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1、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 u=Asin(tx/v)=Asin(t2x/)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
2、，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。,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。,（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
3、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(7.0-1)式(7.0-3).,（7.0-2）,（7.0-3）,（7.0-1）,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。,第一
4、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、测试日期。,其主要关键技术问题如下：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
5、，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。,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
6、上的波形清晰可见，便于准确判读。,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。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
7、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。试验研究表明，只要D（2-3）时，就可以按平面理论计算岩样波速，所测波速可认为是岩样的真正波速。否则岩样的边界降对声波的传播产生制导，出现制导波。它比岩块的波速低。因此，当 与D之比达不到要求时，应采用提高声波发射频率或加大试样几何尺寸等措施。,3 纵波、横波测试 岩块
8、试样的声波测试，当采用“直达波法”测试时，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横波时，若将发射换能器或接收换能器转动180，横波的初至点相位随之变化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
9、也将大大降低。,4 系统零延时测试 换能器的滞后时间t0值是由换能器及电路系统、耦合剂等所造成的，因此计算时必须扣除这一时间。t0值测定方法如下：预先把发射与接收换能器的作用面对接，从仪器上读出这一延时，或者利用不同长度的有机玻璃棒测读数，绘制时距曲线，其时间轴截距t0即为延迟时间。,5 应力作用下的声波测试 岩块在受外加载荷作用时，其中的孔隙率、节理裂隙等将随着应力的变化而改变，这些改变将使声波的传播特征产生变化。若在试样的最大与最小主应力方向进行超声波测量，判别试样内部结构变化过程以及最终破坏的信息，会得到良好效果。试验表明，岩块试样在不同应力作用下，声波的振幅变化比波速变化更为敏感。6
10、耦合问题 岩块声波测试要求耦合介质有很好的传导超声波能力，并且耦合剂的声阻抗接近被测岩石声阻抗，目前纵波测试一般用黄油，凡士林等作耦合材料，横波测试则利用铝箔或银箔耦合，可以得到较好效果。,7 资料整理 在测得岩块波速后，可根据岩块密度（）和泊松比（），计算岩块试样的动力弹性摸量（Ed）和泊松比（）以及其它参数。在计算时应考虑岩块是否满足各向同性条件。其方法是测量立方体试样在x、y、z三个方向的纵波速度，并将测得其中的最大与最小值之差，与这三个方向的平均值相比，其比值小于1%可视为各向同性，如果比值在1%至3%之间，可近似假定为各向同性介质。,第二节 岩体声波测试 岩体声波测试主要仪器和设备包
11、括：岩石声波参数测定仪；增压式柱状换能器；发双收换能器；弯曲式接 收换能器；夹心式发射换能器；干孔换能器；供水及止水设备；声波激发装置；换能器扶位器；标准试验棒；钢卷尺、测绳。,一 主要关键技术问题 1 声波传播方式 当声波在无限介质中传播时，只有纵波和横波两种波；当介质中存在介面时，还会产生其它面波型的波，如瑞利波（R）和兰姆波（L）等。当频率足够高，只要边界尺度（D）满足D（5-10）时，该介质（试体）也可视为无限介质。在岩石工程中，应用较普遍的是纵波和横波的波速。按波的传播方式分为直透法（直达波法）和平透法（折射波法和反射波法）。按换能器布置方式分为表面测试（发收换能器置于同一平面的共面
12、观测与分别置于不同平面的不共面观测）、内部测试（单孔测试及孔间穿透）及预埋式（收换能器预先埋置于介质内部）；按发射及接收换能器的配置数量划分为一发一收、一发双收、多发多收。见图7.2-1。,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
13、；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。,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，古生代及中生代沉积岩次之，最高为变质岩约。表7.2-1给出了部分岩石的纵波速度参考值。,表7.2-1 部分岩石纵波波速参考值,（2）岩体中的裂隙发育程度和风化程度对波速影响也很明显。如中、古生代的砂岩、粘板岩等新鲜坚硬而没有裂隙时，波速在左右，如果裂隙发育，可降低到，若岩石风化强烈，则下降幅度更大。（3）密度与波速的关系。通过
14、对密度与波速之间关系的研究表明，所有岩体从整体分布看，Vp和均分散在两条曲线范围之间。纵波速度Vp有随着密度增加而增加的趋势，当2.5时，Vp按对数函数增加；当2.5时，则按指数函数增加。,（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Vp3.0km/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
15、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。,4 测试设备的选用 岩体声波试验的仪器种类较多，技术指标、功能、用途不一，表7.2-2是声波测试仪的一些技术指标。岩体声波测试所用换能器主要采用压电式，技术参数主要考虑工作频率、频率特性、阻抗特性、品质因数、电声效率、方向性等。常用压电换能器类型如表7.2-3所示。,表7.2-2 岩体声波试验仪器的主要技术指标,表7.2-3 压电换能器类型,5 影响波速测试的主要因素 换能器与测试岩体之间的耦合好坏是影响岩体声波测试的一个重要因素，在地表露头、洞壁测试，可用黄油或凡士林作耦合剂，换能器与岩体接触部位要平整，起伏差
16、一般不得超过3mm，并压紧换能器，使换能器与岩体间的油层减至最薄，使收到的讯号能量增大。单孔、双孔测试时，当钻孔为垂直向上孔或斜向倾上的孔，为了保证耦合质量，应采用有效的供水、止水设备。待孔中的空气排出并充满水时方能进行测试。测试系统的零延时to值对测试成果也有较大影响，任何电子仪器和换能器都存在一定的响应时间。声波在耦合介质中传播也需要一定的时间。因此，不论直达波法还是平透法，都必须从测得的纵、横波传播时间中扣除仪器、换能器及耦合介质带来的滞后时间to值。,to的测定可采用时距法或对测法，另外还可用标准试件法。也可将发射换能器固定不动，在一直线上等距离地逐步移动接收换能器，绘制时距曲线，来求
17、to值。测时方法和测时标准影响。声波仪有自动测读和游标测读两种测时方式。在同样的接收波幅的情况下，两种方法测得的波速有时会有差异。一般自动测读方式只宜用于较小测距，采用游标测读记时方式，试验精度相对较高。国际材料和结构试验协会提出最大振幅法和定振幅二种读时标准，我国目前没有统一读时标准。但不论用那一种方法，所测结果均因接收波的振幅不同而不同。在有条件的情况下，可采用定振幅测量法，首波幅度限定在2-3cm，这样可以减少振幅影响，并使试验资料有可比性。,6 孔距校正 现场孔间穿透测试时，由于任意两孔并非真正位于同一平面，因此两孔中任意两点间的距离应当进行校正：设A孔与B孔两孔口距离为Lo，Lo的方
18、位角或倾角、；A孔和B孔的方位角为、和倾角为、；A孔与B孔内的任意孔深L1、L2；则两孔内任意点的测距L为 式中,7 横波测试与识别 由于横波到达的时间比纵波晚，纵波余振一般较长，造成纵、横波相互叠加现象，因而给识别横波带来一定困难。在目前还没有岩体专用横波压电换能器的情况下，可用以下几条原则识别纵横波：1.在各向同性均匀介质中，即横波出现在纵波之后；2.横波振幅比纵波振幅大；3.一般说，纵波（P）的周期小于横波（S）的周期，即纵波的频率高于横波的频率。,根据纵波、横波传播理论，详细研究P、S波形的特点，充分利用仪器的特殊设计，P、S波初至是可以辨别的。具体有以下方法供参考：1、现场测试把放大
19、器的增益尽量减小，使P波振幅小到几乎与扫描水平基线重合的程度，这时在波列图上只能见到S波的振幅，这样可以大体上确定S波的起点，然后再加大增益，细找S波的起始点。2、现场岩心可用室内横波压电换能器实现，即抑制纵波的余振，将发射脉宽变窄，缩短发射脉冲尾巴，使纵波延续1-2个周期即消失，这样可以接收到非常清楚的横波。3、地表、洞壁表面的声波试验，可利用左、右敲击方法识别横波。这时两次接到的横波的相位差为1800。跨孔法可利用孔底剪力锤击方法或三分量换能器接收横波。,二 工程应用实例 1 围岩松动圈的测定 围岩“松动圈”是隧洞设计和评价围岩稳定性的重要参数之一。声波速度是反映岩体变化状态的综合定量指标
20、。因此，声波速度变化大小，反映了岩体裂隙压密程度及受力状态，这就为测定围岩松动圈的大小或范围提供了理论依据。洞室开挖以后，洞壁附近岩体会产生新的裂隙，原有裂隙伸长、扩展，原岩应力受到了扰动，表现为应力降低，相应的波速也出现低值，形成具有低波速量值的应力下降带；往内由于岩体应力重分布，产生应力集中，裂隙压密，也出现相应波速增高区，形成具有高波速量值的应力集中带；再往深处，岩体未受到扰动，波速值基本不变，称原始应力（原岩）区。硐室围岩松动圈范围，可采用岩体声波方法进行测试，并确定围岩松动圈的厚度和形状。,硐室围岩松动圈的测试可选择有代表性的地质单元，布置相距2-3m的两个观测断面，并在断面的拱顶、
21、拱角、侧壁等部位，分别布置孔间距离为0.5-1m的平行孔，孔深一般为1-2倍硐径。分别在每组钻孔中测量声波速度随深度的变化。绘制Vp-L曲线。就可得出整个断面的“松动圈”范围。从国内外大量实测结果来看，Vp-L曲线有以下几种形式：,第一种形式图为vp值沿孔深增加基本保持不变，岩体松动带不明显，说明原岩受洞室开挖和爆破的影响较小。第二种形式为靠近洞壁表面一定范围内，Vp值比岩体的原始值低，以后Vp值随着孔深的增加而逐渐上升至岩体的原始值，表明在靠近硐壁附近存在松动带。第三种形式为靠近洞壁表面一定范围内，岩体的Vp值低于岩体原始值，Vp值沿孔深逐渐增加，超过原始值Vp后直到有一峰值。以后，当孔深再
22、增加时，Vp值开始下降，最终恢复到原始Vp值。说明靠近洞壁处存在松动带，同时在松动带以后还存在应力集中带。,引滦八一林隧洞的声波测试实例。该隧洞为无压输水隧洞，设计开挖断面为跨度9m，高7.9m直墙圆拱型。隧洞穿越中厚层、厚层震旦纪白云质灰岩。隧洞采用光面爆破全断面分段开挖及时喷锚支护的施工方法。声波测试布置了二个平行测量断面，相距1m，每个断面4孔，孔深8-9m，进行声波测试。主要成果如下：所有的VP-L曲线基本都符合坚硬完整均匀岩体的规律。声波测试与围岩变形测得的结果基本一致。松弛圈的厚度一般在，平均为1m，而后波速逐渐增高进入2m左右形成承载圈后趋于稳定，达到未开挖前原始的波速。根据围岩
23、松弛圈及承载圈的大小认定围岩基本稳定。采用3m长锚杆、钢筋网喷混凝土支护。,2 大坝基础灌浆效果检测 由于声波测试是一种快捷简便的非破坏性检测方法，因此在水电工程大坝帷幕灌浆和固结灌浆效果检查、坝基建基面合理确定、坝基不稳定岩体范围的划定等方面，在国内外得到广泛应用。该方法根据施工设计对基础的要求，布置灌浆孔以及灌浆效果检测孔。利用灌浆检测孔或灌浆孔（单、双孔、孔深、孔距应满足施工设计和测试精度要求），测量灌浆前后声波速度Vp变化，直接为设计施工提供依据。鲁布革电站大坝帷幕灌浆，根据防渗设计要求，灌浆后单位吸水率，裂隙系数，岩体的平均波速值大于3950m/s。灌浆前后岩体声波测试结果证实，大坝
24、帷幕灌浆达到了设计的要求。,3 岩体动静弹模关系 岩体动静对比的研究，上世纪70年代以后，国内外开展得甚为活跃，结合工程实际总结出许多颇有价值的经验公式。据不完全统计，现已建立动静弹模相关性的经验公式几十种。由于地质条件和岩性的不同，测试方法和仪器设备又不统一，各种经验公式在推广应用上有很大的局限性。根据国内外多数研究表明：对于坚硬完整致密的岩石，Ed/Es比值大约为1-5倍。而软岩破碎疏松的岩石Ed/Es比值大约为5-20之间。由于岩体大多受结构节理裂隙控制，因此要找一个统一的动静弹模对比公式是不可能的。因此，在条件许可时，宜针对具体工程进行一定数量的动静对比测试，从而找出该工程代表性岩体的
25、相关规律。,4 大坝建基面验收 随着水利水电建设的发展，坝基及边坡岩体质量控制和开挖验收工作，已从过去单纯的宏观地质描述向与地质因素、工程力学性质有关的快速检测定量描述综合评价的方向发展。清江隔河岩水电站采用地震折射剖面法为主、坝基平面网络波速分布与适量的声波钻孔抽检相结合为辅的方法，将声波快速检测技术运用到坝基验收取得了成功的经验。在清江隔河岩坝基验收中，采用了声波测试技术对整个基岩面作出了定量评价。在坝块基岩面沿平行、垂直坝轴方向，按5m5m方格网络布置测线，作一点锤击多点接收的声波折射波法测试，在重点部位则采用相遇方法进行锤击试验和声波测井。建基面声波检测要点如下：,布置5-7m见方的X
26、、Y向网络，根据缺陷及构造面适当调整地震测线，长度以30-60m；通过地震剖面测试提供松弛带可能厚度及网格节点间试段波速测值；反演各网络单元中心点的波速，绘制坝基波速分布示意图；在波速及松弛厚度异常点适当增加声波钻孔抽检测量，并对地震剖面提供的松弛厚度进行复检论证。,根据上千条测线的声波测试成果，将建基面划分为3大类：1）纵波波速Vp大于4800m/s，约占建基面总面积的14%，其岩体为新鲜或微风化状，岩体完整性系数K大于0.76，动弹模约45GPa，静弹模为19GPa；2）纵波波速为4000-4800m/s，约占建基面总面积的43%，岩体一般呈微风化或弱风化状态，完整性系数K为，动弹模为30-45Gpa，静弹模为8-19Gpa；3）纵波速度Vp为3000-4000m/s，占建基面的43%，岩体完整性系数小于0.51，动弹模小于30GPa，静弹模低于8GPa，岩体多呈弱风化状。从整个建基面岩体质量分布看，右岸坝块较左岸坝块发育好，上坝块较下坝块好，这与地质构造的发育情况相符合。声波测试成果表明，建基面低波速层厚度为，平均为1.2m。,
