰动，引起围岩应力重新分布，洞室周边出现应力集中，当应力超过岩体的强度极限后，围岩体开始破碎松动，即从洞室周边向岩体深部扩展到某一范围。这一范围内的岩体表现出节理裂隙增多，完整性下降，强度降低，被称之为围岩松动范围。1、测试方法围岩松动范围的测试方法主要有单孔测试法和双孔测试法两种。单孔测试法即单孔折射波法，它一般采用一发双收单孔换能器。单孔测试可以了解沿钻孔轴向的岩性及应力变化情况，特别是对岩体的裂隙反应较灵敏。双孔测试法，即孔中直达波法，该方法主要用于了解孔中岩体的岩性特征、应力分布及它们沿钻孔轴向的变化情况。2、测孔布置在需测试的井巷围岩中，根据测试目的选择有代表性的地段布置观测站和相应的观测断面。对于水平和倾斜巷道，每个测站应布置2～3个断面，每个断面布置的测孔数应由断面大小及形状等确定，一般为3～5个测孔。在立井中，由于打眼及观测工作都较困难，因此，测站及观测断面的测孔数可相应减少。测孔深度以2.0~3.0m为宜。3、测试夜结果的掩整理与似分析1)按测孔抓整理测废试数据首先按访测站或街观测顺喇序将每散个测孔甘各次测附读的声从时换算箭成声速t，然溉后，三以孔伟壁至置孔底并的距巨离己觉为横鹊坐标彼，以轮声速VP、振幅A为纵坐买标，绘霞制移Vp-陈L、A-毛L曲线图你。为便院于比较担，VP、A应使架用同宴一横调坐标龟。2)围岩松订动范围截的确定确定垒围岩滑松动满范围齿的实析质是VP（A）-L曲线图节的判读邪。根据吸现场实纵测、模绣拟试验胡等的研船究成果批，可将VP（A）-L曲线来归纳槐为如环下3种典型参情况。3)绘制围厌岩松动灿范围变钞化曲线对于某嚼一测段瓣的情况劫则可以忽断面（嫁或测站境）松动物范围的挂均值为折纵（或浇横）坐混标，以真测段长故度为横融（或纵废）坐标络，绘出扎围岩松仇动范围植在测段圆上的变翼化曲线养。该曲鸡线还可违与该段惭的地质匙剖面图屑绘在一急起，以软便对照加分析。4)其他顶注意斩事项围岩壶松动写范围殃测试斩工作杂以立肯井测毁试环趣境条税件最鼠困难机，故锐防水茄问题掠不可绸忽略永。立独井测乞试多关在有鹿淋水肤的条霜件下狮进行嘱，因等此，厉仪器钩应有真严格属的防迫水措变施，鹿以免积内部描进水欺发生台短路瓣。通妻常的过作法取是在毙安放剑仪器凳的平震台（仓或吊唱桶）替上加锐防水佳罩，偏同时妥在仪默器上岭面加愁盖防场水塑留料雨网布。话当仪脊器安泄放位宣置远亭离测报孔，原换损能器顷电缆箩长度横不够非，而迹需另愤加接诸电缆颂时，考应保溜证电芦缆接焰头的拖芯线疗与屏刷蔽线看之间等有良玻好的蚁绝缘莲，其谣外层猛应采飞用胶档带包跟好并帆用树糕脂胶虎密封辆，使争其具太有一窝定的真防水志功能敲。三、其呆他测试仪器下井眼测试柴方法挑是将协两吊绳桶同塞步运侦行法先在井鸡筒施同工中缎。若面使用蝇吊桶略提升忌时，间可将出仪器脖安放伯在其窝中一寨个吊维桶内滥，而尾把测坟孔布垒置在阵另一帅个吊怖桶侧成，测毙试时及两吊建桶同客步运丸行。植罐笼栽上做球临时渡平台乏进行阁测试县当井拢筒内秃用罐渠笼提延升时院，可帮在罐牵笼上絮搭设盐临时白平台摆，设怠置护闯栏，周测试枣人员戚系好劈燕安全扶带，览钻眼嫁与测阻试工盗作在订收时颤平台群上进断行。第三节声波四测试攀技术似在地忆下混轧凝凝盖土结悄构质镇量评茫价中拣的应用一、航混凝迹土中咏的空堤洞检番测混凝洽土在坐浇筑标过程锤中存补在不懒密实杰的情贯况，守在不阔密实同区存睡在空查洞现典象。龄不密氧实区腰是指缺因振芒捣不绳够、扩漏浆笨或石苏子架辜空等逆造成预的蜂麻窝状尾或缺叮少水纯泥形章成的骆松散神状或份意外杯损伤响造成裙的疏燥松状掉区域内。对阁于体惠积较杯大的室混凝节土结珠构或略构件章，这秃种情研况尤虽其容按易发肠生。弊当混先凝土好水胶悉比较肺小或拔配筋核较密吨的情田况下颠，施蛇工时采漏振暗或振蔬捣不阻充分伏，往团往会把出现都石子专架空置，在堵混凝则土内口部形粥成空福洞的热情况侄。1、对忍测法当结构畏物被测光部位具睛有两对百相互平豆行的表劲面时，浙可采用贪对测法漆。测试螺时在两尾对相互胳平行的治表面上勇，分别题划出10骨0～300身mm的等间拒距网格桂，确定圆点位置鬼并逐点困测试对殖应的声爪时、波延幅和频跑率，并水同时测副量测试晶距离。逃对于大好型结构蹄物，网非格距离幕可适当症放宽。2、斜猛测法当结富构物仙被测世部位笔只有熔一对叶平行筋表面悠可供职测试浓时，誉可采牲用斜侨测法肚。测育试时盐调整害换能耳器安跪放位封置，奴以使牧能够档在任眯意两宁个平刮面进姨行交肤叉测芒试。券采用词斜测赠法时反，可衬采用话图5-絮10的方陆式，碰在侧糖位两塔个相蛾互平档行的捞测试益面上衫分别你画出吸网格凡线，袖可在性对测宿的基奥础上与进行跨交叉紫测试握。3、钻拢孔或测预埋今管法当测啄距较筑大时播，超僻声波圣在混霞凝土场中能请量损丹失较践大，香接收趣信号夹较为嘱微弱河，不贩利于盼对缺苗陷进湖行检丈测分腥析，习此时缘瑞可采序用钻副孔法誉或预其埋管哨法。法检测肯时可旁用两照个径箱向振门动式婶换能邻器分径别置详于两犯测孔喊中进梨行测朴试，梅或用罗一个充径向鞋振动朗换能区器与体一个欣厚度盘振动月换能叨器分浆别置惊于测夕孔中荒和平搭行于之测孔草的平蝴面进碍行检汽测。二、艳结构站混凝祖土厚喷度检抱测冲击户回波宾法通气常用趣于探清测混皇凝土迟、木柄、石解结构分中的障内部象孔洞英、蜂剃窝、芬裂缝乒、分勾层，止也用境于测板量板脾和公谢路的梳厚度分等。勺许多博混凝骂土结雨构，炸如路腊面、择机场状跑道偿、底瓣板、宋护坡趣、挡度土墙狸、筏揉型基表础、激隧道退衬砌尿、大灰坝等漏，只证存在虏单一甲测试括面，俩而从光事混渔凝土远结构修评估薄、修逮补工迷作的外工程浩师们忽往往建对以摊上结镇构混悼凝土局的厚戚度比材较重呼视，裁因为盛这些巴结构放混凝站土的秋厚度虾如达概不到令设计庙要求转，将葛会影沸响结晚构的资整体削强度降及其掏耐久森性，呈造成协工程阵隐患眉，甚伞至引摸起严贩重工铁程质枣量事且故，愚所以巷用无休损检勾测方抖法测键试结腥构混招凝土快的厚命度具晓有重传要意解义和锤实用业价值演。三、混师凝土裂导缝检测混凝土虚结构的境裂缝宽肿度、数香量、深塑度、走掉向和位铸置是判程断结构袋受力状脸态和预尖测剩余承使用年挣限的重产要特征声之一。佣对混凝悼土结构心作可靠断性鉴定役必须对挤结构的假裂缝状衔态进行父检测和舌分析。词产生裂宁缝的原饮因很多裹，从工债程鉴定希和处理捧的角度罪可以将拼其归纳扑为受力曲裂缝和彩非受力垒裂缝两欢大类，缝检测时咽应注意烫区分。姜实际工鼻程中常闻有两种银类型裂云缝的混因合体，即如：结叉构上的接作用使弹原有的得非受力拌裂缝扩蹈展了；庆结构的擦周围环槐境变化董或受化愚学物品洋侵蚀使食原有受紫力裂缝比增宽。额此时应询区分出冬主、次柱原因。才因此，来明白裂郊缝产生薯的原因羊和鉴定弄规范中蛋关于裂消缝分级黄的界限寇是测定般裂缝的订关键。1)沿筋纵姐向裂缝作的检查沿筋裂潜缝是非绢受力裂旨缝，检浆查沿筋驶裂缝时纠要注意甜两个界创限，一乡丰个是有述无纵向幕沿筋裂谅缝，无超沿筋裂拴缝属a、b级。若萍有沿筋螺裂缝，止要掌握叼裂缝宽庆度和长副度小于竹或等于2mm为c级，大穴于2mm为d级。当前有主筋细锈蚀导污致构件没掉角或食保护层嘱脱落的战，情况煤比开裂蝇还严重块，因此炭检查和磨量测时棋，应抓润住这几架个环节扔。沿筋夜裂缝比耐受力裂浮缝宽度恼宽，测宪量时用葬裂缝卡让、钢板掠尺等均泥可，在出上述几形个界限娱处，需瓦要用刻于度放大怕镜观测还。2)垂直岩于受看力主度筋的馋横向盏裂缝裹的检窃查首先盒要检械查哪找些裂失缝是错横向扬裂缝错的典组型形点式。悲受弯尼构件尊受拉朱区产敲生的杰裂缝垂就是绵横向叹裂缝面。这织种