1、超声波测量技术一.测量的意义 利用声波在岩体内传播的特性，（波速、振幅、频率、相位）研究岩体物理力学性质、构造特征及应力状态超声波 频率高于20000Hz目前岩体声波量测技术主要可以解决下列问题1.岩体的工程地质分类；2.确定围岩松动圈的范围，为合理设计锚杆长度、喷 浆或衬砌厚度提供依据；3.测定岩体物理力学参数，包括动弹性模量、泊松 比、单轴抗压强度及密度等；4.工程注浆效果检测；5.煤柱、岩柱稳定性评价；6.混凝土探伤及强度检测：7.冻结法凿井时，冻结壁厚度的检测；8.断层、裂隙及溶洞等地质异常的研究；9.地应力测试，冲击地压、煤与瓦斯的突发事件及地 震灾害的预报等。声波量测法的实质 在被
2、测岩体中，利用声波的传播速度或振幅的衰减规律取得的数据，再通过计算求出所需的力学参数。岩体测量假设 岩体视为弹性体，承载信息的是弹性声波。二、无限弹性介质中的波1.纵波与横波根据固体弹性理论，在不考虑体力的情况下各向同性理想弹性介质中的波动方程为 (2.1)式中介质质点的位移向量；介质的弹性常数；介质的密度；体应变，可表示为位移向量的散度，拉普拉斯算子222)(tuuGGuG、2u2222222zyx(2.1)式两端分别取散度，利用算符及之间的对应关系可得222)(tuuGG222)2(tG（2.2）（2.3）或上式实际上描述的是一种胀缩状态扰动传播的波动方程式。（无旋波）假定在岩体中取一点作
3、为波的震源，随时间 的变化规律为 （2.4）式中 初始振幅；角频率。振动是由震源向四周传播的，那么，距震源为r的点处的体应变为 tsin0t0)(sin0Pvrtpv（2.5）式中声波在岩体介质中的传播速度。式(2.5)分别对r和t求二阶导数，得：将(2.6）和（2.7)式代入(2.3)式得 上式表示体应变 以 大小的速度在介质中传播，这就是弹性纵波(P波)。对式（2.1）两边分别取旋度，可得 2202222)(sinPPPvvrtvr )()(222utuG21)2(GvP（2.6）（2.7）20222)(sinPvrtt（2.8）2202222)(sinPPPvvrtvr uw（2.9）令
4、 ，将上式整理得 表示弹性体在旋转外力作用下介质产生的角度转动，可以看出上式描述的是旋转状态扰动传播的波动方程式。（无散波）依照上述分析方法，得：上式表示旋转量w是以 的速度在介质中传播，横波(S波)。21)(GvSuw（2.10）0222wGtwSv（2.11）GK32已知体积压缩模量 ，故 此式说明，纵波不仅与K有关，也与G有关，即纵波传播时，介质不只是承受一个简单的压缩，而承受的是压缩和剪切的组合作用。从弹性理论知道，拉梅常数、与弹性模量和泊松比有如下关系：21)34(GKvP)21)(1(E)1(2EG)21)(1()1(EvP（2.12）（2.13）（2.14）于是有)21()1(2
5、SPvv)21()1(2SPvv （2.15）上式表明，固体介质的vp和vs值的大小是由其弹性模量、泊松比及密度决定的。相反，如果测量得出vp、值vs，并且知道密度时，即可算出固体介质纵、横波速度的大小。根据公式（5.14）、（5.15），可得：即岩体的 只与泊松比有关，而与密度和弹性模量无关。多数岩石的泊松比为0.25，故 以上讨论得知，在无限的弹性介质中传播的波，只有纵波和横波两种波。（2.16）SPvvPPtlvSStlv （2.17）纵波特性 不论波长的大小和波形如何，在弹性岩体内都以疏密发散的形式传播，其速度为常数，速度的大小只与弹性常数和密度有关。横波特性 不论波长大小和形状如何，
6、在弹性岩体中均以剪应变的横向位移形式向前和向后传播，其速度为常数，它也是只与弹性常数和密度有关的常数。这个结论是材料力学性质的超声技术测量主要理论基础。二.声波量测应用的参量 声波穿过岩体时，有三个方面的参数将因岩体力学性质、结构状态的不同而发生变化，这些指标可作为声波探测岩体的参量。(1)声速 声波在岩体中传播的速度，包括纵波速度和横波速度。(2)声幅 声波的能量或强度大小，表现在观测仪表上为声波波形的振幅大小。(3)频谱 任何一个非正弦的振动波，可以分解成不同振幅、不同频率、不同相位的多个正弦波，这些不同频率、不同振幅的正弦波构成频谱，振幅(能量)最大的频率称为主频。左图为不同岩体的声学特
7、性坚硬、致密、完整的岩体，声波的传播速度较快，能量(振幅)衰减较小，频谱成分变化也较小，因而总的波形变化不大（a）。(a)完整岩体；(b)非完整岩体软弱、破碎岩体，声速较低，声幅衰减较大，频谱中高频成分被严重吸收，波形变化较大，表现为周期拉长(b)。现场测量中主要应用纵波速度和横波速度。研究与测试表明，这些参量与岩体稳定的岩性、风化程度、结构面、所受应力状态等。三、超声波量测仪器1.声波换能器压电晶体电压作用变形压电晶体受力作用电压压电晶体既能发出声波，还可以接收声波，把接收的声波，转换成相应的电压，经过声波仪接收机放大并显示出波形，可以测量声波在介质中的传播时间，用以计算波速。由压电晶体组成
8、的声波测量元件叫电声换能器，包括作为振源的发射换能器和作为探测器的接收换能器。利用压电晶体的这种特性可以实现电声之间的能量转换。将声波仪发射机产生的脉冲电压加到压电晶体上，晶体便产生变形而振动，成为振源。2.声波参数的测量 走时与旅程测量声波的走时，最为关键是波初至点的准确位置的确定。岩体声波探测对仪器的要求脉冲宽度；输出电压；频率；阻抗匹配；换能器的指向性；耦合方式。保证获得正确的、清晰的声波波形。1）纵、横波的识别对实测记录一般按以下波形特征区别纵波和横波：纵波比横波波速大记录波形纵波在前，横波在后；纵波的振幅小于横波的振幅；纵波的周期小于横波的周期；横波初至相位与纵波初至相位差180。声
9、波仪上接收的波形 图实测波形的初至时间.A发射波起始点：tpP波初至时刻；P纵波起跳点：tsS波初至时刻：S横波起跳点;l发射点与测点间的距离12ttlv1)初至点的识别经过对接收波形的图形处理之后，就要对各类波的初至时刻进行识别。纵波初至时刻的识别：尽量增大放大器的增益，以便于识别波形的最初起跳点；在有高频干扰时，可用高频包络线的中线与基线的分离点作为初至时刻；当初至起跳点不明显或反相时，则需根据波速及波形特点进行估计，同时转换传感器的耦合条件和倾斜方向，力争使各测点初动方向一致。2)横波初至时刻的识别：横波比纵波慢，常混淆于续至波区域内，比较难于识别。尽量减小增益，压缩P波振幅使其尽量与基
10、线重合，突出S波；再加大增益，根据S波周期和相位与P波不同的特点，仔细判定横波的起跳点；另外也可以由纵、横波速度之比以及理论时间距离曲线法，查找初至时刻。3)波速的计算测得纵、横波的旅行时间和后，根据收、发测点间的距离，即可计算纵、横波速和：73.1SPvv （2.19）（2.18）2.现场岩体声波探测方法1）双孔孔间穿透测量（1）同步观测法。孔间距约5l0m，增压式换能器或圆管式换能器，两孔换能器同步移动用水做耦合剂。R R 图522R R R R R R （2）CT(Computer Tomography)观测方法。发射与接收也是两个平行孔，该观测方法在一个深度发射，另一孔中不同深度多点呈
11、扇形接收，然后。不断移动发射点，接收段按一定规律移动。T R T R1 R2 一个孔发射完后，发射与接收互换，重复进行。接收点的多少和观测次数依探测精度要求而定。依据声波走时对孔间声速进行层析成像反演，得到孔间声速分布图。根据声速分布图进行岩体岩性变化、裂隙发育状况、岩体破碎状况以及注浆效果等的评价。CT观测方法精度高，效果好，但是工作量大，成本很高。2）单孔声波测量水做耦合剂；圆管式一发双收换能器；确定围岩松动圈；进行岩体分级；求取岩体力学参数。单孔声波测试对垂直于孔轴方向的结构弱面比较敏感，采用一发双收换能器的目的是除去声波在耦合水中的走时，此时计算声速的公式为：R2 R1 T （2.20
12、）T R R R 3）环形声波测量 沿圆周上8个以上测点在岩体表面上用夹心式换能器；或在钻孔内用圆管式换能器；测取对径各个方向的声波速度。确定岩体最大主应力方向因为在一定范围内岩体波速随应力的增大而升高。22222)43(PSSPsdvvvvvE4）岩柱对穿测量在岩柱相对两壁面上，用锤击方式或夹心式换能器激发声波，用夹心式或弯曲式换能器接收，也可在任意两点间对穿，如图。测量直达波的走时，计算波速，此法可以快速、经济地测试岩体内部的结构情况，用于岩柱稳定性分区，但要准确地测量发射与接收点的间距还是比较困难的。rdmdEE5）岩面平面测量在岩面上，用夹心式(喇叭式)换能器或锤击方式激发声波，接收点
13、用夹心式或单片弯曲式换能器进行接收，测取声波从发射换能器T到接收换能器R的旅行时或锤击声波经过第一接收换能器到第二接收换能器的时差，计算直达波的速度此方法主要用于快速确定岩体浅部结构状况，对垂直岩面的结构弱面比较敏感。)(222222PSSPdvvvv3.室内岩石试件测试1)承压测量将承压式换能器连同试件一起放到压力机上，在进行轴向加载的同时，测取纵、横波速度。承压测试方法的主要用途为：（1）研究声速与应力的关系；（2）测声速同时，进行静弹性模量的测试(贴应变片)，研究声速与静弹性模量之间的关系；（3）测声速同时，将岩块压碎，测抗压强度，研究声速与抗压强度的关系。2）非承压测试 将岩块加工成圆
14、柱状或方柱状试件，用非承压纵、横波试件换能器，分别测取纵、横波走时，然后据试件长度计算声速，纵波测试多用黄油做耦合剂；横波测试需用粘结剂将换能器固结在试件上，并且在测试完毕后又能设法取下。非承压试件测试主要用于确定岩石的动弹性参数。四、声波探测的应用1.岩体力学参数测定岩体(石)动弹性参数测定在现场，通常利用平面测试或孔内测试来测定岩体纵、横波速度，并按照下列两式计算岩体的动弹性模量及动泊松比rsmsEE 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Ems/Er s Emd/Er d （2.22）（2.21）2）岩体静弹性模量的测算间接测试方法：通过室内
15、岩石动、静弹性模量和现场岩体动弹性模量，换算出现场岩体静弹性模量的方法。大量实测资料可知，岩体与岩石试件的动弹性模量之比 ，同岩体与岩石试件的静弹性模量 之比存在一定的统计关系。只要测得室内岩石试件的动、静弹性模量，再测得所取岩石样本之处现场岩体的动弹性模量，根据 与 关系的统计曲线可以求出岩体的静弹性模量。rrPmpmqvvkq2)(krrPmpmqvvkq2)(kmq3）岩体准抗压强度的测算现场岩体抗压强度的测试也比较费事。一种比较易于实现的办法，即根据室内测得的岩石试件的抗压强度，通过声波速度的转换，可以算出岩体的准抗压强度，它与现场岩体的抗压强度较为接近。转换关系Lvp （2.23）式中岩体准抗压强度；比例系数；岩体纵波速度；岩石纵波速度；岩石抗压强度。mpvNoImagerqNoImageNoImage4）围岩松动圈的探测 测量时，在巷道断面选几个主要部位，垂直岩壁向围岩内打孔，测量孔内不同深度的声波速度，作出 曲线，根据统计资料得出的正常岩体波速，划分出三个圈带 rPv
