巖體聲波測試技術(shù)

《巖體測試技術(shù)》課程結(jié)業(yè)論文巖體聲波測試技術(shù)原理及在工程中的應(yīng)用學(xué)院：XXX專業(yè)班級：XXX姓名：XXX學(xué)號：XXX

巖體聲波測試技術(shù)原理及在工程中的應(yīng)用XXX（XXXX，XXXX）摘要：聲波測試技術(shù)現(xiàn)已變成一種常規(guī)的勘測技術(shù)，在工程地質(zhì)中的應(yīng)用越來越廣泛這主要的原因就在于它設(shè)備簡單、測試而廣、經(jīng)濟(jì)實用，結(jié)合地質(zhì)能較全而地提供巖石及巖體的多種物理力學(xué)的動態(tài)指標(biāo)。本文介紹了聲波測試技術(shù)的基本原理和在工程中的應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞：聲波巖體測試泊松比縱波1概述在巖體中傳播的聲波是機(jī)械波。由于其作用力的量級所引起的變形在線性范圍，符合虎克定律，也可稱其為彈性波。巖體聲波檢測（RockMassSoundWaveDetecting）所使用的波動頻率從幾百赫到50千赫（現(xiàn)場巖體原位測試）及100到1000千赫（巖石樣品測試），覆蓋了聲頻到超聲頻頻段，但在檢測聲學(xué)領(lǐng)域簡稱其為“聲波檢測”。應(yīng)提及的是：這里所闡述的聲波檢測還包含一些被動聲波檢測，即不需要振源的地聲檢測技術(shù)概述。1.1巖體聲波檢測技術(shù)的進(jìn)展概述我國巖體聲波檢測技術(shù)應(yīng)用研究，是在上世紀(jì)六十年代中期開始的。它的起步借鑒了金屬超聲檢測和水聲探測技術(shù)，從儀器研發(fā)、換能器的仿制到研制，現(xiàn)場原位檢測及室內(nèi)試件測試方法研究，經(jīng)歷了四十個春秋，是在一代科技工作者多學(xué)科群體的努力下完成的；到今天，檢測儀器由第一代電子管式、第二代晶體管式、第三代小規(guī)模集成電路式，發(fā)展到今天的第四代，即由聲波發(fā)射電路、大規(guī)模集成電路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機(jī)嵌入式主板、操作系統(tǒng)軟件、信號分析處理軟件等組成，成為具有一定智能分析功能的聲波檢測分析儀，換能器多達(dá)十余個品種；由縱波測試應(yīng)用發(fā)展到橫波測試；由聲學(xué)參量聲時的應(yīng)用，發(fā)展到波幅、頻率的應(yīng)用。目前，聲波檢測技術(shù)納入了不同行業(yè)的多個規(guī)程、規(guī)范，說明該項技術(shù)的發(fā)展成熟程度。1.2巖體聲波檢測使用的頻率表SEQ表格\*ARABIC1不同頻率震源的檢測目的、檢測距離檢測目的所用震源震源頻率（kHZ）探測距離（m）備注大距離檢測巖體完整性錘擊震源0.5－5.01－50振幅A指聲波波形離開平衡點的最大值；頻率f波峰與波峰之間相隔的時間稱為周期，周期的倒數(shù)即為頻率；振動圖表示(x=x0)波傳播過程質(zhì)點的振幅隨距離和時間變化；y=Asin2f(t-x/c)圖1主頻任意一個波都可以分解成不同頻率，不同振幅和不同相位的正弦波，主頻指振幅最大那個正弦波的頻率圖1波長在一個周期內(nèi)傳播的距離稱為波長；波數(shù)波長的倒數(shù)；聲能密度指介質(zhì)單位體積內(nèi)的聲波能量，包括動能和勢能，動能與介質(zhì)質(zhì)點振動速度有關(guān)，勢能與振幅有關(guān)；波長=聲速×周期=聲速/頻率2.3.2聲波的傳播路徑圖22.3.2.1聲波圖2當(dāng)彈性波以臨界角j入射到分層介質(zhì)時，在地表能檢測到三種傳播路徑不同縱波：(1)由聲源直接傳播來的直達(dá)波；(2)聲波傳播到交界層面時沿交界面行走一段的滑行波，再折射回上面巖層的折射波；(3)聲波傳到下面巖層上直接反射回來的反射波。2.3.2.2聲波的繞射聲波遇到障礙物時，如果障礙物反射系數(shù)很大，波將改變傳播方向，繞過障礙物傳播，產(chǎn)生繞射波。例如：入射波波前到達(dá)障礙物的邊緣A點時，將形成新的波源并繞過障礙物繼續(xù)向前傳播。常用來探測巖體的裂隙。2.3.2.3聲波的散射在巖體中傳播的波，遇到不光滑的界面時，如果界面上的凹凸處的曲率半徑和波長的相比很小，會發(fā)生波前的散射。波的散射特性，給聲波探測帶來干擾，是不利因素?？梢岳蒙⑸涮匦詠碛^察巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破碎程度。3聲波探測設(shè)備及方法巖體聲波探測系統(tǒng)由激發(fā)裝置、換能器和聲波儀組成。3.1聲波激發(fā)方式3.1.1爆炸激發(fā)——用炸藥作震源特點：（1）頻率較低，約為10~100Hz；（2）能量較大，作用距離較遠(yuǎn)（3）可分辨性較差；（4）單次激發(fā)3.1.2錘擊激發(fā)——使用8~10kg的鐵錘，人工錘擊巖體特點：（1）頻率100~1000Hz；（2）作用距離幾米到數(shù)十米；（3）分辨能力較爆炸震源強；（4）單次激發(fā)3.1.3電火花源激發(fā)——在空氣或水中高壓放電，產(chǎn)生振動特點：（1）頻率較高，約1~300kHz；（2）瞬間放電功率達(dá)1000kw以上，形成沖擊波，傳播距離達(dá)幾十米；（3）可分辨性較高；（4）單次激發(fā)3.1.4電聲換能器激發(fā)——聲波換能器利用壓電逆效應(yīng)制成一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置特點：（1）發(fā)射頻率、脈沖長度（持續(xù)時間）可以控制；（2）可多次重復(fù)發(fā)射；（3）發(fā)射能量較小。3.2聲波的接收傳統(tǒng)的聲波儀多使用壓電型接收換能器，利用晶體壓電效應(yīng)將經(jīng)巖體傳播后的聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，做成接收聲波探測器，接收的信號攜帶了巖體的物理力學(xué)及地質(zhì)信息。3.3放大及數(shù)據(jù)采集當(dāng)代國產(chǎn)性能好的聲波檢測儀，在將波形顯示在屏幕上的同時，可將接收信號的首波波幅及首波的到達(dá)時間(即聲時)自動加以判讀，同時顯示其數(shù)值。對接收到的波形、波幅、聲時等可隨時存入電腦硬盤，作為下一步的分析處理。上述聲波信息可在專用的數(shù)據(jù)與信息處理軟件的支持下，對被測介質(zhì)作出評價。3.4被動式聲波檢測巖體中的聲發(fā)射信號、滑坡體蠕動產(chǎn)生的摩擦聲信號統(tǒng)稱為“地聲信號”。由于它沒有聲波發(fā)射系統(tǒng)，但接收是多通道的(三個以上)，故稱之為被動式聲波檢測。另一個重要的不同點是：它需要計時系統(tǒng)，記錄出現(xiàn)地聲的時刻，同時需對地聲脈沖信號的主頻、波幅量化處理后存儲記錄，統(tǒng)計出地聲事件出現(xiàn)的頻度。它必須長時間連續(xù)工作，提供不間斷的觀測記錄。地聲監(jiān)測是地質(zhì)災(zāi)害的勘查手段之一，是研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展規(guī)律的重要手段。3.5巖體聲波的檢測方法應(yīng)用聲波探測巖體時，主要有下列五種工作方法：穿透法、反射法、折射波法、剖面法、鉆孔探測法。3.5.1穿透法穿透法是將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在介質(zhì)相對的兩個表面上，根據(jù)穿透波的傳播時間和波形的變化來判斷介質(zhì)的特性。穿透法靈敏度高，波形單純、清晰，干擾較小，各類波形易于辨認(rèn)，是一種使用較為廣泛的方法；但是對換能器安裝的相對準(zhǔn)確性要求較高。通常用于厚度比較大、并且兩個表面都能安放換能器的情況。圖3穿透法圖3穿透法圖4反射波法該方法是將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在介質(zhì)同一表面上，發(fā)射換能器向介質(zhì)內(nèi)部發(fā)射聲波，接收換能器接收來自介質(zhì)內(nèi)部分層、缺陷的反射波，測量反射波傳播的時間和波形，來判斷介質(zhì)內(nèi)部性質(zhì)的方法。通常用于確定地層厚度、波速和缺陷、樁基完整性檢測、混凝土厚度檢測圖4反射波法3.5.3折射波法折射波法是將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在巖體同一表面上，發(fā)射換能器向巖體內(nèi)部發(fā)射聲波，接收換能器接收來自下伏巖層的折射波，測量折射波傳播的時間和波形，來判斷介質(zhì)內(nèi)部性質(zhì)的方法。在采用該方法時，下伏巖土層的波速大于覆蓋層的波速，發(fā)射換能器和接收換能器的距離應(yīng)大于盲區(qū)。多應(yīng)用于確定地層厚度、巖層波速等。3.5.4剖面法剖面法又稱沿面法，它把發(fā)射換能器和接收換能器布置在同一表面上，測量表面直達(dá)波傳播時間和波形，來判斷介質(zhì)表層性質(zhì)的方法。主要用于判斷介質(zhì)的巖體淺部缺陷和材料的性能。3.5.5鉆孔探測法鉆孔探測法是把發(fā)射換能器和接收換能器布置在鉆孔中，測量孔壁折射波或孔間透射波傳播時間和波形，探測巖體特征隨孔深變化的方法。分為單孔測井法和雙孔穿透法。單孔測井是發(fā)射換能器和接收換能器同時放入一個鉆孔，測量折射波；雙孔穿透法發(fā)射換能器和接收換能器分別放入兩個鉆孔，測量透射波。4聲波測試技術(shù)在工程中的應(yīng)用4.1圍巖松動圈的測定圍巖“松動圈”是隧洞設(shè)計和評價圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一。聲波速度是反映巖體變化狀態(tài)的綜合定量指標(biāo)。因此，聲波速度變化大小，反映了巖體裂隙壓密程度及受力狀態(tài)，這就為測定圍巖松動圈的大小或范圍提供了理論依據(jù)。洞室開挖以后，洞壁附近巖體會產(chǎn)生新的裂隙，原有裂隙伸長、擴(kuò)展，原巖應(yīng)力受到了擾動，表現(xiàn)為應(yīng)力降低，相應(yīng)的波速也出現(xiàn)低值，形成具有低波速量值的應(yīng)力下降帶；往內(nèi)由于巖體應(yīng)力重分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂隙壓密，也出現(xiàn)相應(yīng)波速增高區(qū)，形成具有高波速量值的應(yīng)力集中帶；再往深處，巖體未受到擾動，波速值基本不變，稱原始應(yīng)力（原巖）區(qū)。硐室圍巖松動圈范圍，可采用巖體聲波方法進(jìn)行測試，并確定圍巖松動圈的厚度和形狀。硐室圍巖松動圈的測試可選擇有代表性的地質(zhì)單元，布置相距2-3m的兩個觀測斷面，并在斷面的拱頂、拱角、側(cè)壁等部位，分別布置孔間距離為0.5-1m的平行孔，孔深一般為1-2倍硐徑。分別在每組鉆孔中測量聲波速度隨深度的變化。繪制Vp-L曲線。就可得出整個斷面的“松動圈”范圍。從國內(nèi)外大量實測結(jié)果來看，Vp-L曲線有以下幾種形式：第一種形式圖為Vp值沿孔深增加基本保持不變，巖體松動帶不明顯，說明原巖受洞室開挖和爆破的影響較小。第二種形式為靠近洞壁表面一定范圍內(nèi)，Vp值比巖體的原始值低，以后Vp值隨著孔深的增加而逐漸上升至巖體的原始值，表明在靠近硐壁附近存在松動帶。第三種形式為靠近洞壁表面一定范圍內(nèi)，巖體的Vp值低于巖體原始值，Vp值沿孔深逐漸增加，超過原始值Vp后直到有一峰值。以后，當(dāng)孔深再增加時，Vp值開始下降，最終恢復(fù)到原始Vp值。說明靠近洞壁處存在松動帶，同時在松動帶以后還存在應(yīng)力集中帶。引灤八一林隧洞的聲波測試實例：該隧洞為無壓輸水隧洞，設(shè)計開挖斷面為跨度9m，高7.9m直墻圓拱型。隧洞穿越中厚層、厚層震旦紀(jì)白云質(zhì)灰?guī)r。隧洞采用光面爆破全斷面分段開挖及時噴錨支護(hù)的施工方法。聲波測試布置了二個平行測量斷面，相距1m，每個斷面4孔，孔深8-9m，進(jìn)行聲波測試。主要成果如下：①所有的VP-L曲線基本都符合堅硬完整均勻巖體的規(guī)律。②聲波測試與圍巖變形測得的結(jié)果基本一致。松弛圈的厚度一般在0.9-1.10m，平均為1m，而后波速逐漸增高進(jìn)入2m左右形成承載圈后趨于穩(wěn)定，達(dá)到未開挖前原始的波速。③根據(jù)圍巖松弛圈及承載圈的大小認(rèn)定圍巖基本穩(wěn)定。采用3m長錨桿、鋼筋網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。4.2大壩基礎(chǔ)灌漿效果檢測由于聲波測試是一種快捷簡便的非破壞性檢測方法，因此在水電工程大壩帷幕灌漿和固結(jié)灌漿效果檢查、壩基建基面合理確定、壩基不穩(wěn)定巖體范圍的劃定等方面，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。該方法根據(jù)施工設(shè)計對基礎(chǔ)的要求，布置灌漿孔以及灌漿效果檢測孔。利用灌漿檢測孔或灌漿孔（單、雙孔、孔深、孔距應(yīng)滿足施工設(shè)計和測試精度要求），測量灌漿前后聲波速度Vp變化，直接為設(shè)計施工提供依據(jù)。魯布革電站大壩帷幕灌漿，根據(jù)防滲設(shè)計要求，灌漿后單位吸水率ω≤0.05Lmin·m·m，裂隙系數(shù)，巖體的平均波速值大于3950m/s。灌漿前后巖體聲波測試結(jié)果證實，大壩帷幕灌漿達(dá)到了設(shè)計的要求。4.3巖體動靜彈模關(guān)系巖體動靜對比的研究，上世紀(jì)70年代以后，國內(nèi)外開展得甚為活躍，結(jié)合工程實際總結(jié)出許多頗有價值的經(jīng)驗公式。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)已建立動靜彈模相關(guān)性的經(jīng)驗公式幾十種。由于地質(zhì)條件和巖性的不同，測試方法和儀器設(shè)備又不統(tǒng)一，各種經(jīng)驗公式在推廣應(yīng)用上有很大的局限性。根據(jù)國內(nèi)外多數(shù)研究表明：對于堅硬完整致密的巖石，Ed/Es比值大約為1-5倍。而軟巖破碎疏松的巖石Ed/Es比值大約為5-20之間。由于巖體大多受結(jié)構(gòu)節(jié)理裂隙控制，因此要找一個統(tǒng)一的動靜彈模對比公式是不可能的。因此，在條件許可時，宜針對具體工程進(jìn)行一定數(shù)量的動靜對比測試，從而找出該工程代表性巖體的相關(guān)規(guī)律。4.4大壩建基面驗收隨著水利水電建設(shè)的發(fā)展，壩基及邊坡巖體質(zhì)量控制和開挖驗收工作，已從過去單純的宏觀地質(zhì)描述向與地質(zhì)因素、工程力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的快速檢測定量描述綜合評價的方向發(fā)展。清江隔河巖水電站采用地震折射剖面法為主、壩基平面網(wǎng)絡(luò)波速分布與適量的聲波鉆孔抽檢相結(jié)合為輔的方法，將聲波快速檢測技術(shù)運用到壩基驗收取得了成功的經(jīng)驗。在清江隔河巖壩基驗收中，采用了聲波測試技術(shù)對整個基巖面作出了定量評價。在壩塊基巖面沿平行、垂直壩軸方向，按5m×5m方格網(wǎng)絡(luò)布置測線，作一點錘擊多點接收的聲波折射波法測試，在重點部位則采用相遇方法進(jìn)行錘擊試驗和聲波測井。建基面聲波檢測要點如下：①布置5-7m見方的X、Y向網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)缺陷及構(gòu)造面適當(dāng)調(diào)整地震測線，長度以30-60m；②通過地震剖面測試提供松弛帶可能厚度及網(wǎng)格節(jié)點間試段波速測值；③反演各網(wǎng)絡(luò)單元中心點的波速，繪制壩基波速分布示意圖；④在波速及松弛厚度異常點適當(dāng)增加聲波鉆孔抽檢測量，并對地震剖面提供的松弛厚度進(jìn)行復(fù)檢論證。根據(jù)上千條測線的聲波測試成果，將建基面劃分為3大類：1）縱波波速Vp大于4800m/s，約占建基面總面積的14%，其巖體為新鮮或微風(fēng)化狀，巖體完整性系數(shù)K大于0.76，動彈模約45GPa，靜彈模為19GPa；2）縱波波速為4000-4800m/s，約占建基面總面積的43%，巖體一般呈微風(fēng)化或弱風(fēng)化狀態(tài)，完整性系數(shù)K為0.51-0.76，動彈模為30-45Gpa，靜彈模為8-19Gpa；3）縱波速度Vp為3000-4000m/s，占建基面的43%，巖體完整性系數(shù)小于0.51，動彈模小于30GPa，靜彈模低于8GPa，巖體多呈弱風(fēng)化狀。從整個建基面巖體質(zhì)量分布看，右岸壩塊較左岸壩塊發(fā)育好，上壩塊較下壩塊好，這與地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況相符合。聲波測試成果表明，建基面低波速層厚度為0.6-1.8m，平均為1.2m。4.5工程施工質(zhì)量檢查現(xiàn)代施工多系混凝土構(gòu)成，混凝土強度檢測是工程施工質(zhì)量檢測的關(guān)鍵之一。影響混凝土質(zhì)量的諸多因素多與混凝土的聲波速度有關(guān)。對于每種混凝土Vp速度的相對數(shù)值經(jīng)常是表示其強度的一種重要指標(biāo)。我們可以通過混凝土構(gòu)件及澆鑄體聲測參數(shù)的變化來判定其質(zhì)量如何。在實際工作中，我們把Vp>4.5km/s稱為質(zhì)量優(yōu)等，把Vp=