第七章_岩体声波测试
岩体超声检测技术
声
波
的
指 向
一般而言，希望θ0值尽量小，因为其值越小指向性越好，可以提高对缺陷的检测灵敏度和定位精度；
性
但在探测形状复杂的工作时，希望其值大一些，以便利用扩散声束探测某一区域的缺陷。
岩体超声检测技术
★声阻抗 Z（N⋅s/m3）：介质中某一质点的声压与该处质点的振动速度之比。 Z = p / Va 声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗越大，质点的振动就越 小。当超声波由一种介质传入另一种介质，或是从介质的界面上反射时，其各种行为 （如反射、折射等）主要取决于这两种介质的声阻抗。
（
频
率
）
超声衰减值与超声波频率密切相关，频率越高，衰减越大，根据实际情况选择合适的
频率。
岩体超声检测技术
超声仪的基本功能
• 信号放大（增益，衰减）
• 信号滤波（高通，低通）
• 显示波形（延迟，记录宽度）
超
• 读取参数（声时，声幅）
声
波
检
测
仪
岩体超声检测技术
智能化超声仪应具备的特点
. 自动采用适当的放大倍数
岩体超声检测技术 检 测 系 统 武汉中科智创
岩体超声检测技术 武汉岩海
检 测 系 统
岩体超声检测技术
常见的超声波换能器类型： • 平面型 • 径向增压型 • 一发双收型 换 能 器
岩体超声检测技术
平 面 换 能 器
平面换能器的特点是压电体制成圆片状，当受电脉冲的作用后，压电体沿厚度方向振动，超 声波的发射或接收方向在圆片的法线方向，其构造如上图所示。 夹心式平面换能器的特点是能获得较低频率的声波和较高的发射功率，因而增加了检测深度。
声波的能量主要集中在主瓣声束内，这种声束集中向一 个方向辐射的性质就是声波的指向性。
矿山测试技术岩体声波探测技术
瑞利波特征例子
表面震源辐射出的能量为100，则沿着表面的方向上纵 波、横波和面波所占的能量比例为：纵波7%，横波26%， 面波67%
表面波的能量随表面距离增加衰减的较慢，而且在能量 分配上又占一半以上，故在岩体的表面上的面波是最强 的优势波
kVRVs Vs Vp
可用下面公式近似表示
VR 0.817 1.12Vs
2.半无限介质的波
瑞利波特点1
B. 质点运动轨迹 在岩体表面，质点运动轨迹为长轴垂直于表面的椭圆， 其长轴与短轴之比为1.468（0.25） 随面波逐渐深入岩体内部，其长轴与短轴越来越接近， 最后成为长轴平行于 表面的椭圆
C. 能量和衰减规律 （1）面波的能量主要分布在表面附近，集中在1个波长的
后减小
在低应力条件下，声速随应力的变化比较显著，在应力较大时， 应力变化所引起声速变化较小
7.3.2.3 声波速度与与周围环境的关系2
(2) 与环境温度的关系 ➢ 温度上升，声速下降
➢ 温度下降声波提高，特别当温度下降到0度以下，孔 隙中的水变成冰，声速由1500m/s(水)变为 3600~4300m/s(-5 ~ -80C冰)
按波阵面形状声波分类
➢ 球面波：自震源发出的波，其波前构成一个球面 在均匀岩体中，球形震源或点震源将产生的球形波
➢ 柱面波：波前构成一个柱形面 在均匀岩体中，长圆柱体震源或线状震源将产生的柱面波
➢ 平面波：波前构成一个平面 所研究区段取得足够小且距震源足够远，球面波和柱面波也可 视为平面波
7.2.4 波前原理、叠加原理和射线原理
1 n 1n
V Vf
Vr
《岩体力学》沈明荣,陈建峰--课后习题答案完善版
《岩体力学》课后习题答案完善版能源学院张 盛2013.11.51目录一、绪 论 (3)二、岩石的基本物理力学性质 (4)三、岩体的动力学性质 (17)四、岩体的基本力学性质 (19)五、工程岩体分类 (27)六、岩体的初始应力状态 (29)七、岩体力学在洞室工程中的应用 (32)八、岩体力学在边坡工程中的应用 (38)九、岩体力学在岩基工程中的应用 (41)2一、绪 论1、叙述岩体力学的定义。
答：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境发生变化后，做出响应的一门力学分支。
2、何谓岩石？何谓岩体？岩石与岩体有何不同之处？答：岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律而形成的自然物体，有其自身的矿物结构和构造。
岩体是一定工程范围内的自然地质体，由岩石块和各种各样的结构面共同组成的综合体。
不同：岩体多是不连续介质，通常与工程联系起来，是较大的地质体，而岩石本身可作为连续介质看待，与工程无关。
3、何谓岩体结构？岩体结构的两大要素是什么？答：岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。
岩体结构的两大要素是指结构体和结构面。
4、中科院研究所提出的岩体结构可分为哪六大类型？答：块状结构、镶嵌结构、破碎结构、碎裂结构、层状结构、层状破碎结构、散体结构。
5、岩体有哪些特征？答：岩体的特征有不连续性；各向异性；不均匀性；赋存地质因子的特性。
3二、岩石的基本物理力学性质1、岩石有哪些物理力学参数？答：岩石的物理力学参数有：岩石的质量指标、水理性质指标、描述岩石风化能力的指标以及完整岩石的单轴抗压强度、抗拉强度、剪切强度、三向压缩强度和与各种受力状态相对应的变形特性等。
2、影响岩石强度特性的主要因素有哪些？答：影响岩石强度特性的主要因素有岩石的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、三轴压缩强度。
3、何谓岩石的应力应变全过程曲线？答：应力应变全过程曲线为在刚性试验机上进行试验所得到的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。
岩石声波测试实验心得体会
岩石声波测试实验心得体会在进行岩石声波测试实验的过程中，我深刻认识到了岩石声波测试的重要性和应用价值。
此次实验中，我对岩石声波测试的基本原理、实验步骤以及数据处理方法有了更深入的了解，并且体会到了实验中的困难与挑战。
首先，岩石声波测试是一种通过声波传播特性来对岩石进行测试和分析的方法。
通过观察声波在岩石中的传播速度、衰减特性以及反射和折射等现象，可以获取岩石的物理性质和结构信息。
这对于地质勘探、地下工程和岩石力学等领域具有重要的应用价值。
实验的第一步是制备岩石样本。
为了保证实验的可靠性和准确性，我们需要根据实际需求选择代表性的岩石样本，并进行样本的制备和处理。
在此次实验中，我们选择了花岗岩和砂岩两种常见的岩石类型作为研究对象。
通过使用岩石样本切割机和研磨机进行样本的制备，保证了样本的平整度和精度。
第二步是进行实验装置的调试和校准。
岩石声波测试使用的是声波传感器和信号发生器等设备。
在实验之前，我们需要对这些设备进行调试和校准，以确保实验的准确性和可靠性。
调试过程中，我们发现设备之间的连接和传输存在一定的问题，需要进行排除和修复。
同时，还需要校准设备的标定值，以便于后续实验中数据的准确计算和分析。
第三步是进行实验数据的采集和记录。
在实验过程中，我们设置了不同的声波频率和强度，并记录了声波在岩石中的传播时间和幅度。
为了保证实验的可靠性，我们对每组数据进行了三次重复测量，并计算了平均数和标准差。
通过对实验数据的分析，我们发现声波传播速度和幅度与岩石类型和结构密切相关。
第四步是对实验数据进行处理和分析。
在实验数据的处理过程中，我们使用了图表和数学模型来描述声波在岩石中的传播特性。
通过对实验数据的分析，我们可以计算出岩石的声波传播速度、衰减系数和反射系数等参数。
这些参数对于岩石的物理性质和结构信息具有重要的意义。
通过此次实验，我深刻体会到了岩石声波测试的重要性和应用价值。
岩石声波测试可以帮助我们了解地下岩石的物理性质和结构信息，为地质勘探、地下工程和岩石力学等领域提供有力的支持。
第七章_岩体声波测试概述
二、换能器的工作原理
岩体声波测试所用的换能器种类很多，主要采用压电式换能器。 压电式加速度计是利用正压电效应制成的机—电转换器。当它承 受机械振动时，其输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电 荷量。与其他振动传感器相比，它具有许多优点，如灵敏度高，频率 范围宽，线性动态范围大，以及重量轻，体积小等。 压电式换能器的结构图及力学模型示于图7.1-1。
1 波形识别 岩块声波速度测试一般采用脉冲超声波法， 能否正确测读声波到达时间，将直接影响到测量 精度，测试工作中应予特别重视。纵波最先到达， 较易识别，但纵波往往能量较小，如信号放大倍 数选择不当，容易引起掉波现象，造成纵波波速 测读不准。而横波是后续波，受到纵波余振及其 他因素的干扰，往往难以准确识别初至波到达时 间，给时间测读带来困难和误差。采用切变振动 和扭转振动模式的专用横波换能器，是测读横波 的一种有效方法。
（a）压电式换能器结构图
（b）力学模型
图7.1-1 压电式换能器及其力学模型
三、波速同介质力学特性参数的关系 岩体不是理想的均质、各向同性介质。但从工 程角度考虑，只要当传播的声波波长与岩体空间尺寸 满足一定条件时，就可以按声波的传播理论得到声波 在岩体中传播速度同岩体力学参数的关系,如式(7.01)～式(7.0-3).
岩石声波实验
0
数据导出：用户可以将数据导出到execl。方法是 在“数据浏览”中，点击“打开文件”后再点击 需要导出的数据文件编号，点击后再点击“数据 导出”按钮。在“请选择需要导出的字段”中按 需要在数据框中打√。然后点击“导出”按钮， 数据按顺序列表导出。
按“退出系统”按钮退出仪器。实验操 作结束后，按注意事项关闭计算机和主 机，并拔下电源插座，收好换能器及配 件，以便下次使用。
“消除干扰设定”： 在测试中有时在从0点到首波起 点范围内有干扰，影响自动读数，此时可以用该方法 “存盘长度”： 在贮存波形时，我们往往不需要首波 消除这些干扰。例如：首波读时在0微秒到180微秒之 后面衰减震荡的叠加减波形，只需要首波后面的几个 “首波开门电平”： 在自动测试和记录采集的数据和波 外，可以输入一个1750的数值在消除干扰设定的框内， 或几十个周期的波形即可，这样可用此程序锁定存盘 形时，往往对首波的振幅有一定的范围限制，可用此值 这样在 0 ～ 175 微秒内的干扰将不影响仪器的正确读 的范围，少占用计算机的内存容量。设定的长度为时 确定首波自动关门电平的确认波，即当测试首波幅度要 数（该值必须大于 2微秒）。该设定在开机时设置为 “一通道 T0 、二通道 T0”： 开机时为0其单位为0.l微 间 → 微秒。 大于该值时仪器才认定为首波。开机设定为 20。 500 ，即 0 ～ 50 微秒内的干扰将不影响仪器的正确 秒，把您测试好的T0值分别输入。 读数。当首波声时小于50微秒时，该值要调整至小于 “一通道试件长度、二通道试件长度”： （开机时为 500 。 1）单位为毫米。（专用仪器单位为0.01毫米），把 您测试的收、发换能器之间的中心距离用尺量好分别 输入（即测试试件的长度）。
“深度参数”： 该程序为跨孔测桩和 一发双收测孔时专用，其中放线方向从 上到下和从下到上，分别指换能器上下 放置的方向。从地面向下放时为从上到 下。从孔底向上提升测试时是从下到上 （一个发射两个接收一次性测三个剖面 时使用）。“初始深度”的概念是指桩 头或从地表面向下不需要测试的范围。 “显示方法”： 连线显示。显示的 “间距”是指换能器每次放置的距离， 波形是计算机连画的。当需要精确 而两个换能器间的间隔距离输入在通道 “发射状态”： 开机为 到0.1微秒测量时，可以改变成点显 的试件长度框内，两者不同。 单次发射。也可以改为 示。配合显示压缩为1。则光标每移 连续发射。外触发空。 动1个点。变化0.1微秒。 “反向显示”： 当两换能器测试到 的首波波形是负相位时。开启反相 显示（因仪器自动读数首波波形为 正相位）。
岩体声波检测在坝基固结灌浆试验中的分析和评价
岩体声波检测在坝基固结灌浆试验中的分析和评价固结灌浆是将浆液灌入岩体裂隙或破碎带，以提高岩体的整体性和抗变形能力为主要目的的灌浆工程。
本文通过对台山核电淡水水源拦河坝坝基固结灌浆试验进行简要概述，通过灌后岩体声波检测，对固结灌浆提高基岩强度和变形性能进行分析和评价。
标签：拦河坝；坝基；固结灌浆；试验研究一、工程概况台山核电厂一期工程淡水水源工程新松水库位于台山市赤溪镇的曹冲河，坝址位于曹冲河下游新松村附近，是台山核电厂工程的配套工程，工程主要包括碾压混凝土重力坝、输水管线及进库道路三部分。
大坝坝顶高程51.0m，最大坝高54.0m，由挡水坝、溢流坝和放水底孔组成。
大坝各建筑物基础基本都建于γ52（3）黑云母花岗岩弱风化带岩体上，整个坝基面要求进行固结灌浆，以改善岩体的力学性能，降低岩石的渗透性，加强岩石的完整性。
固结灌浆按坝基面灌浆范围分成Ⅰ～Ⅳ四个分区，包括坝踵两排（下0+001、下0+003.5）、帷幕下侧一排（下0+007.6）、坝趾两排及建基面上断层破碎带。
固结灌浆设计工程量：钻孔832个，单孔灌浆深度6m或8m，灌浆总深度5946m。
二、试验区布置2.1试验区选择固结灌浆试验选择在右岸9#坝段桩号0+307.5～0+315.0砼24m高程平台，该区地基出露岩性为中粗粒结构花岗岩，基岩以强风化夹弱风化为主，局部见弱风化岩石露头，球状、囊状风化较发育，风化不均，普遍超挖。
高程为19.8m～22.5m。
断层sf23在坝轴线下游16m处横穿本坝段，宽度15cm～60cm，充填石英脉及压碎岩，胶结紧密。
沿断层形成宽度约1.8m～3m的断层影响带，坝肩底部裂隙有少量地下水渗出。
2.2试验区布置试验分A、B两组进行，每组布置6个钻孔。
A组孔间距为3m，排间距3m，灌浆段长8m，灌浆压力为0.4Mpa；B区孔间距断层区3m，排间距3m，灌浆段长8m，压力0.6Mpa。
灌浆完成后A、B组各布置1个检查孔。
岩体声波测试技术及其在巷道围岩岩体波速测试中的应用
由（ ） （ ） 式可得 到纵 波速 度 及横 波速度 。 ２ 、３ 两
公式 ， 即 及 与介 质 弹性 系数 的关 系 ：
时 、 幅 、 谱 和岩石 的结 构及 应力状 态 有着 一定 的对 振 频
维普资讯
３ ８
铁
道 建 筑
： Ｓ
㈦
时 刻纵 波总 是早 于横 波 出现 。
—
—
体 积 膨胀 系数 ；
Ｆ —— 介质 总 的位移量 。 介 质 中 由于 弹性 波传播 产 生 的 位移 量 （ 是膨 胀 Ｆ） 位 移 势 的梯 度 （
波 动方 程 ：
ｌ ０ ： （ ＋２１ ／）
１２
声 波 在传 播过程 中遇 到 岩体 中不 同介 质 的分界 面
于折 射 波将 以初 至波 的形 式 出现 而 易 于 区别 ， 目前 岩
ｌ了 ： ０— ０ ＝ 一 Nhomakorabea体测 试 主要 以折 射波 为主 。
１２ 岩 体 声 波 测 试 的 物 理 基 础 ．
式 中
——膨 胀 位移 位 函数 ；
— —
旋 转位 移位 函数 。
在 岩体 声波 测试 中 ， 由于外 力 的瞬时 性 和微 弱性 ， 岩石 表 现 为弹性 介质 ， 波 在其 中的 传 播 是 符 合 弹性 声 波传 播 规律 的 。利用 弹性 波 的波动 方程 和 波形 特征来 揭示 岩 体 内部 结 构 和 应 力 状 态 是 可 能 的 。声 波 的走
体 强度 及变 形 特征 ； ２ 岩体 结构 特性 使声 波在 岩体 中的波动 过程 变 得 ）
岩 石 类 型
岩 块 号 走 时 岩 块 长 度 岩 块 波 速
声波法测定岩体的完整性系数
六、试验结果 将室内试验获得的岩块中纵波速度 Vcl 和现场测得的岩体中纵波速度Vml 代入下面公式中， 就算得到岩体完整性系数(龟裂系数) Kv。
Wuhan University of Science & Tech
七、试验记录报告 Wuhan University of Science & Tech
岩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，对岩体中的波动过程产生了一系列的影响，如反射、折射、绕射和散射等。尤其 是绕射，声波遇到岩体中的裂隙时发生绕射，影响走时，裂隙愈多速度就越小。
Wuhan University of Science & Tech
5.1.1试件制备
试件可用岩芯或岩块加工制成。 尺寸要求：
圆柱体直径48~54mm之间； 含水颗粒的岩石试件的直径应大于岩石最大颗粒尺寸的10倍； 试件高度与直径之2.0~2.5. 精度要求： 试件两端面不平整度误差不大于0.05mm； 沿试件高度的直径误差不大于0.3mm； 端面与轴线垂直偏差不大于0.25°；
声波法测定岩体的完整性系 数
目录
1
基本概念
2
试验目的
3
试验原理
4
仪器设备
5
试验内容
6
试验结果
7
试验记录报告
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一、基本概念 岩体完整性系数Kv(也称“龟裂系数”)
定义：岩体中弹性波纵波传播速度与岩块中弹性波纵波传播速度比的平方。 式中， Vml为岩体纵波速度， Vcl为岩块纵波速度。
岩石声波测试
4、地质描述包括的内容
①测区岩石名称、结构及主要矿物成分； ②结构面产状、宽度、充填物性状、延伸方向及其与测线的相互关系； ③测区地质展示图及剖面图； ④钻孔柱状图；
5、岩体表面声波测试准备的规定
①测点应进行编号，测点表面应修凿平整； ②测量震源与换能器中心的距离应准确至0.01m； ③纵波换能器与岩体应采用清水、黄油、凡士林或石膏材料进行耦合。 ④横波换能器与岩体应采用铝箔或铜箔进行耦合
⑤采用折射波法（即平透法）时，将换能器布置在试件同一侧，并用游标卡尺测量发 射换能器与试件接触面的中心点到接收换能器与试件接触面的中心点之间的距离； ⑥非受力状态下，测试时应将试件置于测试架上，对发射和接收换能器施加约50kPa 的压力，测试纵波或横波在试件中的传播时间；
⑦根据需要，进行受力状态下的声波测试，宜与单轴压缩变形试验同时进行。测试时 应采用承压式声波换能器，测定试件受力方向纵波或横波在试件中的传播时间； ⑧更换换能器时，按①规定测定仪器系统的零延时； ⑨距离测量应准确至0.1mm,时间测量应准确至0.1μs；
1、分类以及适用
①纵波速度测试； ②横波速度测试； 适用于能制成规则试件的各类岩石。
2、主要仪器和设备
<1>钻石机、锯石机、磨石机； <2>岩石声波参数测试仪： 1.主要技术要求： ①发射脉冲电压不应小于250V； ②接收放大器的频带宽宜为50kHz~1MHz,总增益应大于80dB，并分档连续可调； ③计时器的最小读数为0.1μs，量程不应小于10000μs；
⑥利用横波换能器测定横波的传播时间；
8、测试成果以及计算公式
5、测试成果以及计算公式
①岩块纵波速度和横波速度计算公式：
②岩块动弹性参数计算公式：
超声波探测
都是以研究弹性波在岩土介质中的传播规律、特征为基础的。 声、超声波在不同类型的介质中传播具有不同的特性。当岩 土介质的成分、结构、密度等因素发生变化时，声波的传播 速度、能量衰减以及频谱都将发生相应的变化，当超声、声 波在传播过程中遇到不同分界面时，也会发生波的反射 、折 射和绕射，也会产生转换波。和工程地震勘察一样，当岩石 介质和结构物的构成材料、均匀度、施工条件等内外因素基 本一致时，声、超声波在其中的传播参数基本一致；而岩土 介质和结构物中存在缺陷时，声、超声波在其中的传播过程 就会发生绕射、折射、反射、能量的衰减等现象，使声时、 声速、声幅、频率都产生变化。使用超声、声波仪器测量出 声波在岩土介质中的传播速度、振幅衰减以及频谱等特征， 就可以推断被测岩土层介质的结构和致密完整程度，并对其 做出一定程度的评价。
K 2
1V1 2V2 2V2 1V1 1V1 2 2V2 2 1 ( ) 1 ( ) 2V2 1V1 R' ( P波）R " （S波） 1V1 2 2V2 2 1 ( ) 1 ( ) 2V2 1V1
(透射系数）
二）声、超声波的探测的基本原理： 使用声波仪，探测声波在岩土介质中的传播速度、声幅以及 频谱特征，就可以完成声波的勘探工作。 例如，当对某岩体（或者硐）进行声波探测时，只要将发射 点和接受点分别安放在岩体（或者硐）的不同地段，根据发射 点和接受点之间的不同距离L，以及声波在岩体中传播的时间t ， L 既可由下式计算出声速：
二、岩体的工程地质分类： 为了评估岩体质量，了解硐室及巷道围岩的稳定性，合理 选择地下硐室和巷道的开挖方案。设计合理的支衬方案，都必 须对岩体进行工程地质分类。大量的岩体力学实验表明，岩体 的纵波速度与其抗压强度Re成近于正比的关系。因此，强度 高（或者模量大的）岩体具有较高的声速。另一方面，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，而岩体的力学性质由于声波在岩体中的传播 规律有着密切的关系，这就是岩体声波测试之所以能够作为岩 体分类的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、杨氏模量E、完整系数KW、裂隙系数LS、风化系数β 、 以及衰减系数α 等。现在分别加以简单介绍： 1）纵波速度VP： 一般来说，岩体新鲜、完整、坚硬、致密波速值就高，反 之，岩体破碎、结构面多、风化严重，声速就低。
第三课时 岩体声波测试
超声波测厚仪
超声波探伤仪
声时 距离 声速 波形
压 电 效 应
计算公式
E (1 ) v (1 )(1 2 )
对于混凝土，其密度和泊松比通常不会随其强度而明显 变化。如果已知超声波传播的速度，可以利用上式推断 混凝土的弹性模量，再通过混凝土弹性模量与混凝土强 度的关系，就可以对混凝土的强度性能做出评价。
2．利用弹性波测试评价岩体强度和完整性程度
测定岩块及一定区域内岩体的波速，计算岩体的完整性系数或 称龟裂系数： 2
Vm Cm V c
完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
Cm是岩体分类中常用指标之一，也用于评价岩体完整性: Cm>0.75 Cm=0.75~0.55 Cm=0.55~0.35 Cm=0.35~0.15 Cm<0.15
2 2 2 裂缝深度为 4(d h ) 4d 2 2 t1 t0
hd
2 t1 1 2 t0
1 声波探测技术及其应用
5. 深孔法检验混凝土质量
一般用来检验浇注在地下的大体积构件，如钻孔灌
注桩等。在浇注混凝土时埋设测管，测试时将发射和接 收换能器分别放入两根管内，管中充满流动性的油类或
水作为耦合剂。两管之间的距离最大不应超过1.5m，以
5.
注意事项
1、开始测试前，利用标准棒对仪器进行校准。 2、通常在50~100kHz范围内选择超声波发射频率。 3、测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合（防止空气进 入），并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。 4、一般尽可能选择在构件的侧面选择测区，避免浇筑面的不平整。 5、每一试件上相邻测区间距不大于2m。 6、每个测区内应在相对测试面上对应布臵三个测点，相对面上对应的辐射 和接受换能器应在同一轴线上。 7、必须要对超声检测结果进行标定，也即是必须预先建立超声声速与混凝 土强度的关系。 8、超声法一般不单独用来检测混凝土的强度。
岩体声波测试技术
岩体声波测试技术LT大距离检测岩体完整性锤击震源0.5－5.0 1－50 跨孔检测岩体溶洞、软弱结构面电火花震源0.5－8.0 1－50 岩体松动范围、风化壳划分评价超声换能器20－50 0.5－10 岩体灌浆补强效果检测超声换能器20－50 1－10岩体动弹性力学参数、横波测试换能器/锤击20－50/0.5-50.5－10/1-50岩石试件枞波与横波声速测试矿物岩石物性测试研究超声换能器100－10000.01－0.15决定于由岩石试件尺寸地质工程施工质量检测换能器/锤击20-50/0.5-50.5－10/1-502声波传播基本理论2.1声波基础知识2.1.1声波概念发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。
声波借助各种介质向四面八方传播。
声波是频率在20~20000Hz范围内的振动波，低于20Hz为次声波，高于20000Hz为超声波。
2.1.2声波的种类无限介质中的波存在两种波：纵波，横波。
纵波的质点振动方与波传播方向相平行，横波的质点振动方与波传播方向相垂直。
声波是一种纵波，是弹性介质中传播着的压力振动。
但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波。
2.2声波的声速岩体声波检测技术得到广泛应用，有着完善的物理基础。
首先，我们讨论岩体的声速与岩体物性间的关系。
鉴于岩体的结构特征，和检测的对象既有大块的岩体，也有小尺寸的岩石试件，由固体中波动方程的解可知，岩体或岩石的几何尺寸与声波波长相对关系的不同，边界条件是不一样的，声速的表达式也不一样，有必要对它们分别讨论。
2.2.1无限固体介质中的声速无限体(介质)指的是介质的尺寸远比波长λ大，理论及实验证明当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D，存在D＞( 2~5 )λ，此时的介质可认为是无限体。
无限体纵波的声波传播速度：()()()μμμρ2111-+-⨯=EＰＶ （1）无限体横波的声波传播速度：)1(21μρρ+⨯==EGＳＶ （2）式中 Ｅ――弹性模量（Pa ）Ｇ――剪切模量（Pa ） μ――泊松比（无量纲） ρ――质量密度（kg/m 3） 2.2.2有限固体介质中的声速2.2.2.1一维杆的声速(1)一维杆的边界条件：当固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。
岩土工程测试技术(第七章)
地下工程监测的目的
（1）监视地层、支护与结构的应力和变形情况, 验证支 护系统的设计稳定性
（2）保障监控变形在允许范围之内, 保障地层稳定和施 工安全
（3）通过量测数据的分析处理, 掌握各种数据的变化规 律, 提供地层和支护系统衬砌最终稳定的信息
（4）积累量测数据, 为今后的设计与施工提供工程类比 的依据
3.3 拱顶下沉量测
拱顶下沉量值: 隧道拱顶内壁的绝对下沉量。 拱顶下沉速度: 单位时间内拱顶下沉值
3.3.1 量测方法 对于浅埋隧道, 用挠度计或其他仪表测定拱顶相对于地
面不动点的位移值 对于深埋隧道, 用拱顶变位计
3.3.2 量测仪器 隧道拱顶变位观测计
3.4 地表下沉量测
为了判定地下工程对地面建筑物的影响程度和范围, 并掌握地表沉降规律, 为分析洞室开挖对围岩力学形 态的扰动程度提供信息
地下工程类型
水利: 引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室 （井）、引水长隧洞、地下泵站等
采矿: 竖井、斜井、斜坡道、平巷、采场 交通: 铁路隧洞、地下车站、公路隧洞等 军备: 防空洞、地下军备库、发射井等 民用: 地下商场、地铁、仓库等
监控量测实施流程
现场调查, 收集基本资料
编制监测方案 监测与工程施工关系协调
岩体原岩应力、围岩应力、应变、支护结构的应力、应变 及围岩与支护间的接触应力
（4）压力测试 支撑上的围岩压力和渗水压力
（5）位移测试 围岩位移、支护结构位移及围岩与支护倾斜度
（6）温度测试 岩体温度、洞内温度及气温
（7）物理探测 弹性波（声波）测试和视电阻率测试
围岩松动范围监测孔布置图 (根据北京十三陵蓄能电站厂房观测)
隧洞埋深（m）
围岩
Ⅲ
第七章 岩体声波测试
（4）孔隙率与声波波速的关系，波速Vp随 着有效孔隙率的增加，波速急剧下降。还有研究 表明，当砂岩孔隙率约3%时，波速是6.6km/s； 若孔隙率增加到8%时，则速度下降到5.0km/s。 （5）含水量与波速的关系，含水量对波速 的影响是很大的。总的趋势是波速Vp≥3.0km/s的 岩体，波速随含水量（孔隙为水所充满）增加而 增加；而波速Vp 约为6.0km/s的岩体，含水量对 波速的影响不明显；而Vp 为3.0km/s以下的岩体， 波速随含水量增加反而减小。这种现象对Vp ≤2.0km/s的岩体特别明显。
3 岩体物理力学性质与声波波速的关系
（1）岩石种类、岩性与声波波速有关。新生代沉积岩 体波速最低，约1.5-3.0km/s，古生代及中生代沉积岩次 之，最高为变质岩约5.5-6.0km/s。表7.2-1给出了部分岩 石的纵波速度参考值。
表7.2-1 岩石种类 部分岩石纵波波速参考值 岩石种类 页岩（第三纪） 砂岩（第三纪） 火山角砾、角砾 、凝灰岩 凝灰岩 片麻岩 千枚岩、石墨片 岩 石英片岩 绿色片岩 纵波速度vp （km/s） 2.5-4.6 2.7-4.6 2.6-4.6 2.6-4.3 2.8-5.7 2.8-5.2 2.8-5.7 2.8-5.2 纵波速度vp （km/s） 3.2-5.8 3.2-8.5 3.0-5.3 3.0-5.8 3.0-5.6 2.8-5.4 3.0-5.6 2.7-5.4 3.0-5.6
图7.2-1 岩体声波测试的各种工作方式示意图
2 岩体声波测试布置 为对声波测试结果与静力法测试结果作动静对比，应 将声波测点布置在与静力法测点相同的岩体上，并使声波 测试方向与静载荷施力方向相同。布置的基本原则如下： （1）测区布局：除特殊区域的特定测试外，一般场地 选择应具有不同的代表性，力求以最少的工作量说明较多 的典型问题。 （2）测线及钻孔布置应具有明确的针对性。为了解建 筑物基础岩体的沉陷，应布置铅垂向测线；为了解坝基下 游岩体的抗力，则应布置水平向测线。 （3）测点宜布置在岩体均匀、表面光洁、无局部节理 裂隙的地方，两测点间介质应是均匀或比较均匀的，在异 常区内应布置足够的测点。
花山岩画开裂岩体声波测试与分析
花山岩画开裂岩体声波测试与分析张新鹏;严绍军;黄志义;董庆贺;喻媛;彭鹏程;朱秋平【摘要】Acoustic test method and process are discussed in this paper. Through the speed of propagation of acoustic wave in rock mass, the authors established the mathematical model for the thickness of cracking rock mass and the degree of degradation. The results show that, where the thickness of cracking rock mass is less than 30 mm, the strength loss is relatively big; where the thickness of cracking rock mass is greater than30mm, the strength is essentially unchanged. These data provide reliable scientific theoretical basis for the protection of Huashan rock paintings in the future.%阐述了声波测试的方法和过程，通过在岩体中声波的传播速度，建立开裂岩体厚度与劣化程度的数学模型。
结果表明，开裂岩体厚度小于30 mm时，强度损失较大；开裂岩体厚度大于30 mm时，强度基本保持不变，为今后花山岩画的保护提供科学可靠的理论依据。
【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P1085-1089)【关键词】声波测试;花山岩画;开裂岩体;传播速度;劣化程度【作者】张新鹏;严绍军;黄志义;董庆贺;喻媛;彭鹏程;朱秋平【作者单位】中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074;中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074;中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074;中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074;中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074;广西壮族自治区文化厅，广西南宁 530023;广西宁明县文物管理所，广西百色 533000【正文语种】中文【中图分类】P631.4花山岩画位于广西壮族自治区宁明县驮龙乡耀达村明江右岸，位居弄岗自然保护区的西南角。
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3 纵波、横波测试 岩块试样的声波测试，当采用“直达波法”测试时，
接收换能器应具有灵敏度高，频带宽而平坦，指向性 好以及有较大的动态范围等特点。发射换能器应使用机械 品质系数Q值高，额定功率大，电声转换效率高，指向性 好以及非线性失真小的换能器。换能器应有各种不同频率 的规格，以满足不同要求的测试。
声波在试样中传播时，其波动方程是很复杂 的，一般情况下已不符合平面场的理论。若想符合 平面场理论，必须提高声波的发射频率，使岩样边 界对波速的影响降到可以忽略不计的程度，理论上 要求D>> 。对于室内岩样，一般D为5cm，则 f=1MHz，一般情况下难以达到。
发射换能器与接收换能器应安放在试样的两个端面的中心 轴上，端面间的轴线长度即为测距，换能器作用面与中心 线的偏差不应大于2°。与“平透法”相比，“直达波法” 所接收到的信号能量强，因而波幅大，初至波清晰易识别， 测试精度高。
在横波测试中，目前普遍采用切变振动模式横波换能 器。横波在纵波之后，振幅比纵波大，但初至点受到它前 面波的干扰，往往难以识别。在使用切变振动模式换能器 测点相位随之变化180°，这样前后两次对比，可 较准确地判读横波的初至时间。另外，必须注意接收与发 射换能器切变振动方向要一致，否则接收横波的灵敏度也 将大大降低。
2 测试设备的选择和使用
在小尺寸的岩块试样上进行声波测试时，如要模拟无 限介质的条件，则必须配备能满足测量精度的超声仪与其 配套的换能器，因此，只要满足规程中要求的测试整机或 组合配套设备，均可用来进行岩块试样的测试。
测试仪器的使用应视具体情况而定，如同步触发脉 冲的重复频率应选择适当。一方面要保证通过试样的超声 波信号不受余振的影响，又要使荧光屏上有足够的亮度。 一般同步触发以50Hz为宜，适当调整激发脉冲电压和脉 冲宽度，可使发射换能器输出的功率最大。另外，还要合 理调节扫描延时和选择放大器增益，使荧光屏上的波形清 晰可见，便于准确判读。
第一节 岩块声波测试
岩块声波测试主要仪器和设备包括岩 石声波参数测试仪；纵波换能器、横波换 能器；游标卡尺；标准试棒；测试架。
测试记录包括工程名称、岩石名称、 取样部位、试件编号、试件描述、试件尺 寸、测试方法、换能器间的距离、传播时 间、仪器系统的零延时、测试人员、测试
其主要关键技术问题如下：
压电式换能器的结构图及力学模型示于图7.1-1。
（a）压电式换能器结构图
（b）力学模型
图7.1-1 压电式换能器及其力学模型
三、波速同介质力学特性参数的关系
岩体不是理想的均质、各向同性介质。但从工
程角度考虑，只要当传播的声波波长与岩体空间尺寸 满足一定条件时，就可以按声波的传播理论得到声波 在岩体中传播速度同岩体力学参数的关系,如式(7.01)～式(7.0-3).
第七章 岩体声波测试
一、声波及传播
固体介质中扰动传播形成应力波、声波、超声波、地震波，爆炸冲 击波都是应力波。
应力波传播时，质点在自己的平衡位置附近作振动，传播的只是扰 动状态，而不是振动的质点。
为了便于讨论，假定扰动源点作简谐振动，它的位移可用正弦函数 表示，则
u=Asint 应力波传播到距源点X处时，该点被扰动后振动的历程为
换能器是声波测试中的关键设备，发射换能器将脉冲发 射系统输出的电脉冲信号转换成声信号辐射给岩石试样， 接收换能器使岩石试样传播来的声信号转换成电信号，送 入放大器。换能器的种类很多，用于岩石试样的通常用压 电陶瓷晶片做成的压电换能器，专用横波换能器分为切变 振动型、扭转振动型、横波转换型等。
利用扭转振动型换能器测试简便可靠，并有以下优点： 测得的波速值就是岩块试样横波波速值，无频散现象，测 得的波速值与使用的声波频率无关，测量精度高。
二、换能器的工作原理
岩体声波测试所用的换能器种类很多，主要采用压电式换能器。
压电式加速度计是利用正压电效应制成的机—电转换器。当它承 受机械振动时，其输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电 荷量。与其他振动传感器相比，它具有许多优点，如灵敏度高，频率 范围宽，线性动态范围大，以及重量轻，体积小等。
1 波形识别 岩块声波速度测试一般采用脉冲超声波法，
能否正确测读声波到达时间，将直接影响到测量 精度，测试工作中应予特别重视。纵波最先到达， 较易识别，但纵波往往能量较小，如信号放大倍 数选择不当，容易引起掉波现象，造成纵波波速 测读不准。而横波是后续波，受到纵波余振及其 他因素的干扰，往往难以准确识别初至波到达时 间，给时间测读带来困难和误差。采用切变振动 和扭转振动模式的专用横波换能器，是测读横波 的一种有效方法。
vp
d 2G
p
（7.0-1）
Ed
pv2p
(1 )(1 2) (1 )
（7.0-2）
vs
G p
1 Ed
p 2(1 )
（7.0-3）
四、声波测试技术在岩土工程中有广泛的应用
岩体声波测试是以声波在岩体中的传播特性 与岩体的物理力学参数相关性为基础，通过测定 声波在岩体中的传播特性参数，为评价工程岩体 力学性质提供依据。其在岩石工程中应用广泛， 主要有工程岩体质量分级、围岩松动圈的测定、 大坝基础灌浆效果检测、岩体动静弹模对比、建 基面基岩质量评价和验收、爆破开挖影响范围检 测、测定风化系数、完整性系数和各向异性系数、 断层和岩溶等地质缺陷探查等等。
u=Asin(t－x/v)=Asin(t－2x/) 即该点也作同源点有一相位差的简谐振动 式中A为振幅； 为振动的圆频率；v为波速； 为波长。
扰动引起固体介质质点振动方向与波的传播方向相同的应力波为纵波， 固体介质质点振动方向与波的传播方向垂直的应力波称为横波。纵波传 播的速度较快，易于识别，横波传播速度较慢，由于受到纵波余波的干 扰，识别比较困难。