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1、1,GaoSuGongLu,第四章 声波测试技术,SACE,2,4-0 概述,弹性波：振动在弹性介质中的传播，形成了弹性波声波是弹性波的一种声波的概念（2020000HZ）波动是物质运动的一种形式，声波是波动中机械波的一种，是介质中振动的质点，将振动的能量传递给给周围的质点，引起周围质点的振动，从而以波动的形式将声能向外传播。声波测试的应用依据：目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时间和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为依据.,3,声波测试技术：岩体声波探测技术是以人工的方法，向介质(岩石和岩体)辐射声波，观察声波在介质中传播的情况和特性。由于介质的物理性质不同，其传播
2、速度等参数也不相同。应用这个基本原理，作为分析或测定岩体的物理性质和力学性质的依据。特点属于无损检测的方法。,4-0 概述,4,应用：1利用声波参数结合地质因素，对工程岩体进行分类、分级；2利用声波探测技术评价地下工程围岩的稳定性，包括围岩松弛带范围的测定和围岩稳定性的定期观测；3利用声波探测技术，进行工程地质勘探钻孔及孔间地质剖面分层，确定风化层厚度，为设计开挖及处理提供依据；,4-0 概述,5,应用：4岩石和岩体的物理力学性质的测定。如动弹性模量、泊松比等；5岩体中存在缺陷，如构造断裂、岩溶洞穴的位置、规模，张开裂缝的延伸方向和长度的探测；6工程岩体施工及加固措施效果的检测，如爆破、喷锚支
3、护、注浆的质量检查。,4-0 概述,6,一 波动方程：拉密运动方程,4-1 声波的传播规律,7,拉密运动方程的推导X方向的平衡方程：,X方向上利用牛顿第二定律,4-1 声波的传播规律,8,拉密运动方程的推导三个方向的运动方程：,弹性介质本身的特性,4-1 声波的传播规律,9,拉密运动方程的推导三个方向的运动方程：,代入整理可得,4-1 声波的传播规律,10,1）纵波传播速度推导定义：质点振动方向与波的传播方向一致。,纵波波速,4-1 声波的传播规律,11,2）横波传播速度推导定义：沿质点振动方向与波的传播方向垂直。,4-1 声波的传播规律,12,3 表面波定义：沿介质表面和交界面传播，振幅随深
4、度增加而迅速衰减的波（也称瑞利波，R波）。注意面波与纵波和横波传播介质区别：R波在层状介质中传播。而纵波和横波是在均匀介质中传播。R波波速估算：,三种波波速的关系,4-1 声波的传播规律,13,4 波速度比较纵波和横波,注意：利用各种波的速度差异，可以帮助在记录中识别各种波。实际应用时，由于S波发生和接受均较困难，故一般多利用P波进行测试（但不是绝对的）。,对多数岩石，泊松比约为0.25,纵波速度大于横波速度，故纵波又称P波（Primary，初至波）；横波又称S波（Secondary，次至波）。,4-1 声波的传播规律,14,二、声波的反射、透射和折射声波的反射、透射和折射（全反射）,1,1,
5、2,2,4-1 声波的传播规律,P0,P1,P2,S1,S2,15,二、声波的反射、透射和折射,入射角和折射角的关系,4-1 声波的传播规律,P2,P1,16,二、声波的反射、透射和折射,波阻抗：介质密度与波速之积。声波反射条件：界面上下介质的波阻抗之差；波阻抗差越大，反射越强；,4-1 声波的传播规律,17,4-2 声波探测技术,1 声波的利用：波速、振幅、频率、波形等；目前利用最多的是波速，特别是纵波波速。2 弹性参数：,18,2 影响岩体（石）波速的主要因素：(1)岩石越致密，岩体声速越高。波速公式中，波速与密度成反比，但密度增高，弹性模量将有大幅度的增高，因而波速也将越高。(2)结构面
6、的存在，使得声速降低。并使声波在岩体中传播时存在各向异性。垂直结构面方向声速低，平行于结构面方向声速高。,4-2 声波探测技术,19,2 影响岩体（石）波速的主要因素：(4)岩体风化程度大，破碎，裂隙发育，则声速低。(5)应力的关系：压应力方向上声波速度高。(6)孔隙率n大，则波速低；密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。,4-2 声波探测技术,20,3 声波探测仪器设备和使用岩体声波探测是声波发射、传播及接受显示的过程,声波探测仪由发射换能器、接收换能器和声波仪组成。,4-2 声波探测技术,21,3 声波探测仪器设备和使用（1）换能器的布置方法：穿透法室内实验现场测试:双孔孔间穿透法,4-2
7、声波探测技术,22,反射法,反射法,23,剖面法：,24,4 测试方法的确定：测试地点的选择指定区域、代表性地段，减少工作量对测孔的要求测量和记录孔的位置和相关信息表面的处理耦合剂换能器和被测表面良好接触探测频率的选择：20KHz,4-2 声波探测技术,25,5 声波测试的应用:地质工程 岩土工程 结构工程 1 地质工程：1）围岩松弛带的测试,4-2 声波探测技术,岩体完整,节理裂隙,可认为未有松驰带。,波速与孔深的关系,洞壁出现应力集中现象,岩体保持完整。,松弛带 应力上升 原始应力带,应力集中现象不明显,近洞壁岩体完整性降低,存在松驰带,26,1 地质工程：2）评价完整性程度，估算岩体强度
8、。,4-2 声波探测技术,据完整性系数进行岩体质量分级,工程岩体分级标准 GB50218-94公路隧道围岩分类规范(JTJ026090),27,1 地质工程：2）评价完整性程度，估算岩体强度。,4-2 声波探测技术,试块强度声波测试岩体强度,28,1 地质工程：3）声波测井,4-2 声波探测技术,29,声幅测井：岩石结构及孔隙中液体性质 超声电视测井：裂隙和破碎带,30,2 岩土工程：1）岩土体力学参数确定,4-2 声波探测技术,31,2 岩土工程：2）桩基完整性检测,4-2 声波探测技术,反射法,32,R=(VP2-VP1)/VP1*100%根据R 值及岩芯检验，来评价其灌浆效果。,2 岩土
9、工程：3）注/灌浆效果评价：声波CT,4-2 声波探测技术,33,TSP系列隧洞地震探测仪超前探测原理示意图,最大探测距离达500m，有效探测距离150m，最高分辨率1m。,2 岩土工程：4）隧洞内超前探测,4-2 声波探测技术,34,经验公式,3 结构工程：1）混凝土厚度检测,4-2 声波探测技术,35,3 结构工程：1）表面低速层厚度的检测,4-2 声波探测技术,折射波,36,4-2 声波探测技术,3 结构工程：2）混凝土空洞检测,经验公式,37,直接检测 沿面检测,4-2 声波探测技术,3 结构工程：3）混凝土裂缝检测,38,4-2 声波探测技术,3 结构工程：3）混凝土裂缝检测,39,4-2 声波探测技术,3 结构工程：3）混凝土裂缝检测,40,4-2 声波探测技术,3 结构工程：3）混凝土裂缝检测,贯穿裂隙的探测,41,4-2 声波探测技术,3 结构工程：4）深孔法混凝土裂缝检测,42,水听法,4 波的其它参数利用：溶洞的探测,4-2 声波探测技术,
