矿山测试技术岩体声波探测技术PPT课件

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1、岩体声波探测技术在工程中的作用岩体声波探测技术在工程中的作用1.1.工程岩体进行分类、分级2. 2. 评价工程围岩的稳定性 包括围岩松弛带范围的测定和围岩稳定性的定期观测3.3.确定地质剖面、风化层厚度 配合进行工程地质勘探钻孔4. 4. 岩石和岩体的物理力学性质的测定和估算 如动弹性模量、泊松比等5. 5. 岩体中存在缺陷 如构造断裂、岩溶洞穴的位置、规模，张开裂隙的延伸方向和长度的探测6. 6. 工程施工及加固措施效果的检查 如爆破、喷锚支护、补强灌浆的质检第1页/共98页岩体声波探测技术优点岩体声波探测技术优点1.1.给出定量指标 以弹性动力学基础，声波引起的介质质点运动与介质的力学特性

2、关系比较密切，对于解决工程地质评价，尤其是岩体稳定评价问题，能给出定量指标2.2.测试技术简单易行具有简便、快速、经济、便于重复测试、对测试的岩体(岩石)无破坏作用等优点测试成果易得到推广应用，为工程设计和施工得到全面而可靠的数据和资料第2页/共98页7.2 声波探测基础声波探测基础n声波就是在弹性介质中传播的、载有岩体各种信息的弹性波n本节介绍声波的物理特征、传播特性、波衰减和声场等有关弹性波的基础知识 第3页/共98页岩体中的弹性波岩体中的弹性波n 无限介质中的波 纵波、横波n 半无限介质中的波 瑞利波、勒夫波 岩体存在着一个自由面或在两种岩体之间存在着交界面时，除纵波和横波外，还能产生表

3、面波n 有限体的介质中的波 杆中波速 板中波速第4页/共98页1. 无限介质中的波无限介质中的波 对于大多数岩石=0.25，则12EGVs2112spVV73.1spVV121)1(EVp无限介质中的波存在两种波：纵波，横波 A. A. 纵波纵波 质点振动方与波传播方向相平行纵波波速B. B. 横波横波 质点振动方与波传播方向相垂直横波波速 C. C. 纵波速度纵波速度V Vp p和横波速度和横波速度V VS S关系关系第5页/共98页2.2.半无限介质的波半无限介质的波 岩体存在着一个自由面将产生表面波：瑞利波 瑞利波特点 A、瑞利波传播速度 vR： 小于岩体内的纵波和横波的速度，由下列方程

4、决定01161624822248kkkpssRVVVVksRVV112.187.0可用下面公式近似表示第6页/共98页2.半无限介质的波第7页/共98页瑞利波特点瑞利波特点1 1 B. 质点运动轨迹 在岩体表面，质点运动轨迹为长轴垂直于表面的椭圆，其长轴与短轴之比为1.468（0.25） 随面波逐渐深入岩体内部，其长轴与短轴越来越接近，最后成为长轴平行于 表面的椭圆 C. 能量和衰减规律 （1）面波的能量主要分布在表面附近，集中在1个波长的深度内 （2）随着距离表面深度增加，强度衰减很快 （3）与表面平行的方向，能量衰减比纵、横波慢第8页/共98页瑞利波特征例子瑞利波特征例子n 表面震源辐射出

5、的能量为100，则沿着表面的方向上纵波、横波和面波所占的能量比例为：纵波7%，横波26%，面波67%n 表面波的能量随表面距离增加衰减的较慢，而且在能量分配上又占一半以上，故在岩体的表面上的面波是最强的优势波n 在声波探测技术中，专门利用面波进行探测，称为表面波法第9页/共98页3.3.有限介质的波有限介质的波杆中的纵波杆中的纵波n 在岩性相同的岩样中，有限体的形状不同，其纵波速度不同 A. 杆中的纵波 如果细长圆柱形岩石试块的直径d小于波长的110时，可视为杆，其纵波波速Vpg为 EVpg第10页/共98页3.3.有限介质的波有限介质的波板中的纵波板中的纵波 B. 板中的纵波 当岩石试块在X

6、、Y方向上的尺寸远远大于Z方向的尺寸，而且Z方向的尺寸(即厚度h)比波长小很多时(hVsVR 结论是岩体声波探技术的主要理论基础第12页/共98页描述声波的特征量描述声波的特征量振动图振动图( x=x0)波传播过程质点的振幅随距离和时间变化振幅A 指声波波形离开平衡点的最大值频率f 波峰与波峰之间相隔的时间称为周期，周期的倒数即为频率主频主频 任意一个波都可以分解成不同频率，不同振幅和不同相位的正弦波，主频主频是是振幅最大那个正弦波的频率n声波探测中描述声波三个参量：波速、振幅、频率)/(2sincxtfAy)/(2sin0cxtfAy第13页/共98页描述声波的特征量描述声波的特征量波剖面图

7、波剖面图波剖面图 t=t0波长l l 在一个周期内传播的距离称为波长波数 波长的倒数声能密度 指介质单位体积内的声波能量，包括动能和势能，动能与介质质点振动速度有关，势能与振幅有关n波长=声速周期=声速/频率)/(2sin0cxtfAy第14页/共98页 波场、波阵面、射线波场、波阵面、射线1 1n波场：波在传播时所形成物理量在时间和空间的分布状态 波前（波阵面）是指在某一时刻，岩体中刚开始震动的各质点所构成的曲面，即已震动区和末震动区的交界面射线：与波前相垂直的法线 射线是弹性波由一点向另一点传播时，经过的路程第15页/共98页波场、波阵面、射线波场、波阵面、射线2 2n按波阵面形状声波分类

8、球面波：自震源发出的波，其波前构成一个球面 在均匀岩体中，球形震源或点震源将产生的球形波柱面波：波前构成一个柱形面 在均匀岩体中，长圆柱体震源或线状震源将产生的柱面波平面波：波前构成一个平面 所研究区段取得足够小且距震源足够远，球面波和柱面波也可视为平面波第16页/共98页波前原理、叠加原理和射线原理波前原理、叠加原理和射线原理n波前原理(恵更斯原理)指出 （1）波阵面上的每一点都看作是发射次级子波的波源 （2）子波朝各个方向传播产生新波 （3）新波的包络线是原波的新波前 例如：声波的通过小孔扩散n叠加原理 在弹性介质中，两个波在某区域内相遇，则相遇时波的强度等于它们的代数和(重叠)，若相遇后

9、又重新分开，则此后两个波的传播情况仍好似未曾相遇过一样n射线原理（费玛原理） 波总是沿射线传播的波沿射线传播从一点达到另一点所需时间是最短的（直线传播）第17页/共98页波的反射、透射波的反射、透射n 弹性波由一种岩体传到另一种岩体分界面时，会产生反射和透射（折射）现象n 一般产生四种波： 两种透射波：在第二种岩体中传播 两种反射波：在第一种岩体中传播第18页/共98页1 1 入射波、入射波、反射波、透射波之间角度的关系反射波、透射波之间角度的关系 A. 角度关系 根据斯涅尔定律 ssppsspppvvvvv22111sinsinsinsinsin第19页/共98页2 2 入射波、入射波、反射

10、波、透射波之间振幅的关系反射波、透射波之间振幅的关系n 斜入射纵波 反射纵波振幅ArP和反射横波振幅ArS，透射纵波振幅AtP和透射横波振幅AtS是入射角和介质常数的函数n 垂直入射纵波 没有反射横波和透射横波 振幅关系为ppppprprvvvvAAK11221122pppptptvvvAAK1122112介质的密度与波速的乘积称为波阻抗波阻抗相等，不产生反射，界面传递性能最好(耦合)反射系数 透射系数第20页/共98页3 3 全反射与折射波的形成全反射与折射波的形成n 沿着地层分界面以V2速度进行传播的滑行波一部分再以临界角折射回上面地层1形成折射波21sinsinVVp21sinVVn考察

11、地层1和地层2的声波传播速度分别为V1和V2，且V2 V1，其交界面为AB。由斯涅尔定律得：n当透射角p等于90度时，将出现内部全反射现象，此时，透射波沿界面AB传播，称为滑行波滑行波，此时的入射角称为临界角临界角第21页/共98页表面观测到三种弹性波图解表面观测到三种弹性波图解n 如果弹性波以临界角入射到分层介质时，在地表能检测到三种传播路径不同纵波：n(1)由声源直接传播来的直达波n(2)声波传播到交界层面时沿交界面行走一段的滑行波，再折射回上面岩层的折射波n(3)声波传到下面岩层上直接反射回来的反射波第22页/共98页波的绕射（衍射）波的绕射（衍射）n 声波遇到障碍物时，如果障碍物反射系

12、数很大，波将改变传播方向，绕过障碍物传播，产生绕射波 例如：入射波波前到达障碍物的边缘A点时，将形成新的波源并绕过障碍物继续向前传播n 应用：用来探测岩体的裂隙 第23页/共98页波的散射波的散射n 在岩体中传播的波，遇到不光滑的界面时，如果界面上的凹凸处的曲率半径和波长的相比很小，会发生波前的散射n波的散射特性，给声波探测带来干扰，是不利因素n可以利用散射特性来观察岩体内部结构的破碎程度第24页/共98页7.3 岩体性质与弹性波传播的关系岩体性质与弹性波传播的关系n 岩体特性岩体物理力学性质、地质特征(如岩体风化程度、结构面、含水率、岩体的应力等) n 在岩体中动应力激发的弹性波有： 纵波(

13、p波)、横波(s波)和面波(R波) 描述波的传播特征：波形波速、振幅、频率n 波动特征和岩体特性之间相关性，才能有效利用弹性波来探测岩体特性n 主要是用纵波波速，横波波速，其次是利用波的振幅特性第25页/共98页声波速度与岩体特性的关系声波速度与岩体特性的关系 根据理论分析与实验得知： 岩体中声波速度与岩体力学性质 声波速度与岩体类型和结构有关 声波速度与与周围环境有关 声波速度能综合地反映岩体特性第26页/共98页声波速度与岩石力学性质性关系声波速度与岩石力学性质性关系1 声波法测定的动弹性模量Ed动弹性模量Ed大于静弹性模量Ej2222243spspsdVVVVVE)(222222spsp

14、dVVVV121)1 (EVp（1）声波速度与岩体密度的关系声波速度与岩体密度的关系 （2 2）声波速度与弹性常数的关系）声波速度与弹性常数的关系理论上讲声速随密度增加而减小密度增加能使动弹性模量急剧上升而促使声速加大综合的结果：声速随密度增加而增加，而不是减小第27页/共98页声波速度与岩石力学性质性关系声波速度与岩石力学性质性关系2 2 (3) (3) 声速与岩体抗压强度的关系声速与岩体抗压强度的关系岩体的抗压强度是由岩石试块的抗压强度和结构面的性质决定的，是一个综合性指标岩石抗压强度大，声速则高，反之声速低结构面使岩体强度变低，声速变低岩块的抗压强度和波速之间关系为310pnpVAV第2

15、8页/共98页声波速度与岩体类型和结构关系声波速度与岩体类型和结构关系1 1 (1) 声速与岩石类型的关系 实验资料表明，不同类型岩石的声波速度回归曲线第29页/共98页声波速度与岩体类型和结构关系2 (2) 声速与岩体结构面的关系结构面的存在使声速降低结构面使声速在岩体中传播形成各向异性： 垂直结构面方向的声速低，平行于结构而方向的声速高声波速度随岩体风化程度而变化：风化越严重，声速越低评价岩体的结构面情况，可用裂隙系数和完整性系数 (3)岩石的孔隙率关系 孔隙增加，声速下降很快，其关系下可用下式表示rfVnVnV11fVrV 孔隙中饱和液体的声速 岩石骨架的声速第30页/共98页声波速度与

16、与周围环境的关系声波速度与与周围环境的关系1 1 (1) 声波速度和围岩应力的关系n在三维应力的作用下岩体被压缩，节理闭合、弱面压密、孔隙率降低，弹性性能的增加，声波波速随应力的增加而增加n在单向应力作用下，加压方向的声速随应力的增加而增加n与加压方向相垂直的方向上声速最初随应力的增加而增加，而后减小n在低应力条件下，声速随应力的变化比较显著，在应力较大时，应力变化所引起声速变化较小第31页/共98页声波速度与与周围环境的关系声波速度与与周围环境的关系2 (2) 与环境温度的关系 温度上升，声速下降 温度下降声波提高，特别当温度下降到0度以下，孔隙中的水变成冰，声速由1500m/s(水)变为3

17、6004300m/s(-5 -80C冰)第32页/共98页 声波振幅特性与岩体特性的关系声波振幅特性与岩体特性的关系n 声波传播时，振幅随传播的距离增加而减小，出现振幅衰减n 衰减规律与岩体性质、传播条件和波形有关n 与声速相比，声波的振幅与岩体性质更为密切n 声波探测法的一个重要的理论基础n 测量声波的振幅应用较少第33页/共98页衰减衰减机理机理 1 1扩散扩散( (几何几何) )衰减衰减n 扩散衰减：当声源为有限面积时，随声波传播距离增加由于波阵面的扩散而引起的声能和声压的减小n 在理想弹性介质中，介质本身没有能量损耗n 几何衰减规律 在球形波场中，振幅与声源距离的平方成反比 在柱面波场

18、中，振幅与声源距离的平方根成反比 在理想平面波场中，不存在扩散衰减n 在声测中，随发射传感器的形式，晶片大小和频率不同，扩散衰减也不同第34页/共98页衰减衰减机理机理 2 2散射衰减散射衰减 由于岩体中存在颗粒结构、裂纹、杂质以及各种节理、裂隙、断层、夹层等，当声波传播过程与它们互相作用，产生反射、散射时，将出现能量损失，从而使波强度减弱 散射衰减与频率的四次方成正比第35页/共98页衰减衰减机理机理 3 3吸收衰减吸收衰减 n 吸收衰减机理 介质的粘滞性，阻碍质点振动，造成质点间的内摩擦，使部分声能转变成热 质点振动状态转换的迟缓，即应力和应变非同相，产生弛豫吸收n 影响因素 岩石的孔隙度

19、及其形状、饱和度、固相的成分、密度和弹性性质、岩石所受压力和温度变化等都对声能的衰减有影响n 岩石对声波的吸收与频率的一次方成正比第36页/共98页4. 声波振幅衰减规律声波振幅衰减规律n在声测中，考虑到几何衰减，衰减系数用下式表示)/()lg(lg20121221mdBrrrrAARReAA0n由于吸收衰减引起的衰减衰减系数是频率的函数，频率越高，值越大第37页/共98页5.5.小结小结n 岩体对声波振幅与频率的吸收特性与岩体性质有密切关系 当声波速度受岩体节理和软弱面影响而下降10时，衰减系数增大2 3倍，振幅衰减20 30%，说明振幅特性对岩体特性的反映更为灵敏 分析实测的声波的频谱(振

20、幅、相位谱、能量谱等)资料，可以得到比用单纯弹性波速更有效的资料 声波探测法的另一个重要的理论基础n 进一步研究内容 岩体对声波振幅吸收的大小以及频谱的变化与岩体的结构及物理力学性质定量关系第38页/共98页7.4 岩体声波探测仪器岩体声波探测仪器岩体声波探测系统由激发装置、换能器和声波仪组成第39页/共98页声波激发方式与装置声波激发方式与装置 1爆炸激发 用炸药作震源 特点：（1）频率较低，约为10100Hz；（2）能量较大，作用距离较远（3）可分辨性较差；（4）单次激发 2锤击激发 使用810kg的铁锤，人工锤击岩体 特点：（1）频率1001000Hz；（2）作用距离几米到数十米；（3）

21、分辨能力较爆炸震源强；（4）单次激发 3电火花源激发 在空气或水中高压放电，产生振动 特点（1）频率较高，约1300kHz；（2）瞬间放电功率达1000kw以上，形成冲击波，传播距离达几十米；（3）可分辨性较高；（4）单次激发第40页/共98页声波激发方式与装置声波激发方式与装置 4电声换能器acoustic transducer 激发n 声波换能器利用压电逆效应制成一种电声之间的能量转换装置n 特点 发射频率、脉冲长度（持续时间）可以控制 可多次重复发射 发射能量较小n 接收换能器 利用晶体压电效应，做成接收声波探测器第41页/共98页7.4. 2 声波换能器声波换能器 目前常用的声波换能器

22、有以下几种： 1. 喇叭式换能器 2. 单片弯曲式换能器 3. 增压式换能器 4. 测井换能器 5. 试件测试换能器 换能器都有不同的谐振频率可供选用 频率较高者，分辨力较好，但穿透能力小 频率较低者，分辨力低些，但穿透能力大第42页/共98页1喇叭式换能器喇叭式换能器 喇叭式换能器又叫夹心式换能器 结构：圆片形压电晶体叠合在一起 工作原理：在每一个晶片的上、下两极间加一脉冲电压，利用晶片厚度方向上的变形产生振动 特点：单向振动辐射，指向性好，机械强度高，承受功率大 应用：可用于岩体对穿测量或平面测量，既可用于发射，也可用于接收第43页/共98页2单片弯曲式换能器单片弯曲式换能器n 特点 体积

23、较小、轻便、灵敏度较高，强度差，不能承受大功率n 应用 用于低频声波测量 平面声波测量的接收换能器n结构：结构：圆片形晶片用环氧树脂粘于底壳n工作原理工作原理晶片上、下加交变电压时，一方面厚度方向上发生胀缩变形，另一方面径向上发生伸缩变形。因晶片下面受底壳限制，上面为自由面，变形量大，因而产生弯曲变形，带动底壳一起振动第44页/共98页3增压式换能器增压式换能器n 结构：将多个圆片形晶片平行等间隔排列并垂直于增压管内壁粘牢，增压管是由两个半圆管对接而成的，中间留有缝隙，各晶片的电极并联连接n 工作原理：晶片两边加交变电压时晶片厚度方向胀缩的同时，径向发生伸缩变形，带动增压管发生径向振动。它比单

24、片时的发射、接收效率高若干倍n 特点 轻便，低频换能器的体积不大，频带较宽n 应用常用于双孔孔间透视不宜做声幅测量用第45页/共98页测井换能器照片测井换能器照片第46页/共98页 4测井换能器测井换能器n一发双收换能器： 结构： 一种圆柱状换能器，内装一个用于发射压电晶体和两个用于接收压电晶体，3个压电晶体间用传声速度较慢的隔声管联接起来，组成一个发射，两个接收的测井换能器n 工作原理： 由发射换能器发出的声波进入孔壁岩石，其中的滑行波沿孔壁滑行先后到达接收换能器被接收下来n 应用： 适用于在单个钻孔中测量孔壁的声波速度第47页/共98页5试件测试换能器试件测试换能器 类型：承压式和非承压式

25、 承压式结构 换能器装在一个扁圆形的钢制模盒内，能承受较大压力，可放在压力机加压板与试件之间 工作原理 当在晶片上加上信号电压后，晶片变形，带动振动膜产生弯曲振动n 用于室内试件测试的换能器多为小型的超声波换能器第48页/共98页声波仪声波仪n声波探测仪的显示系统有两种：数字显示和波形显示n 声波仪主要由发射系统和接收系统两部分组成第49页/共98页数字声波仪组成框图和工作原理n工作原理工作原理：逻辑控制器启动发射机，同时开始计时发射机向发射换能器发射电脉冲，激励晶片振动，产生声波，向岩石发射在岩石中传播的声波被接收换能器接收，把声能转换成微弱的电讯号送至接收机，经放大、模数转换、存贮，同时停

26、止计时在屏幕上显示出波形图或直接读数声波的传播时间t、振幅、频率等波形参数根据已知的探测距离L，便可计算出声波的速度第50页/共98页7.5 岩体声波探测方法岩体声波探测方法(1)穿透法(2)反射法(3)折射波法(4)剖面法(5)钻孔探测法第51页/共98页波速测量及波速的计算波速测量及波速的计算 测量声波速度是声波测试工作中最基本、最重要的工作 速度的计算取决于测时和测距的准确性n 几个基本概念 视速度 真速度 时程曲线第52页/共98页1 真速度和视速度真速度和视速度V V* * n 真速度v：声波沿射线方向的传播速度n 视速度v*：声波沿测线方向的传播速度n 真速度与视速度关系： 设波的

27、射线与地面（测线）法线的夹角为时，波前在t和t+t时分别到达地面上的x1点和x2点，射线与地面不平行，沿地面测出的速度不是真速度tsvtxv*sin*vvn对于特定介质而言，真速度真速度v是一定的n视速度v*随测线与波的射线夹角而变化n用于计算岩体力学参数，要用真速度真速度真速度：视速度：关系：关系：第53页/共98页2. 时距曲线时距曲线n走时：声波从发射点传播到接收点的旅行时间n旅程：声波从发射点传播到接收点间的行程n时距曲线：指波前到达的时间t与测点坐标x的关系曲线在均匀地层中，直达波的时距曲线是一条通过零点直线，如果地层是不均匀的，时距曲线是曲线或折线反射波的时距曲线是一条抛物线折射波

28、的时距曲线是一条截距为t0的直线时距曲线是计算声波速度的基础第54页/共98页3. 纵波和横波特点及比较纵波和横波特点及比较n 测量声波的走时，关键是确定波的初至点的准确位置n 地面同时传播着纵波、横波和表面波，它们被同时被记录，有时会混合在一起出现干涉（重叠）n 比较 纵波波速比横波波速大，故记录波形时纵波在前，横波在后 纵波的振幅小于横波的振幅，降低放大系数可突出横波第55页/共98页声波探测方法分类声波探测方法分类应用声波探测岩体时，主要有下列五种工作方法：(1) 穿透法(2) 反射法(3) 折射波法(4) 剖面法(5) 钻孔探测法第56页/共98页1. 穿透法穿透法 transmiss

29、ion method 定义：将声波发射换能器和接收换能器放置在介质相对的两个表面上，根据穿透波的传播时间和波形的变化来判断介质的特性n特点穿透法灵敏度高，波形单纯、清晰，干扰较小，各类波形易于辨认，是一种使用较为广泛的方法对换能器安装的相对准确性要求较高n适用条件 用于厚度比较大、并且两个表面都能安放换能器的情况第57页/共98页2.反射波法反射波法echo method n 定义： 将声波发射换能器和接收换能器放置在介质同一表面上，发射换能器向介质内部发射声波，接收换能器接收来自介质内部分层、缺陷的反射波，测量反射波传播的时间和波形，来判断介质内部性质的方法n 应用： 用于确定地层厚度、波速

30、和缺陷、桩基完整性检测、混凝土厚度检测第58页/共98页3. 折射波法折射波法refraction method 定义：定义：将声波发射换能器和接收换能器放置在岩体同一表面上，发射换能器向岩体内部发射声波，接收换能器接收来自下伏岩层的折射波，测量折射波传播的时间和波形，来判断介质内部性质的方法n应用条件应用条件：下伏岩土层的波速大于覆盖层 的波速发射换能器和接收换能器的距离应大于盲区n应用应用用于确定地层厚度、岩层波速等第59页/共98页Seismic RefractionVertical GeophonesSource(Plate)Rock: Vp2ASTM D 5777Soil: Vp1o

31、scilloscopex1x2x3x4t1 t2 t3 t4Note: Vp1 Vp2zRDetermine depthto rock layer, zR第60页/共98页Seismic Refraction0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 Travel Time (seconds)0 10 20 30 40 50 Distance From Source (meters)Horizontal Soil Layer over RockVp1 = 1350 m/s1Vp2 = 4880 m/s1z x2 V VV Vccp2p1p2p1Depth to Rock: zc

32、 = 5.65 mxc = 15.0 mx valuest values第61页/共98页4.4.剖面法剖面法profiling method n定义： 又称沿面法 把发射换能器和接收换能器布置在同一表面上，测量表面直达波传播时间和波形，来判断介质表层性质的方法n 应用：n 主要用于判断介质的岩体浅部缺陷和材料的性能第62页/共98页5. 钻孔探测法钻孔探测法acoustic log n定义：把发射换能器和接收换能器布置在钻孔中，测量孔壁折射波或孔间透射波传播时间和波形，探测岩体特征随孔深变化的方法n分类单孔测井：发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔，测量折射波双孔穿透法(双孔法) ：发射换

33、能器和接收换能器分别放入两个钻孔，测量透射波单孔测井双孔穿透法n测量时，钻孔中常充满流动性的油类或水作为耦合剂第63页/共98页声波换能器的选择和换能器与介质的耦合声波换能器的选择和换能器与介质的耦合n声波换能器频率选择： 岩体越大、越破碎和测距越远，发射传感器的频率应选越低n换能器与被测岩体(石)的耦合原因：换能器与被测岩面接触时，有一层空气隙。声波在两个界面上将产生反射而损耗能量，反射能量大小与界面两边波阻抗（c）有关，波阻抗差别越大，反射能量越大与换能器、岩石波阻抗相比，空气波阻抗很小，波阻抗差别很大，因而声波从换能器进入空气隙，又从空气隙进入岩体经过两道反射较强的界面，能量损耗很大耦合

34、方法：将空气隙填满某种波阻抗与岩石和换能器差别不大的介质，使声波从换能器耦合到岩体中去耦合剂：实现耦合的介质。常用的耦合剂是黄油和水一般试件测试和平面测试，常用黄油；孔中测试则灌满水第64页/共98页7.6 声波探测的应用声波探测的应用 1地质分类 2圈定开挖造成的围岩松驰带 3测定岩体或岩石试件的力学参数 4工程岩体边坡或地下硐室围岩稳定性的评价 5探测断层、溶洞、裂隙的位置及规模 6定量研究岩体风化壳的分带 7开挖爆破及补强灌浆的质量检查 8划分浅层地质剖面及确定地下水面深度 9天然地震及大面积地质灾害的预报 第65页/共98页声波测井声波测井n 目的：作出地质剖面，划分岩层、确定岩性和含

35、水层位置圈定构造、节理裂隙发育带及软弱层、岩溶发育位置 对风化壳及岩体完整程度做出定量评价n 探测原理 不同的岩层有不同的声速，根据声速作出地质剖面，分析岩层的工程地质 tLttLVy12n探测方法探测方法单孔高差同步法单孔高差同步法在充满水或泥浆的同一孔内放置发射换能器和接收换能器。两者上下间保持一定距离，沿井壁同时上下移动，发射声波，测量折射波，计算声波传播速度第66页/共98页声波测井柱状图声波测井柱状图 第67页/共98页地下岩层位置的探测地下岩层位置的探测n利用声波法的走时曲线，探测地下岩层的构造形状和位置n最重要应用之一n 两种方法 反射波法、折射波法 第68页/共98页1. 反射

36、波法反射波法n目的：n探测岩层声速v和岩层厚度h n工作过程：在T点发射声波，同时在一系列测点x1、x2、xn记录下反射波到达的时间t做出时距曲线，求声速v和厚度hn计算原理：条件：在地表下有一水平反射层面AB ，地层1波速为v，波从界面反射到测点，其行走路径为TCR，走时为t反射波时距曲线为22224Vxht反射波法工作方式和时距曲线第69页/共98页反射波法计算方法反射波法计算方法n 计算方法 利用各测点的记录，作出t2与x2之间的曲线，即反射波走时曲线 走时曲线的斜率为k=1v2，截距为t0 2=4h2v2 利用走时曲线的斜率和截距求出岩层声速v和层厚hn 如果岩层界不是水平的，可用类似

37、的方法求得时距曲线及层厚n 问题： T到R点有直达波存在，使反射波难于辨认n 解决办法： 减少脉冲波持续时间 利用折射波法第70页/共98页2. 折射波法折射波法n目的：探测岩层声速v1、v2和岩层厚度h n适用条件：只适用于下层岩石的波速v2比上层岩石波速v1大n工作过程：T点发射声波，同时在一系列测点x1、x2、xn记录下先达波(首先是直达波、后来折射波)到达的时间t做出时距曲线，求岩层声速v和厚度h折射波法工作方式和时距曲线第71页/共98页折射波法计算折射波法计算1n计算原理n直达波走时曲线 当接收点小于临界距离(即直达波与折射波同时到达的点)时，先达波为直达波直达波走时曲线11Vxt

38、 n折射波盲区当波入射角小于临界角 时，在测线上，无法接收到折射波；当以临界角入射时，有滑行波沿界面传播，开始产生折射波。开始产生折射波时，接收点和发射点之间的区域称为折射波盲区盲区范围tan2hxm第72页/共98页折射波法计算折射波法计算221sinVV221212222VxVVVVht2112122cos2VhtgxVhVERVCEVTCtn折射波走时曲线折射波走时曲线当接收点大于临界距离时，先达波为折射波折射波路程为(TCER) ，走时t2为因为折射波走时曲线折射波走时曲线第73页/共98页折射波法计算折射波法计算3n如果xxc则直达波先到达，反之，折射波先到达n记录先达波到达时间，在

39、T-x坐标上作图，得两条直线n无需分辩波的类型，是折射波法重要持点221212212VxVVVVhVxcc 12122VVVVhxc2121220/2vvvvhtn 临界距离 xc 指直达波与折射波同时到达的点与发射点的距离令t1=t2，可得临界距离xc折射波走时曲线截距为折射波走时曲线斜率为直达波走时曲线的斜率为 可求得岩层厚度h和v1、 v2K2= 1v2K1= 1/v1第74页/共98页折射波法小结折射波法小结2121220/2vvvvht可求得岩层厚度h和v1、 v221vdxdt折射波11vdxdt直达波折射波走时曲线截距为折射波走时曲线斜率为直达波走时曲线的斜率为 第75页/共98

40、页围岩松动圈范围的探测围岩松动圈范围的探测n 探测原理：地下工程开挖后，围岩应力重新分布，出现应力降低和升高区，形成松动（压密）圈应力降低区(松弛带)：洞室围岩中波速小于原岩波速的区域应力增高区(压密带)：洞室围岩中大于原岩波速值的区域n 探测方法单孔高差同步法第76页/共98页围岩状态与波速关系围岩状态与波速关系波速与孔深关系曲线(1)一字型曲线字型曲线说明岩体完整，洞室开挖后围岩完整性和应力没有明显的变化，围岩没有松弛(2) ) 厂字型曲线厂字型曲线说明围岩表面有松动，有应力降低区产生(3) 衰减型曲线衰减型曲线表明岩体完整坚硬，围岩无松弛带，相反有应力增高区出现 (4) 峰值型曲线峰值型

41、曲线：说明围岩表面出现松弛带，应力降低，而中部为应力增高区，而后为原岩压力区波速与原岩一致波速增加波速先低后高波速先低后平第77页/共98页岩体力学参数的测定岩体力学参数的测定(1) 测定动弹性模量和泊松比 测出岩体中的纵、横波速度，就可以算出岩体的动弹性模量和动泊松比2cppcVV(2) (2) 测定围岩的准抗压和抗拉强度测定围岩的准抗压和抗拉强度 首先测出现场岩体弹性波波速Vp和室内试块的弹性波波速Vcp。然后，可按下式计算岩体的准抗压、抗拉强度2222243spspsdVVVVVE)(222222spspdVVVV第78页/共98页岩体节理裂隙发育探测岩体节理裂隙发育探测完整性系数KR

42、裂隙系数LS2epPRVVK222peppsVVVLn常用完整性系数KR和裂隙系数LS来描述岩体的结构特征！注意：注意：vep要在被测岩体附近小范围内，选择节理不发育的完整岩体中测定，以保证vep与vp是在同样应力条件下测得的n应用应用完整性分级完整性分级第79页/共98页岩体中应力和稳定性的探测岩体中应力和稳定性的探测n主应力方向测量原理：岩体所受的应力状态影响声波特性具体做法：取某一点作为声波发射点A；以发射点为圆心，在圆周不同方向布置接收点，测定发射点至各接收点的波速，并按极坐标绘出声速椭圆。椭圆长轴方向就是主应力方向第80页/共98页岩体中应力和稳定性的探测岩体中应力和稳定性的探测n围

43、岩稳定性监测原理：地下围岩发生坍塌前必然伴随着应力的变化，从而引起声速的变换岩体破坏前出现声发射现象方法：对声速和声发射进行长期观测，测量其随时间的变化用来评价峒室和采空区的稳定性，预报坍塌的可能性第81页/共98页岩体溶洞、裂缝探测岩体溶洞、裂缝探测n原理 声波遇到张开的裂隙或岩洞等缺陷时，将产生反射、散射与绕射，其声学参数将发生n声波变化特点 波速的变化 声波绕过或穿过缺陷，走时延长，计算波速降低接收波振幅的变化 声波能量经缺陷反射、吸收后能量减小，接收波振幅明显降低接收波主频率的变化 缺陷对声脉冲波中高频成份衰减较一般岩体更剧烈，接收波频率下降更明显接收波波形的变化 接收波第一、二周期可

44、能会出现波形畸变，一般接收波形包络线呈半圆形，有缺陷时包络线呈喇叭形第82页/共98页岩溶洞、裂缝探测实例图岩溶洞、裂缝探测实例图第83页/共98页1 岩体溶洞测量岩体溶洞测量n探测方法透射法n假设条件可近似地认为波是绕射过溶洞周边，到达接收换能器溶洞为近似圆形的n绕射波的走时为vrlLrlvsst22221)(2n先用反射法确定ln再由上式确定r第84页/共98页2 裂缝探测裂缝探测n测量方法平测法换能器T、R分置于裂缝两侧，从T发射的声波由于裂缝的反射，不能直接到达接收换能器R，发生绕射，记录绕射波经A点绕过裂缝到达R的传播时间tn绕射波时距曲线2202022)(2vxxxhtn利用各测点

45、的记录，作出t2与(x-x0)2之间的曲线(绕射波走时曲线)n走时曲线的斜率为1v2，在裂缝x=x0处有t02=(2h2+x02)v2n利用走时曲线的斜率和x=x0处t0值，求出岩层声速v和裂缝深度h第85页/共98页岩体工程地质分类岩体工程地质分类 岩体工程地质分类 方法： 用声波法测得岩体力学参数(如弹模，强度、裂隙系数等)指标和岩体构造后 再结合地质构造情况、工程类型(边坡、地基、地下隧道)和施工方法（如爆破、钻孔、机械开挖）等，对岩体进行分类第86页/共98页其它应用方面其它应用方面n 用于解决与峒室稳定性有关的其它问题 如喷锚支护的效果和喷锚支护参数的测量n 用于施工质量检测 如注浆

46、效果、混凝土浇灌质量、混凝土和喷射混凝上的强度n 研究冻结井施工中冻土墙的形成情况n 地震预报第87页/共98页7.7 岩石声发射技术岩石声发射技术n 声发射(Acoustic Emission简称AE) 固体材料或结构构件在力作用下发生变形或断裂时，会以弹性波形式释放出应变能的现象n 声发射技术 利用声发射信号推测声发射机理及传播介质特征的技术 它属于声学无损检测技术第88页/共98页声发射技术原理声发射技术原理n岩石声发射机理 当岩石受力变形时，岩石小裂纹周围应力集中，应变能较高，随外力增加，裂纹扩展，从而贮存的一部份能量以声波形式释放声发射与岩石内部原始裂纹的闭合和非均匀状态的调整有关n

47、岩石的声发射共同特点： (1) 低应力状态下，声发射活动低 (2) 随应力增加，若岩石仍表观为弹性，声发射活动仍然低 (3) 岩石开始进入破裂阶段，声发射急剧增加，直至岩石破裂 (4) 凯塞效应 岩石在反复载加时，当第二次加载不越过第一次加载水平时，声发射很少或不存在；只有当加载水平超过以前该岩石曾经受过的最大应力水平后，声发射才大量出现利用凯塞效应测量“记忆”在岩石中的构造应力，是声发射技术重要应用方面之一第89页/共98页方法特征方法特征和应用和应用n 方法特征 声发射信号源自材料缺陷本身，属被动检测Passive surveys 缺陷的大小和性质以及所处位置和应力状态的不同，声发射特征也

48、有差别，故能利用声发射信号，实时监测缺陷的发展和材料的稳定性 声波检测与缺陷是否处于运动状态无关n 应用 岩石的力学性能检测 混凝土及岩石工程结构的稳定性评定及破坏事故预报第90页/共98页声发射信号特征和表示法声发射信号特征和表示法n 声发射信号的特点声发射是介质内部产生的局部瞬变现象，记录到的信号是经过多次反射，传播衰减，叠加而成声波，一个局部瞬变，在到达传感器时可能分裂成几个波单个声发射信号（单个事件）的持续时间很短（0.01100m s）声发射脉冲的上升时间很短，一般在几十至几百毫微秒范围内具有很宽的频率范围，从次声到30MHz的频率范围内 声发射信号非常弱，它在试件表面产生的垂直位移

49、约为10-710-14 m量级第91页/共98页 声发射信号特征参数n 声发射的能量是岩石缺陷发展的结果，裂纹扩展一次发射一个应力波脉冲，用声发射仪可记录到应力脉冲波形n 声发射信号特征参数 声发射事件 总事件 大事件 能率第92页/共98页 声发射信号特征参数n声发射信号特征参数声发射事件：指记录到应力脉冲幅值大于设定阀值的应力脉冲。设定阀值的大小是根据环境噪声和测试目的而定。裂纹扩展一次产生一次声发射事件，声发射事件次数表达裂纹扩展的前进次数。脉冲最大时间相当于缺陷发展时间，裂纹扩展速度近于声速总事件：单位时间内仪器检测到的声发射事件总数(次min)，它是岩体或混凝土出现破坏的重要标志大事

50、件：单位时间内仪器检测到的振幅大于某一阀值的声发射事件次数(次min)。总事件中大事件所占比例预示了岩体或混凝土变形、破坏的趋势能率：单位时间内仪器检测到的声发射活动能量的相对累计值(能量单位min)，它是岩体或混凝土破坏速率和大小变化程度的重要标志第93页/共98页岩体声发射的规律岩体声发射的规律n 岩体声发射过程中的声发射参量具有明显的规律性四个阶段 (1) 声发射缓慢增加阶段(OA段)，此阶段内声发射逐渐增加，声发射参量平均每分钟增量在1520之间 (2)声发射迅速增加阶段(AB段)。此阶段声发射迅速增加，声发射参量平均每分钟增量达30 (3)声发射下降(或停止阶段)(BC段)。这一阶段

51、的声发射信号逐步下降或者完全停止 (4)声发射信号再度迅速增长至破坏(失稳阶段)(CD段)。这一阶段声发射信号再度显著增加，直至破坏(失稳)，声发射参量平均每分钟增量大于30第94页/共98页声发射仪声发射仪n声发射信号微弱，信号频带宽，必需借助灵敏的仪器，才能检测出来n声发射仪的作用接收声发射信号处理声发射信号显示处理后的声发射数据n一般要求声发射检测仪器 性能 (1)具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围以及对强信号阻塞的恢复能力 (2)具有较宽的频响范围，有较大的频率检测窗口选择余地 (3)具有抗干扰和排除噪声的多种功能 (4)根据检测的目的不同，还要求检测仪器具有快速、完善的分析

52、处理功能和不同的显示功能n声发射仪分单通道、双通道和多通道，传感器为高频拾振器第95页/共98页声发射源定位方法声发射源定位方法n 多个传感器定位 声发射源定位有一维、二维和三维源定位法。利用多个传感器，排成阵列进行的n 声发射源性质判断 利用接收到的声发射信号反演出声发射源信号，进而推断定发射源作用力的大小及其随时间的变化，很有实用价值 具体办法参照专著第96页/共98页声发射技术的应用声发射技术的应用 目前主要有以下方面应用： 1) 利用声发射模拟试验和现场实测，分析和监控岩体工程的稳定和破坏情况 2) 利用声发射的凯塞效应测定岩体的原始应力(地应力) 3) 利用声发射研究人工和天然地震的机制等 4) 岩体工程灾害预报第97页/共98页感谢您的观看！第98页/共98页