第四章 声波探测

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第一节 声波探测原理及工作方法
一、声波探测原理
声波仪是声波探测使用的仪器。声波仪有多种型号，主动测试的仪器 一般都由发射系统和接收系统两大部分组成。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。 发射机是一种声源讯号的发射器，由它向压电材料制成的换能器(图 中的1)输送电脉冲，激励换能器的晶片，使之振动而产生声波，向岩体发 射。于是声波在岩体中以弹性波形式传播，然后由接收换能器(图中的2)加 以接收，该换能器将声能转换成电子讯号送到接收机，经放大后在接收机 的示波管屏幕上显示波形。
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下图展示了几种常见的Vp-L曲线类型。其中Vp>Vo的曲线(曲线1、2)， 表明无松弛带；硐壁附近Vp<Vo的曲线(曲线3、4)和Vp<Vo的多峰值曲 线(曲线5)，则表明存在应力松弛带。解释时，由曲线图中A点的坐标 值确定松弛带的厚度。
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下图 是应用声波法探测某地下工程巷道应力松弛带的实例。此断面岩性为 弱—微风化石英正长斑岩，岩体较完整，无构造断裂和宽大裂隙。整个断 面开挖采用光面爆破，声波探测时采用双孔直透法。据大量测试资料统计， 岩体的正常波速值为5330m/s，圈定松弛带范围时取5120m/s。求得松弛带 的平均厚度为0.6m。结论是岩体的松弛带较薄，强度高，硐体稳定。但该 断面上发育有两组节理，在拱顶组合成屋脊状，影响拱顶的稳定，施工过 程中曾发生过“冒顶”现象。因此结合地质条件，在拱顶部分应采取加固 措施。
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动弹性参数用速度、密度参数表 示的计算式，如下所示，
动力法测试具有设备轻巧，测试 简便，经济迅速，可大量施测等优 点，而且近代许多工程建筑还要考 虑动力的特点，因此声波(或地震勘 探)测出的动弹模量具有实用价值。 但是目前工程设计人员一般还 是要求给出与基础荷载条件相近的 静弹模量值，因此往往要把声波或 地震勘探测得的动弹模量换算成静 弹模量。 目前对动、静弹模之间的关系， 一般是采用动和静两种测试的结果， 通过对大量资料的对比统计，寻求 二者之间的数字相关函数Es=f(Ed)， 如右图所示：
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四、矿柱塌陷等地压灾害的监测
前面讨论过的声波探测方法，都是利用声波仪发射系统向岩体幅射 声波的主动工作方式。在声波探测技术中还有一种被动工作方式，此方 式要利用岩体受力变形过程中或断裂时自己产生的声发射。当岩体受力 而发生变形或断裂时，以弹性波形式释放应变能的现象称为声发射。如 果释放的应变能足够大，就会产生听得见的声音。而在矿柱塌陷等地压 灾害发生的前夕，由于微裂隙的产生而释放出应变能，且随裂隙的大量 发生和扩张，释放的应变能越来越大，则可利用地音仪对岩体进行监测， 可以预报矿柱塌陷等地压灾害。 为了排除噪音的干扰，地音仪中设置有门坎电压。只有当换能器输 送来的电压超过一定阈值时才被记录，而低于门坎电压的讯号则被剔除。 现场的监测工作一般是利用地音仪记录声发射的频度等参数作为岩体失 稳的判断指标。所谓频度是表示单位时间内所记录的能量超过一定阈值 的声发射次数，以N表示。
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二、声波探测的工作方法
1．测网的布置 测网的布置一般应选择有代表性的地段，力求以最少的工作量解决较多 的地质问题。 测点或观测孔的布置一般应选择在岩性均匀、表面光洁、无局部节理裂 隙的地方，以避免介质不均匀对声波的干扰。如果是为了探测某一地质因素， 测量地段应选在其他地质因素基本均匀的地方，以减少多种地质因素变化引 起的综合异常给资料解释带来困难。装置的距离要根据介质的情况、仪器的 性能以及接收的波型特点等条件而定。 2．工作方式 声波探测中，声波信息的利用至今还很不完善。因纵波较易识读，当前 主要是利用纵波进行波速的测定。实验证明，利用声辐探测不连续面(如节 理、裂隙、破碎带)时，灵敏度较高。横波的应用往往因识读困难受到一定 的限制。 在纵波测试中，最常用的是直达波法(直透法)和单孔初至折射波法(一发 二收或二发四收)，如下图所示
式中Ai为固定某增益时，参与比较的各测试段的振幅实测值，以mm 为 单位； A m为参与比较的各测试段中振幅的最大值，以mm 为单位； Δx 为发射换能器到接收换能器的距离， 即测试段的长度，以cm 为单位； α为参与比较的各测试段介质的振幅相对衰减系数，以cm-1 为单位。 可见，当Ai=Am时，相对衰减系数α为零，表明该段岩体在参与比较的各 测试段中质量最好； Ai越小, α就越大，表明该段岩体质量越差。根据这 一原理，衰减系数不仅用作岩体分类的指标，而且还用于测定工程爆破 引起的周围岩体破裂影响范围等方面。
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第二节 声波探测在工程和环境检测中的应用
一、岩体力学参数的测定 岩体的弹性模量，泊松比，抗压强度等力学参数的测定是声 波探测的一项重要内容，无论在室内或现场均可进行。 对于同一岩体(岩石)，弹模数值除了与岩性有关外，还随加 载的方式不同而异。用静测试的方法叫做静力法，测得的弹模称 静弹模量，以E s表示。在快速瞬间加载情况下的测试方法，叫做 动力法，测得的弹模称为动弹模量，以Em表示, E s与E m是在不同物理条件下测出的，一般Em>Es。动力 法和静力法测试各有优缺点。静力法测得的值 E s与基础荷载条 件相近，但耗费人力、物力和财力，并且试验设备笨重，测试时 间长，因此只能选择有代表性的少数典型地段进行测试。且由于 静力法在一个测点上应力影响的范围有限，少数地段的测试，只 能反映岩体局部的变形特点，因而往往不能满足工程设计的数量 要求。
式中v p新为新鲜岩体的纵波速度； v p风为同类风化岩体的纵波速度
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将上述参数进行综合分析后，可对岩体进行总体分类评价
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4．衰减系数
声波在岩体中传播的特征，除反映在波速随岩体性质不同而变 化外，还表现在振幅的变化上。试验证明，声波在不连续面上的能 量衰减比较明显，因此衰减系数α可以反映岩体节理裂隙发育的程 度。其表示式为
目前在工程地质勘探中，已较为广泛地采用声波探测解决下列地质问题： 1．根据波速等声学参数的变化规律进行工程岩体的地质分类； 2．根据波速随岩体裂隙发育而降低及随应力状态的变化而改变等规律，圈定开 挖造成的围岩松驰带，为确定合理的衬砌厚度和锚杆长度提供依据； 3．测定岩体或岩石试件的力学参数如杨氏模量、剪切模量和泊松比等； 4．利用声速及声幅在岩体内的变化规律进行工程岩体边坡或地下硐室围岩稳定 性的评价； 5．探测断层、溶洞的位置及规模，张开裂隙的延伸方向及长度等； 6．利用声速、声幅及超声电视测井的资料划分钻井剖面岩性，进行地层对比， 查明裂隙、溶洞及套管的裂隙等； 7．划分浅层地质剖面及确定地下水面深度； 8．天然地震及大面积地质灾害的预报。
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在硐壁应力下降区，岩体裂隙破碎，以致波速减小，振幅衰减较快。 反之，在应力增高区，应力集中，波速增大，振幅衰减较慢。因此利用 声波速度随孔深的变化曲线，可以确定松弛带的范围. 现场工作原理如下图所示。垂直于硐壁布置若干组测孔。每组1 个 (或2 个)测孔，孔深为硐径的1—2 倍。在一个断面上的测孔应尽可能选 择在地质条件相同的方位，以减少资料解释的困难。为保证换能器与岩 体耦合良好，边墙测孔可向下倾斜5 一10 度。拱顶处，因钻孔向上，应 采用止水设备。测试时可采用单孔法(一发两收的初至折射波法)或双孔 法(直透法，逐点同步测试)。先在测孔中注满水作为耦合剂，然后从孔 底到孔口，每隔一段距离(一般为20cm)测量一次声速值。将测试结果绘 成波速随孔深变化的vp-L曲线，便可进行解释。
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二、岩体的工程地质分类
为了评价岩体质量，了解硐室及巷道围岩的稳定性，合 理选择地下硐室或巷道的开挖方案、设计合理的支衬方案， 都必须对岩体进行工程地质的分类。 岩体的成因、类型、结构面特征、风化程度等地质因素， 直接影响着岩体的力学性质，而岩体的力学性质又与声波在 岩体中的传播规律有着密切的联系，这就是声波探测之所以 能作为岩体分类主要手段的物理前提。 目前对岩体进行工程地质分类的声学参数主要是纵波速 度vp，此外还有弹性模量E，裂隙系数Ls、完整性系数Kw、 风化系数β以及衰减系数α等
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1．纵波速度
岩体新鲜、完整、坚硬、致密，波速就高；反 之，岩体破碎、结构面多、风化严重，波速就低。 由于波速是反映岩体强度的各种地质因素综合影 响的参数，因此它是进行岩体工程地质声学分类 时的最基本的必要参数。 岩体的纵波速度与其抗压强度成近于正比的 关系。
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2．完整性系数，裂隙系数
完整性系数K w是描述岩体完整情况的系数。裂隙系数Ls是表征 岩体裂隙发育程度的系数。它们的表示式如下
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声波探测的分类：
声波探测可分为主动测试和被动测试两种工作方法。主动测试所利 用的声波由声波仪的发射系统或槌击方式产生；被动测试的声波则是岩 体遭受自然界的或其它的作用力时，在变形或破坏过程中由它本身发出 的(如滑坡)。 主动测试包括波速测定，振幅衰减测定和频率测定，其中最常用的 是波速测定。
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声波探测的应用:
第四章 声波探测
用声波仪测试声源激发的弹性波在岩体(岩石)中的传播情 况，借以研究岩体(岩石)的物理性质和构造特征的方法，称为 声波探测。 与地震勘探的异同： (1) 相同点
它和地震勘探一样，也是利用岩石弹性的物探方法，而且都以弹性波 理论作为本方法的理论基础。
(2) 区别
a.二者之间的主要区别在于声波探测所利用的是频率大大高于地震波 的声波或超声波，其频率一般为一千赫兹至几兆赫兹。 b.与地震勘探相比，由于声波的频率高、波长短、受岩石的吸收和散 射比较严重，因此声波探测对岩体的了解较为细致而探测范围较小，但具 有简便、快速、经济、便于重复测试、对测试的岩体(岩石)无破坏作用等 优点。
喇 叭 式 换 能 器 结 构 示 意 图
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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字处理，如频谱分 析、滤波、初至切除、计算功率谱等。并可通过打印机输出原始 记录和成果图件。 根据发射点和接收点之间的距离l，及声波在岩体中的 旅行时间t，即可由下式计算被测岩体的波速V
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我国某冶金研究所研制了便携式地音仪，用于矿井现场预报岩体稳 定性的情况。他们对某锡矿进行了长期的试验，总结出岩体失稳的判断 指标和监听制度。他们以连续监听五分钟取得的数据作为岩音的频度。 当N<10 时，岩体受力不大， 没有大的破坏，可认为岩体是稳定的。当 10< N<l9 时，岩体受力较大，开始产生破裂，若此情况持续较久，会 出现剧烈的破坏。当N>20 时，岩体破坏加速，出现局部破坏；如持续 时间较长，即岩体处于严重破坏阶段，人员和设备应迅速撤离。
式中v p石为无裂隙完整岩体的纵波速度； v p体为有裂隙岩体的纵波速度。使用 上述两式时，岩石试样和岩体测点应在同一地段选取。
根据上述纵波速度与岩体结构面和完整性的关系可知， K w大或 L s小表 11 明被测岩体结构面少、完整性好；反之， 则结构面多、完整性差。
3．风化系数 风化系数β是一个表示岩体风化程度的系数。β值愈大，风化程度愈深； β值愈小， 风化程度愈小。根据岩体波速随岩体风化而减小的特点，风化系数可用下式表示。
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三、围岩应力松弛带的测定
在硐室开挖前，岩体中应力处于平衡状态；开挖后，原始的应力平衡被破坏， 引起了应力的重新分布，导致应力的释放与集中。这种变化随岩体性质、硐室形态、 在岩体中的位置、硐径大小等不同而异。 如果在各向同性的岩体中开挖一个圆形隧硐，则在侧压系数等于l 的条件下， 由弹性理论计算表明，硐壁处的径向应力δr等于零，而切向应力δt增大至岩体原始 应力的两倍。δr和δt的分布如图a 所示，可见影响范围是硐的半径r的三倍。 由于岩体并非理想弹性体而且强度有限，因此当切向(轴的直径的垂直方向)应 力δt在硐壁处的增大程度超过岩体强度时，岩体即进入塑性形变状态或发生破裂。 于是引起应力下降，使隧硐附近一定范围内出现比原始应力还要低的应力降低区； 向岩体内部则形成大于原始应力的应力增高区；再向内过渡到某一深度才逐渐恢复 到原来的应力状态。故在硐周围岩石的应力分布曲线上出现一个峰值，如图b 所示。 此外，由于施工等因素的影响，也会使岩体的完整性下降(例如爆破引起的爆破影 响带)，出现附加的应力松弛。上述两种因素引起的岩体完整性破坏和强度下降的 总范围，叫做应力松弛带或松动圈，见图b。确定松弛带的厚度是岩体稳定性评价 及支衬设计的主要依据。