第七章-巖體聲波測試

第七章巖體聲波測試一、聲波及傳播

固體介質(zhì)中擾動(dòng)傳播形成應(yīng)力波、聲波、超聲波、地震波，爆炸沖擊波都是應(yīng)力波。應(yīng)力波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在自己的平衡位置附近作振動(dòng)，傳播的只是擾動(dòng)狀態(tài)，而不是振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)。為了便于討論，假定擾動(dòng)源點(diǎn)作簡諧振動(dòng)，它的位移可用正弦函數(shù)表示，則

u=Asin

t應(yīng)力波傳播到距源點(diǎn)X處時(shí)，該點(diǎn)被擾動(dòng)后振動(dòng)的歷程為

u=Asin(t－x/v)=Asin(t－2x/)即該點(diǎn)也作同源點(diǎn)有一相位差的簡諧振動(dòng)式中A為振幅；為振動(dòng)的圓頻率；v為波速；為波長。

擾動(dòng)引起固體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的應(yīng)力波為縱波，固體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的應(yīng)力波稱為橫波?？v波傳播的速度較快，易于識(shí)別，橫波傳播速度較慢，由于受到縱波余波的干擾，識(shí)別比較困難。二、換能器的工作原理

巖體聲波測試所用的換能器種類很多，主要采用壓電式換能器。壓電式加速度計(jì)是利用正壓電效應(yīng)制成的機(jī)—電轉(zhuǎn)換器。當(dāng)它承受機(jī)械振動(dòng)時(shí)，其輸出端能產(chǎn)生與所承受的加速度成比例的電壓或電荷量。與其他振動(dòng)傳感器相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，頻率范圍寬，線性動(dòng)態(tài)范圍大，以及重量輕，體積小等。壓電式換能器的結(jié)構(gòu)圖及力學(xué)模型示于圖7.1-1。

（a）壓電式換能器結(jié)構(gòu)圖（b）力學(xué)模型

圖7.1-1壓電式換能器及其力學(xué)模型三、波速同介質(zhì)力學(xué)特性參數(shù)的關(guān)系

巖體不是理想的均質(zhì)、各向同性介質(zhì)。但從工程角度考慮，只要當(dāng)傳播的聲波波長與巖體空間尺寸滿足一定條件時(shí)，就可以按聲波的傳播理論得到聲波在巖體中傳播速度同巖體力學(xué)參數(shù)的關(guān)系,如式(7.0-1)～式(7.0-3).

（7.0-2）（7.0-3）（7.0-1）四、聲波測試技術(shù)在巖土工程中有廣泛的應(yīng)用

巖體聲波測試是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數(shù)，為評(píng)價(jià)工程巖體力學(xué)性質(zhì)提供依據(jù)。其在巖石工程中應(yīng)用廣泛，主要有工程巖體質(zhì)量分級(jí)、圍巖松動(dòng)圈的測定、大壩基礎(chǔ)灌漿效果檢測、巖體動(dòng)靜彈模對(duì)比、建基面基巖質(zhì)量評(píng)價(jià)和驗(yàn)收、爆破開挖影響范圍檢測、測定風(fēng)化系數(shù)、完整性系數(shù)和各向異性系數(shù)、斷層和巖溶等地質(zhì)缺陷探查等等。第一節(jié)巖塊聲波測試

巖塊聲波測試主要儀器和設(shè)備包括巖石聲波參數(shù)測試儀；縱波換能器、橫波換能器；游標(biāo)卡尺；標(biāo)準(zhǔn)試棒；測試架。測試記錄包括工程名稱、巖石名稱、取樣部位、試件編號(hào)、試件描述、試件尺寸、測試方法、換能器間的距離、傳播時(shí)間、儀器系統(tǒng)的零延時(shí)、測試人員、測試日期。

其主要關(guān)鍵技術(shù)問題如下：1波形識(shí)別

巖塊聲波速度測試一般采用脈沖超聲波法，能否正確測讀聲波到達(dá)時(shí)間，將直接影響到測量精度，測試工作中應(yīng)予特別重視?？v波最先到達(dá)，較易識(shí)別，但縱波往往能量較小，如信號(hào)放大倍數(shù)選擇不當(dāng)，容易引起掉波現(xiàn)象，造成縱波波速測讀不準(zhǔn)。而橫波是后續(xù)波，受到縱波余振及其他因素的干擾，往往難以準(zhǔn)確識(shí)別初至波到達(dá)時(shí)間，給時(shí)間測讀帶來困難和誤差。采用切變振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式的專用橫波換能器，是測讀橫波的一種有效方法。

2測試設(shè)備的選擇和使用在小尺寸的巖塊試樣上進(jìn)行聲波測試時(shí)，如要模擬無限介質(zhì)的條件，則必須配備能滿足測量精度的超聲儀與其配套的換能器，因此，只要滿足規(guī)程中要求的測試整機(jī)或組合配套設(shè)備，均可用來進(jìn)行巖塊試樣的測試。測試儀器的使用應(yīng)視具體情況而定，如同步觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率應(yīng)選擇適當(dāng)。一方面要保證通過試樣的超聲波信號(hào)不受余振的影響，又要使熒光屏上有足夠的亮度。一般同步觸發(fā)以50Hz為宜，適當(dāng)調(diào)整激發(fā)脈沖電壓和脈沖寬度，可使發(fā)射換能器輸出的功率最大。另外，還要合理調(diào)節(jié)掃描延時(shí)和選擇放大器增益，使熒光屏上的波形清晰可見，便于準(zhǔn)確判讀。

換能器是聲波測試中的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)射換能器將脈沖發(fā)射系統(tǒng)輸出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)輻射給巖石試樣，接收換能器使巖石試樣傳播來的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入放大器。換能器的種類很多，用于巖石試樣的通常用壓電陶瓷晶片做成的壓電換能器，專用橫波換能器分為切變振動(dòng)型、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)型、橫波轉(zhuǎn)換型等。利用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)型換能器測試簡便可靠，并有以下優(yōu)點(diǎn)：測得的波速值就是巖塊試樣橫波波速值，無頻散現(xiàn)象，測得的波速值與使用的聲波頻率無關(guān)，測量精度高。接收換能器應(yīng)具有靈敏度高，頻帶寬而平坦，指向性好以及有較大的動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。發(fā)射換能器應(yīng)使用機(jī)械品質(zhì)系數(shù)Q值高，額定功率大，電聲轉(zhuǎn)換效率高，指向性好以及非線性失真小的換能器。換能器應(yīng)有各種不同頻率的規(guī)格，以滿足不同要求的測試。

聲波在試樣中傳播時(shí)，其波動(dòng)方程是很復(fù)雜的，一般情況下已不符合平面場的理論。若想符合平面場理論，必須提高聲波的發(fā)射頻率，使巖樣邊界對(duì)波速的影響降到可以忽略不計(jì)的程度，理論上要求D>>。對(duì)于室內(nèi)巖樣，一般D為5cm，則f=1MHz，一般情況下難以達(dá)到。

試驗(yàn)研究表明，只要D≥（2-3）時(shí)，就可以按平面理論計(jì)算巖樣波速，所測波速可認(rèn)為是巖樣的真正波速。否則巖樣的邊界降對(duì)聲波的傳播產(chǎn)生制導(dǎo)，出現(xiàn)制導(dǎo)波。它比巖塊的波速低。因此，當(dāng)與D之比達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)采用提高聲波發(fā)射頻率或加大試樣幾何尺寸等措施。

3縱波、橫波測試巖塊試樣的聲波測試，當(dāng)采用“直達(dá)波法”測試時(shí)，發(fā)射換能器與接收換能器應(yīng)安放在試樣的兩個(gè)端面的中心軸上，端面間的軸線長度即為測距，換能器作用面與中心線的偏差不應(yīng)大于2°。與“平透法”相比，“直達(dá)波法”所接收到的信號(hào)能量強(qiáng)，因而波幅大，初至波清晰易識(shí)別，測試精度高。

在橫波測試中，目前普遍采用切變振動(dòng)模式橫波換能器。橫波在縱波之后，振幅比縱波大，但初至點(diǎn)受到它前面波的干擾，往往難以識(shí)別。在使用切變振動(dòng)模式換能器測橫波時(shí)，若將發(fā)射換能器或接收換能器轉(zhuǎn)動(dòng)180°，橫波的初至點(diǎn)相位隨之變化180°，這樣前后兩次對(duì)比，可較準(zhǔn)確地判讀橫波的初至?xí)r間。另外，必須注意接收與發(fā)射換能器切變振動(dòng)方向要一致，否則接收橫波的靈敏度也將大大降低。

4系統(tǒng)零延時(shí)測試換能器的滯后時(shí)間t0值是由換能器及電路系統(tǒng)、耦合劑等所造成的，因此計(jì)算時(shí)必須扣除這一時(shí)間。t0值測定方法如下：預(yù)先把發(fā)射與接收換能器的作用面對(duì)接，從儀器上讀出這一延時(shí)，或者利用不同長度的有機(jī)玻璃棒測讀數(shù)，繪制時(shí)距曲線，其時(shí)間軸截距t0即為延遲時(shí)間。

5應(yīng)力作用下的聲波測試

巖塊在受外加載荷作用時(shí)，其中的孔隙率、節(jié)理裂隙等將隨著應(yīng)力的變化而改變，這些改變將使聲波的傳播特征產(chǎn)生變化。若在試樣的最大與最小主應(yīng)力方向進(jìn)行超聲波測量，判別試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過程以及最終破壞的信息，會(huì)得到良好效果。試驗(yàn)表明，巖塊試樣在不同應(yīng)力作用下，聲波的振幅變化比波速變化更為敏感。6耦合問題巖塊聲波測試要求耦合介質(zhì)有很好的傳導(dǎo)超聲波能力，并且耦合劑的聲阻抗接近被測巖石聲阻抗，目前縱波測試一般用黃油，凡士林等作耦合材料，橫波測試則利用鋁箔或銀箔耦合，可以得到較好效果。

7資料整理在測得巖塊波速后，可根據(jù)巖塊密度（）和泊松比（），計(jì)算巖塊試樣的動(dòng)力彈性摸量（Ed）和泊松比（）以及其它參數(shù)。在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮巖塊是否滿足各向同性條件。其方法是測量立方體試樣在x、y、z三個(gè)方向的縱波速度，并將測得其中的最大與最小值之差，與這三個(gè)方向的平均值相比，其比值小于1%可視為各向同性，如果比值在1%至3%之間，可近似假定為各向同性介質(zhì)。第二節(jié)巖體聲波測試

巖體聲波測試主要儀器和設(shè)備包括：巖石聲波參數(shù)測定儀；增壓式柱狀換能器；發(fā)雙收換能器；彎曲式接收換能器；夾心式發(fā)射換能器；干孔換能器；供水及止水設(shè)備；聲波激發(fā)裝置；換能器扶位器；標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)棒；鋼卷尺、測繩。

一主要關(guān)鍵技術(shù)問題1聲波傳播方式

當(dāng)聲波在無限介質(zhì)中傳播時(shí)，只有縱波和橫波兩種波；當(dāng)介質(zhì)中存在介面時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生其它面波型的波，如瑞利波（R）和蘭姆波（L）等。當(dāng)頻率足夠高，只要邊界尺度（D）滿足D≥（5-10）λ時(shí)，該介質(zhì)（試體）也可視為無限介質(zhì)。在巖石工程中，應(yīng)用較普遍的是縱波和橫波的波速。

按波的傳播方式分為直透法（直達(dá)波法）和平透法（折射波法和反射波法）。按換能器布置方式分為表面測試（發(fā)收換能器置于同一平面的共面觀測與分別置于不同平面的不共面觀測）、內(nèi)部測試（單孔測試及孔間穿透）及預(yù)埋式（收換能器預(yù)先埋置于介質(zhì)內(nèi)部）；按發(fā)射及接收換能器的配置數(shù)量劃分為一發(fā)一收、一發(fā)雙收、多發(fā)多收。見圖7.2-1。

圖7.2-1巖體聲波測試的各種工作方式示意圖

2巖體聲波測試布置為對(duì)聲波測試結(jié)果與靜力法測試結(jié)果作動(dòng)靜對(duì)比，應(yīng)將聲波測點(diǎn)布置在與靜力法測點(diǎn)相同的巖體上，并使聲波測試方向與靜載荷施力方向相同。布置的基本原則如下：（1）測區(qū)布局：除特殊區(qū)域的特定測試外，一般場地選擇應(yīng)具有不同的代表性，力求以最少的工作量說明較多的典型問題。（2）測線及鉆孔布置應(yīng)具有明確的針對(duì)性。為了解建筑物基礎(chǔ)巖體的沉陷，應(yīng)布置鉛垂向測線；為了解壩基下游巖體的抗力，則應(yīng)布置水平向測線。（3）測點(diǎn)宜布置在巖體均勻、表面光潔、無局部節(jié)理裂隙的地方，兩測點(diǎn)間介質(zhì)應(yīng)是均勻或比較均勻的，在異常區(qū)內(nèi)應(yīng)布置足夠的測點(diǎn)。

3巖體物理力學(xué)性質(zhì)與聲波波速的關(guān)系（1）巖石種類、巖性與聲波波速有關(guān)。新生代沉積巖體波速最低，約1.5-3.0km/s，古生代及中生代沉積巖次之，最高為變質(zhì)巖約5.5-6.0km/s。表7.2-1給出了部分巖石的縱波速度參考值。

表7.2-1部分巖石縱波波速參考值

（2）巖體中的裂隙發(fā)育程度和風(fēng)化程度對(duì)波速影響也很明顯。如中、古生代的砂巖、粘板巖等新鮮堅(jiān)硬而沒有裂隙時(shí)，波速在5.0-6.0km/s左右，如果裂隙發(fā)育，可降低到2.0-3.0km/s，若巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，則下降幅度更大。（3）密度與波速的關(guān)系。通過對(duì)密度與波速之間關(guān)系的研究表明，所有巖體從整體分布看，Vp和ρ均分散在兩條曲線范圍之間。縱波速度Vp有隨著密度ρ增加而增加的趨勢，當(dāng)ρ≥2.5時(shí)，Vp按對(duì)數(shù)函數(shù)增加；當(dāng)ρ≤2.5時(shí)，則按指數(shù)函數(shù)增加。

（4）孔隙率與聲波波速的關(guān)系，波速Vp隨著有效孔隙率的增加，波速急劇下降。還有研究表明，當(dāng)砂巖孔隙率約3%時(shí)，波速是6.6km/s；若孔隙率增加到8%時(shí)，則速度下降到5.0km/s。（5）含水量與波速的關(guān)系，含水量對(duì)波速的影響是很大的?？偟内厔菔遣ㄋ賄p≥3.0km/s的巖體，波速隨含水量（孔隙為水所充滿）增加而增加；而波速Vp約為6.0km/s的巖體，含水量對(duì)波速的影響不明顯；而Vp為3.0km/s以下的巖體，波速隨含水量增加反而減小。這種現(xiàn)象對(duì)Vp≤2.0km/s的巖體特別明顯。

4測試設(shè)備的選用巖體聲波試驗(yàn)的儀器種類較多，技術(shù)指標(biāo)、功能、用途不一，表7.2-2是聲波測試儀的一些技術(shù)指標(biāo)。巖體聲波測試所用換能器主要采用壓電式，技術(shù)參數(shù)主要考慮工作頻率、頻率特性、阻抗特性、品質(zhì)因數(shù)、電聲效率、方向性等。常用壓電換能器類型如表7.2-3所示。表7.2-2巖體聲波試驗(yàn)儀器的主要技術(shù)指標(biāo)表7.2-3壓電換能器類型

5影響波速測試的主要因素

換能器與測試巖體之間的耦合好壞是影響巖體聲波測試的一個(gè)重要因素，在地表露頭、洞壁測試，可用黃油或凡士林作耦合劑，換能器與巖體接觸部位要平整，起伏差一般不得超過3mm，并壓緊換能器，使換能器與巖體間的油層減至最薄，使收到的訊號(hào)能量增大。單孔、雙孔測試時(shí)，當(dāng)鉆孔為垂直向上孔或斜向傾上的孔，為了保證耦合質(zhì)量，應(yīng)采用有效的供水、止水設(shè)備。待孔中的空氣排出并充滿水時(shí)方能進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)的零延時(shí)to值對(duì)測試成果也有較大影響，任何電子儀器和換能器都存在一定的響應(yīng)時(shí)間。聲波在耦合介質(zhì)中傳播也需要一定的時(shí)間。因此，不論直達(dá)波法還是平透法，都必須從測得的縱、橫波傳播時(shí)間中扣除儀器、換能器及耦合介質(zhì)帶來的滯后時(shí)間to值。

to的測定可采用時(shí)距法或?qū)y法，另外還可用標(biāo)準(zhǔn)試件法。也可將發(fā)射換能器固定不動(dòng)，在一直線上等距離地逐步移動(dòng)接收換能器，繪制時(shí)距曲線，來求to值。測時(shí)方法和測時(shí)標(biāo)準(zhǔn)影響。聲波儀有自動(dòng)測讀和游標(biāo)測讀兩種測時(shí)方式。在同樣的接收波幅的情況下，兩種方法測得的波