【岩体勘探中的声波探测综述3700字】

岩体勘探中的声波探测综述1.探测方法（1）原理如前所述，声波探测和地震勘探的原理非常相似，也是基于研究弹性波在岩土介质中的传播特性。声波在不同类型的介质中具有不同的传播特性。当岩土介质的成分、结构和密度发生变化时，声波的传播速度、能量衰减和频谱组成也会发生相应的变化，在不同弹性性质的介质界面上也会发生波的反射和折射。因此，通过使用声学仪器检测声波在岩土介质中的传播速度、振幅和频谱特征，可以推断和评估被测岩土介质的结构和密实度。例如，在对岩体(或煤仓)进行声波探测时，只要发射点和接收点位于岩体的不同区段，根据发射点和接收点之间的距离L(图3-68)以及声波在岩体中的传播时间T，就可以计算出被测岩体的波速。：其中:v为被测岩体的波速(massl为发射点与接收点之间的距离(m)；t是声波在岩体中的传播时间(s)。此外，根据声波振幅的变化和声波信号的频谱分析，还可以了解岩体对声波能量的吸收特性，从而对岩体进行评价。图3-68声波探测示意图（2）声波仪器声学仪器主要由发射系统和接收系统两部分组成。发射系统包括发射机和发射换能器，接收系统由接收机、接收换能器和用于数据记录和处理的微型计算机组成(图3-68)。发射机是声源信号发生器。它的主要组成部分是一个振荡器，它产生一定频率的电脉冲，这些电脉冲被发射换能器放大并转换成声波，然后辐射到岩体中。电声换能器是实现声能和电能相互转换的装置(图3-69)。它的主要成分是压电晶体。压电晶体具有独特的压电效应。当向发射换能器的压电晶片施加一定频率的电脉冲时，晶片将在其法线或径向方向上产生机械振动，从而产生声波并将声波传播到介质中。晶圆的机械振动和电脉冲是可逆的。接收换能器接收来自岩体的声波，使压电晶体振动，从而在其表面产生一定频率的电脉冲，并将其发送给接收器。图3-69喇叭式换能器结构示意图根据测试对象和工作方式的不同，电声换能器有多种型号和风格，如喇叭型、升压型、弯曲型、测井换能器和检测换能器等。接收器可以放大接收换能器接收的电脉冲，并在屏幕上显示声波波形。通过调节游标电位器，到达时间可以显示在数字显示器上。如果接收机与微机相连，可以对声信号进行数字化处理，如频谱分析、滤波、初至切割、功率谱计算等。，原始记录和结果可以通过打印机输出。（3）工作方法在岩体声学检测的现场工作中，应合理布置测量网络，确定设备之间的距离，并根据测试的目的和要求选择测试参数和工作方法。测量网的布设应选择有代表性的断面，力求以最少的工作量解决更多的地质问题。测点或观测井一般应布置在岩性均匀、表面光滑、无局部节理裂隙的地方，以避免不均匀介质对声波的干扰。设备的距离取决于介质、仪器的性能和接收波形的特征。纵波容易读取，所以目前主要用于测量波速。在测试中，最常用的方法是直接波法(直接透射法)和单孔初至折射波法(一次、两次接收或两次、四次接收)，如图3-70所示。目前，反射波法仅用于超声波电视测井和水声勘探。图3-70常用的几种现场工作方式示意图2.声波探测的应用（1）岩体动弹性参数的测定通过声波探测和地震勘探测试岩体(岩石)的弹性力学参数是在快速瞬时加载的条件下进行的，称为动态法。测得的参数称为动态弹性参数，如动态弹性模量Em、动态泊松比σm、动态剪切模量Gm等。只要测出岩体的P波速度Vp、S波速度Vs和密度ρ，就可以按下式计算岩体(石料)的动态弹性参数为：其中Em和Gm分别为岩体的动弹性模量和动剪切模量(Pa)；VP和VS为岩体的纵波速度和横波速度(massρ为岩体密度(kg/m3)；是岩体的动态泊松比。动态法具有设备轻、测试简单、快速经济、测量量大等优点。此外，许多大型工程建筑物必须考虑岩土的动力特性，因此测量岩体的动力弹性参数具有重要的现实意义。需要指出的是，动力法是在瞬时荷载下进行试验的，施加在岩体上的应力较小，因此动、静弹性参数有一定的差异。为了满足将动态弹性参数转化为加载和切削条件相似的静态弹性参数的要求，有必要研究它们之间的关系。但这个问题比较复杂，一般其对应关系因岩性不同、地域不同而不同。在实际工作中，往往需要进行一定数量的动静弹性参数对比试验，以找出相应的规律。（2）岩体的工程地质分类为了评价岩体质量，了解洞室和巷道围岩的稳定性，合理选择地下洞室或巷道的开挖方案，设计合理的支护方案，都必须正确地对岩体进行工程地质分类。大量岩石力学试验表明，岩体的纵波速度与其抗压强度(RC)几乎成正比(图3-71)。因此，强度高(或弹性模量大)的岩体具有较高的声速。另一方面，岩体的成因、类型、结构面特征、风化程度等地质因素直接影响岩体的力学性质，与声波在岩体中的传播规律密切相关，是岩体声波探测作为岩体分类主要手段的物理前提。目前用于岩体工程地质分类的声学参数主要是P波速度VP，此外还有弹性模量E、完整性系数Kw、破裂系数Ls、风化系数β、衰减系数A等。1）纵波速度一般来说，岩体新鲜、完整、坚硬、致密，波速高。反之，岩体破碎，结构面多，风化严重，波速低。2）完整性系数和裂隙系数完整性系数Kw是描述岩体完整性的系数，可表示为：其中KW为岩体完整性系数；VP体和VP岩分别为岩体和室内岩石的纵波速度(m/s)。裂隙系数LS是表征岩体裂隙发育程度的系数。它可以表示为：其中:LS为断裂系数；VP岩和VP体分别是无裂隙完整岩石和裂隙岩体的纵波速度(米/秒)。图3-71岩样纵波速度VP与岩石抗压强度RC的关系3）风化系数风化系数β是表示岩体风化程度的系数。根据岩体波速随岩体风化而降低的特点，可表示为：式中:β为风化系数;VP新、VP风分别为新鲜岩体和风化岩体的纵波速度（m/s)。4）衰减系数当声波在岩体中传播时，振幅和波速都会发生变化。实验表明，声波在不连续面上的能量衰减明显，衰减系数a可以反映岩体中节理裂隙的发育程度。它可以表示为：其中:a为参与比较的各试验段介质振幅的相对衰减系数(cm-1)；Ai和Amax分别为固定增益时参与比较的各测试段的实测幅值和最大幅值(mm)；δx是从发射换能器到接收换能器的距离(cm)。由上式可以看出，当Ai=Amax时，相对衰减系数A为零，说明该段岩体在参与对比的试验段中质量最好；Ai越小，A越大，说明该段岩体质量较差。因此，衰减系数不仅可以作为岩体分级的指标，还可以用来确定工程爆破引起围岩破裂的影响范围。（3）围岩应力松弛带的测定洞室开挖前，岩体应力处于平衡状态。开挖后破坏了原有的应力平衡，引起应力重新分布，导致应力释放和集中。这种变化随岩体的性质、硐室的形状、硐室在岩体中的位置以及硐室的直径而变化。如果在各向同性岩体中开挖圆形隧道，在侧压力系数等于1的条件下，弹性理论计算表明，隧道壁处的径向应力δr等于零，而切向应力δt增加到岩体原始应力的两倍。δr和δt的分布如图3-72(a)所示，可见影响范围为平硐半径r的3倍。。图3-72圆形隧洞应力分布曲线图由于岩体不是理想弹性体，其强度是有限的，当隧道壁切向应力δt的增加大于岩体强度时，岩体将进入塑性变形状态或破裂。因此，应力减小，在隧道附近一定范围内出现低于原应力的应力减小区，岩体内部形成大于原应力的应力增大区，然后过渡到一定深度时逐渐恢复到原应力状态。因此，在平硐周围岩石的应力分布曲线上出现一个峰值，如图3-72(b)所示。此外，由于施工等因素的影响，岩体的完整性也会降低(如爆破引起的爆破影响带)，出现附加应力松弛。由上述两个因素引起的岩体完整性破坏和强度下降的总范围称为应力松弛带或松动圈[图3-72(b)]。确定松弛带厚度是岩体稳定性评价和衬砌设计的关键。在平硐壁的应力降区，岩体中的裂隙被破坏，使得波速降低，振幅迅速衰减。相反，在应力增大区，应力集中，波速增大，振幅衰减缓慢。因此，可以利用声速随井深变化的曲线来确定弛豫区的范围。单孔现场工作如图3-73所示。垂直于平硐壁布置几组测量孔，每组一个测量孔，孔深为平硐直径的12倍。为了降低数据解释的难度，一个断面上的测量孔应尽可能位于相同的地质条件下。为了保证传感器与岩体的良好耦合，侧壁测量孔可以向下倾斜5°±10°。在拱顶处，由于向上钻孔，应采用止水设备。测试时可采用单孔法(一炮两收的初至折射波法)或双孔法(直接穿透法，逐点同步测试)。首先在测量孔中填充水作为偶联剂，然后从孔底到孔口每隔一段距离(一段距离为20厘米)测量一次声速值。测试结果可以通过绘制波速随孔深变化的VP-L曲线来解释。图3-73单孔现场测试示意图几种常见的VP-L曲线类型如图3-74所示。VP>v0曲线(曲线1和曲线2)表明不存在弛豫带;在坑壁附近VP<v0(曲线3、4)和VP<v0(曲线5)的多峰曲线表明存在应力松弛区。解释时，松弛区厚度由VP-L图中A点的L1坐标值决定。图3-74常见几种VP—L曲线图（4）滑坡、塌陷等灾害监测滑坡、崩塌等灾害的监测采用被动声探测技术，即利用岩体变形或断裂时产生的声发射。岩体受力变形或破裂时，应变能以弹性波的形式释放出来的现象称为声发射。如果释放的应变能足够大，就会产生听得见的声音。在滑坡、崩塌等灾害前夕，由于微裂缝的产生而释放应变能，微裂缝随着裂缝的