岩体声波测试技术
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岩体声波测试技术
《岩体测试技术》课程结业论文
岩体声波测试技术原理及在工程中的应用
学院:XXX
专业班级:XXX
姓名:XXX
学号:XXX
岩体声波测试技术原理及在工程中的应用
XXX
(XXXX,XX XX)
摘要:声波测试技术现已变成一种常规的勘测技术,在工程地质中的应用越来越广泛这主要的原因就在于它设备简单、测试而广、经济实用,结合地质能较全而地提供岩石及岩体的多种物理力学的动态指标。本文介绍了声波测试技术的基本原理和在工程中的应用实例。
关键词:声波岩体测试泊松比纵波
1概述
在岩体中传播的声波是机械波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围,符合虎克定律,也可称其为弹性波。岩体声波检测(Rock Mass Sound Wave Detecting)所使用的波动频率从几百赫到50千赫(现场岩体原位测试)及100到1000千赫(岩石样品测试),覆盖了声频到超声频频段,但在检测声学领域简称其为“声波检测”。应提及的是:这里所阐述的声波检测还包含一些被动声波检测,即不需要振源的地声检测技术概述。
1.1岩体声波检测技术的进展概述
我国岩体声波检测技术应用研究,是在上世纪六十年代中期开始的。它的起步借鉴了金属超声检测和水声探测技术,从仪器研发、换能器的仿制到研制,现场原位检测及室内试件测试方法研究,经历了四十个春秋,是在一代科技工作者多学科群体的努力下完成的;
到今天,检测仪器由第一代电子管式、第二代晶体管式、第三代小规模集成电路式,发展到今天的第四代,即由声波发射电路、大规模集成电路的数据采集系统、计算机嵌入式主板、操作系统软件、信号分析处理软件等组成,成为具有一定智能分析功能的声波检测分析仪,换能器多达十余个品种;
由纵波测试应用发展到横波测试;由声学参量声时的应用,发展到波幅、频率的应用。
目前,声波检测技术纳入了不同行业的多个规程、规范,说明该项技术的发展成熟程度。
1.2岩体声波检测使用的频率
表1不同频率震源的检测目的、检测距离
检测目的所用震源震源频率
(kHZ)
探测距离
(m)
备注
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-
50/0.5-5
0.5-
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
100-1000
0.01-
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20-50/0.5-5
0.5-
10/1-50
2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:
()
()()
μμμρ
2111-+-⨯
=
E
PV (1)
无限体横波的声波传播速度:
)
1(21
μρ
ρ
+⨯
=
=
E
G
SV (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。即:
L D D
5
1
2<
> λ
式中 λ ――波长
D ――一维杆直径 L ――一维杆的长度
(2)
一维杆轴线方向的纵波声速为:
ρ
E
V B =
(3) 显然,VB 与无限体的纵波声速相差
()()()
μμμ2111-+-,当μ=0.2~0.25,B
P V V )-1.105.1(=
(3) 论述一维杆的声速的目的是:在测取岩石试件的声速时,岩石试件可能是圆柱体,也可能是长方体,故不可以把岩石试件的尺寸加工成一维杆,因为这时测出的声速是(3)式的一维杆的声速,不是无限体的声速,其值不能代表现场测到的岩石无限体的声速,也不能作为计算岩体完整性指数的V PR 值。
(4)
如果把岩石试件有意加工成一维杆,测其轴向声速,再按(3)式可以测算出岩石的弹性模量。 2.2.2.2二维板的声速
当岩体的尺寸满足二维板的边界时,即在X 及Y 方向的尺寸远大于Z 方向尺寸,且Z 方向的尺寸Lz <λ时,二维板在X 及Y 方向的声速如下:
(
)2
121μρ+=
E
V P (4)
板状建筑石材的声波检测,对垂直于厚度方向的纵波声速,应按式(4)式来考