岩体超声检测技术ppt课件

岩体超声波检测技术 岩体超声检测技术 概念 超声波检测： 超声波测试技术是以人工激振的 方式向介质(岩石、岩体、混凝土等)发射超声波 ，在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的 超声波，通过观测和分析超声波在不同介质中的 波速、波幅、波形等声学参数，来了解岩体材料 的物理力学特性、结构特征和风化程度等。 岩体超声检测技术 原理 原理：通过测定超声波在岩体中的 传播情况（波速、声时值、波形、波 幅等）来推定岩体材料的结构特征 岩体结构密实，声速传播快； 岩体结构不密实，声速传播慢。 声波按其频率分为次声波、可闻声波、超声波 和特超声波四类。 岩体超声检测技术 什么是超声波 ？ 次声波的频率在20 Hz以下，人耳听不到，但对人体伤害极大 可闻声波的频率在20 Hz 20 KHz之间 ，人耳可以听到 超声波的频率在20 KHz 1000 MHz，人耳听不到 特超声波的频率在1000 MHz以上，人耳听不到 在声波无损检测中，超声波检测用途最广。主要因为超声 波具有以下特性： 束射特性 超声波频率高、波长短，声束指向较好，可以使超声能量 向一个确定的方向集中辐射，便于缺陷定位； 反射特性 超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射 、透射或折射，这些现象主要由入射角度和不同介质的 声学特性决定，利用超声波这一性质，可确定构件中缺 陷的有无及其性质。 岩体超声检测技术 为什么用超声波做 检测？ 传播特性 超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，穿 透能力强，使得超声检测具有很大的可检测范围。 波型转换特性 超声波在异质界面上容易实现波型转换，构件检测中所需要的各种波 型（包括纵波、横波、板、表面波等）都可以通过压电晶片形成的纵 波产生。 岩体超声检测技术 岩体超声检测技术 （3）表面波R（瑞利波）： 固体介质（如岩石）表面在交替变化的应力作用下，质点 产生纵横复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在距固体介 质表面很小的范围内进行，故称表面波。 表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆的 长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。 波动传播方向 （a）某质点在一周 期内的位移末端轨迹（b）某一时刻不同质点在的振动位移 y x z 空气 岩石 表面波只能在固体介质中传播，且只能在固体表面传播。质点振动幅度随 深度的增加迅速减小，可认为仅存于固体介质表面二倍波长深度之内。 岩体超声检测技术 （4）板波： 在板状且厚度与波长相当的弹性固体中，传播的声波是有别于表 面波的另外类型的波，称板波。主要用于探测薄板状构件内的缺陷。 岩体超声检测技术 波速 波速V(m/s)：岩体检测中最常用的参数 材料的弹性性质 材料的结构特性 岩体超声检测技术 波速 1.波速与材料的弹性性质 纵波波速Vp a.一维（细棒）： Vp1= b.二维（薄板）: Vp2= c.三维（无限大介质） Vp2= 以下所提到的波速均为波在固体 中传播的速度！ 岩体超声检测技术 波速 横波波速Vs 无限大介质:Vs= = 表面波波速Vr 表面波波速与表面曲率有关，平表面的表面波波速如下式，凸表面的表面 波波速高于此值，凹表面的表面波波速低于此值。 平表面： Vr= 在固体介质中，纵波、横波和表面波的波速有如下关系： VpVsVr 岩体超声检测技术 波速 2.波速与材料的结构特性 材料的尺寸 材料的组成成分 空隙率 缺陷 岩体超声检测技术 声压 声压（Pa）：超声场中的某一点在某一 瞬间，因超声波引起的压强。 m=dsdx F=pds 由动量定理： Fdt =mVa pds dt=dsdxVa p= dx/dt Va= V Va Va为体积元的振动速度，当体积元很小时，即为质点振动速度。 岩体超声检测技术 超声波的指向性 声波为一点源时，声波从声源向四面八 方辐射。如果声源的尺寸比波长大时， 则声波从声源集中成一波速，以某一角 度扩散出去，形成主瓣和副瓣声束，如 图所示。 声波的能量主要集中在主瓣声束内， 这种声束集中向一个方向辐射的性质就 是声波的指向性。 声场的指向性好坏常用指向角（扩散 角）0衡量，其值为： 岩体超声检测技术 超声波的指向性 式中：介质中的超声波波长； D声源尺寸，对圆声源为其直径，对方声源为其边长； 与晶片形状有关的参数，对圆声源=1.22，对方声源 =1.0 。 一般而言，希望0值尽量小，因为其值越小指向性越好，可以提高对 缺陷的检测灵敏度和定位精度；但在探测形状复杂的工作时，希望其 值大一些，以便利用扩散声束探测某一区域的缺陷。 岩体超声检测技术 介质的声阻抗 声阻抗 Z（Ns/m3）：介质中某一质点的 声压与该处质点的振动速度之比。 Z = p / Va 声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声 阻抗越大，质点的振动就越小。当超声波由一种介质传入另 一种介质，或是从介质的界面上反射时，其各种行为（如反 射、折射等）主要取决于这两种介质的声阻抗。 气体、液体与固体之间的特性声阻抗之比接近于1:3000:8000 岩体超声检测技术 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，其能量随传播距离的增加而逐渐减弱，这种 现象为超声波的衰减。 引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收 衰减。 （1）扩散衰减 扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介质 无关，并遵从如下衰减规律： 平面波：不衰减；球面波：Px1/x (2)散射衰减 散射是指超声波在传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面 时产生反射、折射和波型转换现象。 导致散射衰减的主要原因是检测对象本身的特性，如混凝土的不均 匀性，岩体的破碎程度、风化程度及结构面等。 散射衰减可表示为频率的函数： 岩体超声检测技术 超声波的衰减 (3)吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和 热传导引起的衰减称为吸收衰减，又称粘滞衰减。 吸收衰减可表示为频率的函数： 对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减几乎可以忽略不计；而对 于液体介质，吸收衰减则是主要的。 需要注意的是，超声波检测中所谓的衰减仅指介质对声波的衰减作 用，即与介质有关的、表征介质声学特性的衰减，包括吸收衰减和散射 衰减，而不包括扩散衰减。 超声波的衰减表示为频率的函数为： 超声波的衰减与超声波频率密切相关，频率越高，衰减越大。 具有不同强度的岩体中超声波的传播行为有所不同，同 一岩体结构中强度不相同的区域中超声波的传播行为也 不相同。根据超声波的传播特性来分析岩体的强度，为 分析整体结构的强度提供重要的信息。 岩体是一种弹-塑性体，其弹性性能和塑性性能都会影 响超声波的传播，同时，岩体是结构体和结构面得结合 体，岩体内各种结构面、空洞、破碎带等地质上的不连 续面特别明显地改变超声波的传播过程和引起超声波能 量衰减。 岩体超声检测技术 岩体特性与岩体中超声 波传播特性关系？ （1）岩体结构面的影响 超声波在传播过程中遇到结构面（节理、裂隙、劈理、片理、断裂等） 将发生波的反射、折射和散射等。超声波出现传播速度减低、振幅强度 的显著降低。 岩体超声检测技术 （2）岩体空洞的影响 超声破在传播过程中遇到空洞时将发射波的绕射，出现速度降低现象， 同时，随空洞中充填物质的不同出现不同的波幅衰减。 （3）岩体风化程度 新鲜完整的岩体波速较高，风化岩体波速较低，风化越严重波速就越低 。可以利用波速来估计岩体的风化程度，可参照一下公式： Kw =（V0-V）/V0 Kw 风化系数； V0 新鲜岩石波速； V 风化岩石波速 岩体超声检测技术 检测系统 超声波检测系统包括： 1.超声波换能器 2.超声波检测仪 超声波检测系统？ 岩体超声检测技术 检测系统 武汉中科智创 岩体超声检测技术 检测系统 武汉岩海 岩体超声检测技术 换能器 常见的超声波换能器类型： 平面型 径向增压型 一发双收型 岩体超声检测技术 平面换能器 平面换能器的特点是压电体制成圆片状，当受电脉冲的作用后，压电体 沿厚度方向振动，超声波的发射或接收方向在圆片的法线方向，其构造 如上图所示。 夹心式平面换能器的特点是能获得较低频率的声波和较高的发射功率， 因而增加了检测深度。 岩体超声检测技术 径向换能器 径向换能器利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动发射或接收超声波 。目前常用的有增压式径向换能器，其构造如上图所示。 一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。但 有时为了增加接收信号，在接收换能器中加装一个前置放大器。带有前 置放大器的径向换能器只能用于接收，不能用于发射。 岩体超声检测技术 一发双收换能器 一发双收换能器将发、收压电体装于同一探 头中，并置于单孔内。 事实上一发双收换能器仅仅是换能器的一种 组合工作方式。 超声波在岩体中传播时的衰减较大，为了使超声波在岩 体中有足够的传播距离，应适当选择换能器的频率。在 检测时常采用500KHz以下的低频超声波，且选用的频率 随测量距离的增加而减小。 越破碎的岩体对超声波的衰减作用越明显，因此，较破 碎的岩体选用较低频率超声波换能器。 频率的选择还要考虑被测结构的横截面大小。横截面尺 寸越大，其边界对超声波传播的影响越小。一般横截面 的最小尺寸应至少比超声波的波长大2倍。 换能器频率的选择可参考如下经验： 岩体超声检测技术 换能器的选择（频率） 岩体超声检测技术 换能器的选择（频率） 超声衰减值与超声波频率密切相关，频率 越高，衰减越大，根据实际情况选择合适 的频率。 岩体超声检测技术 超声波检测仪 超声仪的基本功能 信号放大（增益，衰减） 信号滤波（高通，低通） 显示波形（延迟，记录宽度） 读取参数（声时，声幅） 岩体超声检测技术 超声波检测仪 智能化超声仪应具备的特点 . 自动采用适当的放大倍数 . 自动判读参数（声时，声幅，频率等） . 灵活高效的显示与记录方式 . 实时快速的现场分析功能 . 方便的数据管理（原始数据与结果） . 兼顾通用性与专用性 . 友好的界面 岩体超声检测技术 主界面： 通道1波形 显示区 通道2波形 显示区 数据显示 区二 数据显示 区一 仪器状态 设置区域 操作命令 区 岩体超声检测技术 参数设置 检测项 目相关 信息 系统延迟， 水和声测管 的延迟修正 联机通 讯口设 置 测试深度， 测点移距， 声测管间距 与管位，桩 长 设置自动 判读方式 与判据 横波，纵 波波速， 容重求弹 模，剪模 ，泊松 比；纵波 ，回弹值 求混凝土 强度 选择是否 观测频谱 岩体超声检测技术 数据分析 三者联 动显示 深度指定 数据曲线， 图中红线为 判据线，黑 色横线为选 中相应的深 度，此时左 测图形显示 区中显示该 深度处的原 始波形 指定深度 的测点原 始波形 各测点的 指定数据 显示 指定显示数 据的类型， 显示的通道 选择打印的内容 存储打印PILE文件，分析 处理测桩数据时打上此钩 指定数据 的分析处 理结果 调整深度 指定数 据曲线的 显示坐标 范围 岩体超声检测技术 结果显示 岩体超声检测技术 耦合剂 耦合剂的作用： 排除探头与岩体表面之间的空气，使超声波能有效地传入岩体，以便检 测； 减小探头与岩体表面之间的摩擦，延长探头使用寿命。 耦合剂需满足的条件： 能湿润岩体和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，易于清洗； 声阻抗介于探头与被测岩体之间，透声性能好； 对人体无害，不污染环境； 性能稳定，能长期保存。 超声检测中常用的耦合剂包括水、润滑油、甘油、水玻璃（硅酸钠） 要准确测试声速，就要准确测读声时。 超声波检测仪测量的实际上是以超声波发射为开始点， 以得到接收波为结束点间的时间间隔。 相对于超声波在岩体中传播所用时间而言，这个时间间 隔还包含了电延迟、电声转换时间和声延迟等部分，因此 ，测读声时要比超声波的实际传播时间略长，两者之差称 为声时零读数（t0）。 岩体超声检测技术 测试系统的调节 怎样能消除或减 少声时零读数？ 目前常用直接面对法、不同距离测量法和标准棒法测试系统的声 延迟 。 （1）直接面对法 将发、收换能器的辐射面通过耦合层直接接触，两者之间除辐射 体和耦合层的厚度外的距离为零，即检测对象的厚度为零，检测出 的读数即为t0。 有时用此方法并不能测出t0，因为t0很小，探头对接时发射与接收 波往往重叠而读不出t0。且由于直接对接，讯号太强，为避免一起 损坏，某些仪器不允许这样测量。 岩体超声检测技术 测试系统的调节 （2）不同距离测量法 如果不考虑被测构件的衰减等因素对检测仪所测得的声时的影响 ，可以认为超声波在同一材料、不同厚度的构件中的声速和零读数 是相同的。 对某一匀质材料不同厚度的构件，测得其厚度为l1、l2和通过的声 时分别为t1、t2，两构件中的声速应相等，即： 岩体超声检测技术 测试系统的调节 （3）标准棒法目前使用较多的测试声时零读数的方法 由高精度的、声时零读数已知的超声检测系统测读出该棒的超声 波传播时间，作为标准值，刻在标准棒的外壁上。 在使用某一系统检测岩块时，先用该系统测度标准棒中的超声波 传播时间，与标准进行比较，多出部分就是该系统的声时零读数， 在测试时直接扣除即可。 岩体超声检测技术 测试系统的调节 岩体超声检测技术 岩体超声检测技术应用 1.测试岩石弹性参数 2.浅裂缝平面检测 3.深裂缝跨孔检测 4.不密实区和空洞检测 5.混凝土结合面质量检测 6.表面损伤层检测 7.混凝土均匀性检测 8.检测隧道围岩松动圈检测 岩体超声检测技术 CTS-25非金属超声波检测仪 测试岩石弹性参数 岩体超声检测技术 应用 测试岩石弹性参数 岩体超声检测技术 测试岩石弹性参数 实测Vp,Vs,计算岩体的弹性参数： 为输入的密度； 这种方法通常为实验室内测定试块的弹性参数时使用。 岩体超声检测技术 测试岩石弹性参数 实测Vp 和，估算，计算岩体的弹性参数 ，为输入的密度、泊松比； 这种方法通常为野外实验Vs不易读取时使用。 岩体超声检测技术 浅裂缝平面检测 理论依据： 岩体超声检测技术 浅裂缝平面检测 浅裂缝单工作面平测法步骤： 1. 不跨裂缝声时测量。将T和R换能器 置于裂缝同一侧，以换能器内缘边 间距l等于100mm，150mm， 200mm，测试读取声时值ti，绘 制“时距”坐标图。 2. 计算零时距a，修正间距l = l+ a （a即为“时距”图中l的截距，mm。 ） 3. 跨裂缝以换能器内缘为间距，取间 距分别为100mm，150mm， 200mm， 测试读取声时tci。 平测“时距”图 岩体超声检测技术 浅裂缝平面检测 10cm 15cm 20cm25cm10cm15cm20cm 25cm 不跨裂缝测点布置跨裂缝测点布置 浅裂缝平面检测测点布置 岩体超声检测技术 浅裂缝平面检测 数据处理及判定： 平测法的裂缝深度可按下式计算： 式中：hci裂缝深度，mm； ti，tci测距为li时不跨缝、跨缝平测得声时值，us； li不跨缝平测时第i次的超声波传播距离，mm。 以不同测距取得的hci的平均值作为该裂缝的深度值h，如所取得的hci值 大于原测距中任一个li，则应把该li距离的dci舍弃后重新计算d值。 注意事项：裂缝不得充填有水或泥浆；换能器连线应避开钢筋 轴线；仅适用于深度小于或等于500mm的裂缝。 岩体超声检测技术 深裂缝跨孔检测 对于裂缝深度超过500mm以上的岩面，单工作面平测法会面临测 距过大导致衰减过大判读误差急剧增加的问题。必要时应采用在裂 缝两侧钻孔，在孔中以径向换能器测试。 其优点为： 1. 测距可以控制在适当的范围； 2. 增压型径向换能器发射能量大。 深裂缝跨孔检测示意图 岩体超声检测技术 深裂缝跨孔检测 深裂缝单工作面跨孔检测的技术要求： 裂缝中不得填充水或泥浆； 钻孔孔径比换能器的直径大5-10mm； 钻孔孔深比裂缝深度大600-800mm； 两个钻孔应始终位于裂缝两侧，轴线应保持平行； 换能器频率在20-60kHz范围内； 测点移距在100-400mm； 可在裂缝一侧多钻一孔，进行不跨裂缝的跨孔测试，取 得用于对比的参数。 岩体超声检测技术 深裂缝跨孔检测 测试方法： （1）选择频率20-60kHz的径向增压换能器，并在其连接线上做出等距 离标志（间隔100-400mm）； （2）测试前先向测试孔中注满清水，然后将T、R换能器分别置于裂缝 两侧的对应孔中，以相同高程等间距从上至下同步移动，逐点读取 声时、波幅和换能器所处的深度。 岩体超声检测技术 深裂缝跨孔检测 以换能器所处深度h与对应的波幅值A绘制hA坐标图，如图所示 ，随着换能器位置的下移，波幅逐渐增大，当换能器下移至某一位 置后，波幅达到最大并基本稳定，该位置所对应的深度便是裂缝深 度h。 裂缝深度判定 hA坐标图 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 不密实区和空洞检测用于结构混凝土局部区域内的不密 实和空洞情况检测。 检测要求： 被测部位应具有一对（或两对）相互平行的测试面； 测区的范围应大于有怀疑的区域； 在测区布置测点时，应避免T、R换能器的连线与附近的主钢筋轴线 平行； 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 测试方法： （1）布置换能器，可按下列方法之一布置： 结构具有两对相互平行的测试面时可采用对测法，其测试方法如下 图所示。在测区的两对相互平行的测试面上，分别画间距200 300mm的网格，并编号确定对应的测点位置。 对测法换能器布置图 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 结构中只有一对相互平行的测试面时可采用斜测法。即在测区的两 个相互平行的测试面上，分别画出交叉测试的两组测点位置。 斜测法换能器布置图 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 当结构的测试距离较大时，为了提高测试灵敏度，可在测区适当位 置钻出平行于侧面的测试孔，测孔直径4550mm，深度视测试需 要而定。结构侧面采用厚度振动式换能器，用黄油耦合；测孔中采 用径向振动式换能器，用水耦合。 钻孔测试法换能器布置图 （2）读取每一测点的声时、波幅、频率和测距。 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 数据处理及判定： （1）测区混凝土声时、波幅、频率测量值的平均值mx和标准差sx应按下 式计算： 式中：Xi第i测点的声时、波幅、频率的测量值； n一个测区参与统计的测点数。 （2）测区中的异常数据可按以下方法判别： 将一测区各测点的声时值由小至大按顺序排列，即t1t2 ti tn, 将排在后面明显大的数据视为可疑，再将这些 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 可疑数据中最小的一个（假定tn）连同前面的数据按上式计算出mi及si并 代入下式，算出异常情况的判定值Xi。 式中1为异常值判定系数，可通过查表获得。 把Xi值与可疑数据中的最小值ti想比较，若ti值大于或等于Xi，则ti及排在 其后的各声时值均为异常值；当ti小于Xi时，应再将ti+1放进去重新进行 统计计算和判别。 按照同样的方法，可判别各测点的波幅、频率或由声时计算的声速的 异常值，不同的是将这些值按照由大至小的顺序排列，计算判定值Xi时 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 （3）当测区中某些测点的声时值（或声速值）、或波幅值或频率值被判为异 常值时，可结合异常测点的分布及波形状况确定混凝土内部存在不密实区和空 洞的范围。 空洞范围的估算方法（一）： 对于仅能在一个剖面进行检测的情况，通常不能确定空洞的中心位置，仅能 按空洞位于检测位置的中央估算空洞的尺度。 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 空洞的范围估算（二） 对于有两个剖面进行检测的情况，通过两个方向对应的声时最大值位 置可以确定空洞的中心位置的中央估算空洞的尺度。 设X 为声时变化率 测试得到X,Y ，查下表得到Z，然后计算出空洞的大致半径r。 设Z 为空洞相对半径位置设Y 为空洞相对中心位置 岩体超声检测技术 不密实区和空洞检测 岩体超声检测技术 混凝土结合面质量检测 混凝土结合面（简称结合面），指前后两次浇注间隔时间大于3h的 混凝土之间所形成的接触面，如施工缝、修补加固等。 检测要求： 测试前应查明结合面的位置及走向，以正确确定被测部位及布置测 点； 结构的被测部位应具有使声波垂直或斜穿结合面的一对平行测试面 ； 所布置的测点应避开平行声波传播方向的主钢筋或埋铁件； 岩体超声检测技术 混凝土结合面质量检测 测试方法： （1）混凝土结合面质量检测可采用斜测法，按下图布置测点。布置 测点时应注意一下几点： 使测试范围覆盖全部结合面或有怀疑的部位； 各对T、R换能器连线的倾斜角及测位距应相等； 测点的间距视结构尺寸和结合面外观质量情况而定，可控制在100 300mm。 （2）按布置好的测点分别测出各点的声时、波幅和频率值。 结合面检测布点示意图 岩体超声检测技术 混凝土结合面质量检测 数据处理及判定： （1）某一测区各测点声时、波幅和频率值分别按不密实区和空洞检 测的数据处理方法进行统计和异常值判断。 （2）当通过结合面的某些测点的数据被判为异常，并检查无其他影 响因素时，可判定混凝土结合面在该部位结合不良。 岩体超声检测技术 表面损伤层检测 适用于因冻害、风化或化学侵蚀等所引起的岩体或混凝土表面 损伤厚度的检测。 检测要求： 根据结构的损伤情况和外观质量选取有代表西性的部位布置测 区； 被测表面应平整并处于自然干燥状态； 测点布置时应避免T、R换能器的连线方向与附近主钢筋的轴线 平行。 岩体超声检测技术 表面损伤层检测 测试方法： （1）选用频率较低的换能器； （2）测试时T换能器应耦合好保持不动，然后将R换能器依次耦合在测点 1 、2、3位置上，如图所示。依次读取相应的声时值t1、t2、t3并测量 每次R、T换能器之间的距离l1、l2、l3。R换能器每次移动距离不宜大 于100mm，每一测区的测点数不得少于5个。 （3）当表面的损伤层厚度不均匀时，应适当增加测区数。 损伤层检测的换能器布置示意图 df 岩体超声检测技术 表面损伤层检测 数据处理： （1）以各测点的声时值ti和相应测距值li绘制“时距”坐标图。由图可知时距曲 线有拐点l0，时距曲线在l0前的一段反射波落在直达波后，斜率为表层损伤层 岩体波速Vf ；时距曲线在l0后的段折射反射波在直达波前，斜率为底层未损 伤岩体的声速V 。 （2）损伤层厚度计算公式： t/us t1 t2 t3 t4 l/mm l4 l3 l0 l2 l1 损伤层检测“时距”图 l0声速突变时的测距，mm。 岩体超声检测技术 混凝土均匀性检测 混凝土均匀性检测用于结构混凝土各部位的相对匀质性的检测。 检测要求： 被检测的结构应具有相对平行的测试面。 测点应在被测部位上均匀布置，测点的间距一般为200500mm； 测点布置时，应避开与声波传播方向平行的主钢筋。 岩体超声检测技术 混凝土均匀性检测 测试与计算： （1）测取相应测点的声速值。 （2）按下式计算出各测点声速的平均值mv、标准差sv及离差系数cv： （3）根据