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

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专业班级：XXX

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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

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：

()()()

μμμρ2111-+-⨯=E ＰＶ （1） 无限体横波的声波传播速度：

)1(21

μρρ+⨯==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

12<>　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:

ρE

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：

()

2121μρ+=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）式来考虑，同样可以用声速来确定其完整性及动弹性力学性能。

2.2.3声速与岩体性质关系

2.2.

3.1声速与裂隙的关系 岩体是多裂隙非均匀介质，裂隙

的发育影响着岩体的稳定性,室内

模拟及大量现场测试数据证实，

随着裂隙的发育，声波在岩体内

将产生绕射、折射以及多次反

射，造成声线拉长，使传播时

间，随裂隙的发育而增大，“视声

速”降低，表2示出这一关系。

为了用声速值定量说明裂隙发育

程度，可测量待定岩体的声速V pm ，及岩石标准试件的声速V pr 。(因试件内仅有少量裂隙故V pr >V pm )，并以(V 2pr -V 2pm )/V 2pr ，和(V pm /V pr )2分别表征岩体裂隙系数及完整性系数。它已成为评价岩体完整程度的重要参数。

2.2.

3.2声速与孔隙率的关系

岩体孔隙率影响着声速.目前仍延用的韦里(Wyllie)公式，建立在将多孔隙岩体近似等效为多孔的岩体骨架(1-φ)，及孔内所充填的介质(φ)两部分组成。声波在其内传播的时间，可视为

式中V p 、V pl 、V pm 分别为多孔岩体、充填介质、岩体骨架的纵波声速，φ为孔隙率，则

式中t 为总的声时，t j 、t m 分别为充填介质及岩石骨架的声时，可见孔隙率是声速的相关函数。韦里公式是不完善的，未能考虑传播中的许多复杂因素，故与实际往往有所出人，但就此仍可看出其基本关系。

2.2.

3.3声速与岩体风化程度的关系

岩体随其风化程度的不同，在其内部结构特性上，即松散程度、胶结状

况、矿物成分、容重、孔隙度、粒度

等物理性能存在着差异，将引起弹性

模量、泊桑比及密度上的差异。风化

程度的不同，还造成岩体不均匀，至

使不同声阻抗率

界面上发生波的折射、反射、绕射，

这些因素均使声速随风化程度的剧烈

而降低。表3列出了某一大型水利枢

纽某坝段结晶岩的这一关系。

2.2.

3.4声速与应力的关系

我国许多单位开展的岩体声速和应力的实验研究表明，多裂隙、多孔隙岩体的声速与岩体所受应力有关。这一现象目前解释为：应力增加时，岩体裂隙、孔隙受挤压，声波易于传播，声速相应增加;当应力超过岩体破坏强度使岩休原有裂隙扩展，或产生新裂隙，或应力解除后，又会出现声速降低，称之为“裂隙效应”。

表2 裂隙发育程度与声速之间关系 表3 岩体性状与声速