超聲波測(cè)量技術(shù)一.測(cè)量的意義

利用聲波在巖體內(nèi)傳播的特性，（波速、振幅、頻率、相位）研究巖體物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造特征及應(yīng)力狀態(tài)超聲波

頻率高于20000Hz目前巖體聲波量測(cè)技術(shù)主要可以解決下列問題1.巖體的工程地質(zhì)分類；2.確定圍巖松動(dòng)圈的范圍，為合理設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度、噴漿或襯砌厚度提供依據(jù)；3.測(cè)定巖體物理力學(xué)參數(shù)，包括動(dòng)彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度及密度等；4.工程注漿效果檢測(cè)；5.煤柱、巖柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；6.混凝土探傷及強(qiáng)度檢測(cè)：7.凍結(jié)法鑿井時(shí)，凍結(jié)壁厚度的檢測(cè)；8.斷層、裂隙及溶洞等地質(zhì)異常的研究；9.地應(yīng)力測(cè)試，沖擊地壓、煤與瓦斯的突發(fā)事件及地震災(zāi)害的預(yù)報(bào)等。聲波量測(cè)法的實(shí)質(zhì)

在被測(cè)巖體中，利用聲波的傳播速度或振幅的衰減規(guī)律取得的數(shù)據(jù)，再通過計(jì)算求出所需的力學(xué)參數(shù)。巖體測(cè)量假設(shè)

巖體視為彈性體，承載信息的是彈性聲波。(2.1)式兩端分別取散度，利用算符及之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得（2.2）（2.3）或上式實(shí)際上描述的是一種脹縮狀態(tài)擾動(dòng)傳播的波動(dòng)方程式。（無旋波）假定在巖體中取一點(diǎn)作為波的震源，隨時(shí)間的變化規(guī)律為

（2.4）式中—初始振幅；—角頻率。振動(dòng)是由震源向四周傳播的，那么，距震源為r的點(diǎn)處的體應(yīng)變?yōu)椋?.5）式中—聲波在巖體介質(zhì)中的傳播速度。式(2.5)分別對(duì)r和t求二階導(dǎo)數(shù)，得：

將(2.6）和（2.7)式代入(2.3)式得

上式表示體應(yīng)變以大小的速度在介質(zhì)中傳播，這就是彈性縱波(P波)。對(duì)式（2.1）兩邊分別取旋度，可得（2.6）（2.7）（2.8）（2.9）令，將上式整理得

表示彈性體在旋轉(zhuǎn)外力作用下介質(zhì)產(chǎn)生的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，可以看出上式描述的是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)擾動(dòng)傳播的波動(dòng)方程式。（無散波）依照上述分析方法，得：

上式表示旋轉(zhuǎn)量w是以的速度在介質(zhì)中傳播，橫波(S波)。（2.10）（2.11）已知體積壓縮模量，故

此式說明，縱波不僅與K有關(guān)，也與G有關(guān)，即縱波傳播時(shí)，介質(zhì)不只是承受一個(gè)簡(jiǎn)單的壓縮，而承受的是壓縮和剪切的組合作用。從彈性理論知道，拉梅常數(shù)、與彈性模量和泊松比有如下關(guān)系：

（2.12）（2.13）（2.14）于是有（2.15）縱波特性不論波長(zhǎng)的大小和波形如何，在彈性巖體內(nèi)都以疏密發(fā)散的形式傳播，其速度為常數(shù)，速度的大小只與彈性常數(shù)和密度有關(guān)。橫波特性

不論波長(zhǎng)大小和形狀如何，在彈性巖體中均以剪應(yīng)變的橫向位移形式向前和向后傳播，其速度為常數(shù)，它也是只與彈性常數(shù)和密度有關(guān)的常數(shù)。

這個(gè)結(jié)論是材料力學(xué)性質(zhì)的超聲技術(shù)測(cè)量主要理論基礎(chǔ)。二.聲波量測(cè)應(yīng)用的參量

聲波穿過巖體時(shí)，有三個(gè)方面的參數(shù)將因巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，這些指標(biāo)可作為聲波探測(cè)巖體的參量。(1)聲速聲波在巖體中傳播的速度，包括縱波速度和橫波速度。(2)聲幅聲波的能量或強(qiáng)度大小，表現(xiàn)在觀測(cè)儀表上為聲波波形的振幅大小。(3)頻譜任何一個(gè)非正弦的振動(dòng)波，可以分解成不同振幅、不同頻率、不同相位的多個(gè)正弦波，這些不同頻率、不同振幅的正弦波構(gòu)成頻譜，振幅(能量)最大的頻率稱為主頻。三、超聲波量測(cè)儀器1.聲波換能器壓電晶體→電壓作用→變形壓電晶體→受力作用→電壓壓電晶體既能發(fā)出聲波，還可以接收聲波，把接收的聲波，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，經(jīng)過聲波儀接收機(jī)放大并顯示出波形，可以測(cè)量聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，用以計(jì)算波速。由壓電晶體組成的聲波測(cè)量元件叫電聲換能器，包括作為振源的發(fā)射換能器和作為探測(cè)器的接收換能器。利用壓電晶體的這種特性可以實(shí)現(xiàn)電－聲之間的能量轉(zhuǎn)換。將聲波儀發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的脈沖電壓加到壓電晶體上，晶體便產(chǎn)生變形而振動(dòng)，成為振源。2.聲波參數(shù)的測(cè)量

走時(shí)與旅程測(cè)量聲波的走時(shí)，最為關(guān)鍵是波初至點(diǎn)的準(zhǔn)確位置的確定。巖體聲波探測(cè)對(duì)儀器的要求脈沖寬度；輸出電壓；頻率；阻抗匹配；換能器的指向性；耦合方式。保證獲得正確的、清晰的聲波波形。1）縱、橫波的識(shí)別對(duì)實(shí)測(cè)記錄一般按以下波形特征區(qū)別縱波和橫波：①縱波比橫波波速大記錄波形縱波在前，橫波在后；②縱波的振幅小于橫波的振幅；③縱波的周期小于橫波的周期；④橫波初至相位與縱波初至相位差180°。聲波儀上接收的波形圖1)初至點(diǎn)的識(shí)別經(jīng)過對(duì)接收波形的圖形處理之后，就要對(duì)各類波的初至?xí)r刻進(jìn)行識(shí)別。縱波初至?xí)r刻的識(shí)別：①盡量增大放大器的增益，以便于識(shí)別波形的最初起跳點(diǎn)；②在有高頻干擾時(shí)，可用高頻包絡(luò)線的中線與基線的分離點(diǎn)作為初至?xí)r刻；③當(dāng)初至起跳點(diǎn)不明顯或反相時(shí)，則需根據(jù)波速及波形特點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)轉(zhuǎn)換傳感器的耦合條件和傾斜方向，力爭(zhēng)使各測(cè)點(diǎn)初動(dòng)方向一致。2)橫波初至?xí)r刻的識(shí)別：橫波比縱波慢，常混淆于續(xù)至波區(qū)域內(nèi)，比較難于識(shí)別。①盡量減小增益，壓縮P波振幅使其盡量與基線重合，突出S波；②再加大增益，根據(jù)S波周期和相位與P波不同的特點(diǎn)，仔細(xì)判定橫波的起跳點(diǎn)；③另外也可以由縱、橫波速度之比以及理論時(shí)間－距離曲線法，查找初至?xí)r刻。3)波速的計(jì)算測(cè)得縱、橫波的旅行時(shí)間和后，根據(jù)收、發(fā)測(cè)點(diǎn)間的距離，即可計(jì)算縱、橫波速和：

（2.19）（2.18）（2）CT(ComputerTomography)觀測(cè)方法。發(fā)射與接收也是兩個(gè)平行孔，該觀測(cè)方法在一個(gè)深度發(fā)射，另一孔中不同深度多點(diǎn)呈扇形接收，然后。不斷移動(dòng)發(fā)射點(diǎn)，接收段按一定規(guī)律移動(dòng)。一個(gè)孔發(fā)射完后，發(fā)射與接收互換，重復(fù)進(jìn)行。接收點(diǎn)的多少和觀測(cè)次數(shù)依探測(cè)精度要求而定。依據(jù)聲波走時(shí)對(duì)孔間聲速進(jìn)行層析成像反演，得到孔間聲速分布圖。根據(jù)聲速分布圖進(jìn)行巖體巖性變化、裂隙發(fā)育狀況、巖體破碎狀況以及注漿效果等的評(píng)價(jià)。CT觀測(cè)方法精度高，效果好，但是工作量大，成本很高。2）單孔聲波測(cè)量水做耦合劑；圓管式一發(fā)雙收換能器；確定圍巖松動(dòng)圈；進(jìn)行巖體分級(jí)；求取巖體力學(xué)參數(shù)。單孔聲波測(cè)試對(duì)垂直于孔軸方向的結(jié)構(gòu)弱面比較敏感，采用一發(fā)雙收換能器的目的是除去聲波在耦合水中的走時(shí)，此時(shí)計(jì)算聲速的公式為：（2.20）4）巖柱對(duì)穿測(cè)量在巖柱相對(duì)兩壁面上，用錘擊方式或夾心式換能器激發(fā)聲波，用夾心式或彎曲式換能器接收，也可在任意兩點(diǎn)間對(duì)穿，如圖。測(cè)量直達(dá)波的走時(shí)，計(jì)算波速，此法可以快速、經(jīng)濟(jì)地測(cè)試巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況，用于巖柱穩(wěn)定性分區(qū)，但要準(zhǔn)確地測(cè)量發(fā)射與接收點(diǎn)的間距還是比較困難的。5）巖面平面測(cè)量在巖面上，用夾心式(喇叭式)換能器或錘擊方式激發(fā)聲波，接收點(diǎn)用夾心式或單片彎曲式換能器進(jìn)行接收，測(cè)取聲波從發(fā)射換能器T到接收換能器R的旅行時(shí)或錘擊聲波經(jīng)過第一接收換能器到第二接收換能器的時(shí)差，計(jì)算直達(dá)波的速度此方法主要用于快速確定巖體淺部結(jié)構(gòu)狀況，對(duì)垂直巖面的結(jié)構(gòu)弱面比較敏感。四、聲波探測(cè)的應(yīng)用1.巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)定巖體(石)動(dòng)彈性參數(shù)測(cè)定在現(xiàn)場(chǎng)，通常利用平面測(cè)試或孔內(nèi)測(cè)試來測(cè)定巖體縱、橫波速度，并按照下列兩式計(jì)算巖體的動(dòng)彈性模量及動(dòng)泊松比（2.22）（2.21）2）巖體靜彈性模量的測(cè)算間接測(cè)試方法：通過室內(nèi)巖石動(dòng)、靜彈性模量和現(xiàn)場(chǎng)巖體動(dòng)彈性模量，換算出現(xiàn)場(chǎng)巖體靜彈性模量的方法。大量實(shí)測(cè)資料可知，巖體與巖石試件的動(dòng)彈性模量之比，同巖體與巖石試件的靜彈性模量之比存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。只要測(cè)得室內(nèi)巖石試件的動(dòng)、靜彈性模量，再測(cè)得所取巖石樣本之處現(xiàn)場(chǎng)巖體的動(dòng)彈性模量，根據(jù)與關(guān)系的統(tǒng)計(jì)曲線可以求出巖體的靜彈性模量。3）巖體準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的測(cè)算現(xiàn)場(chǎng)巖體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試也比較費(fèi)事。一種比較易于實(shí)現(xiàn)的辦法，即根據(jù)室內(nèi)測(cè)得的巖石試件的抗壓強(qiáng)度，通過聲波速度的轉(zhuǎn)換，可以算出巖體的準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，它與現(xiàn)場(chǎng)巖體的抗壓強(qiáng)度較為接近。轉(zhuǎn)換關(guān)系