《超声波技术测量》PPT课件.ppt

1、超声波测量技术,一.测量的意义 利用声波在岩体内传播的特性，（波速、振幅、频率、相位）研究岩体物理力学性质、构造特征及应力状态 超声波 频率高于20000Hz 目前岩体声波量测技术主要可以解决下列问题 1.岩体的工程地质分类； 2.确定围岩松动圈的范围，为合理设计锚杆长度、喷 浆或衬砌厚度提供依据； 3.测定岩体物理力学参数，包括动弹性模量、泊松 比、单轴抗压强度及密度等； 4.工程注浆效果检测；,5.煤柱、岩柱稳定性评价； 6.混凝土探伤及强度检测： 7.冻结法凿井时，冻结壁厚度的检测； 8.断层、裂隙及溶洞等地质异常的研究； 9.地应力测试，冲击地压、煤与瓦斯的突发事件及地 震灾害的预报等

2、。 声波量测法的实质 在被测岩体中，利用声波的传播速度或振幅的衰减规律取得的数据，再通过计算求出所需的力学参数。 岩体测量假设 岩体视为弹性体，承载信息的是弹性声波。,二、无限弹性介质中的波 1.纵波与横波 根据固体弹性理论，在不考虑体力的情况下各向同性理想弹性介质中的波动方程为 (2.1) 式中介质质点的位移向量； 介质的弹性常数； 介质的密度； 体应变，可表示为位移向量的散度， 拉普拉斯算子,(2.1)式两端分别取散度，利用算符及之间的对应关系可得,（2.2）,（2.3）,或,上式实际上描述的是一种胀缩状态扰动传播的波动方程式。（无旋波） 假定在岩体中取一点作为波的震源， 随时间 的变化规

3、律为 （2.4） 式中 初始振幅； 角频率。 振动是由震源向四周传播的，那么，距震源为r的点处的体应变为,（2.5）,式中声波在岩体介质中的传播速度。 式(2.5)分别对r和t求二阶导数，得： 将(2.6）和（2.7)式代入(2.3)式得 上式表示体应变 以 大小的速度在介质中传播，这就是弹性纵波(P波)。 对式（2.1）两边分别取旋度，可得,（2.6）,（2.7）,（2.8）,（2.9）,令 ，将上式整理得 表示弹性体在旋转外力作用下介质产生的角度转动，可以看出上式描述的是旋转状态扰动传播的波动方程式。（无散波） 依照上述分析方法，得： 上式表示旋转量w是以 的速度在介质中传播，横波(S波)

4、。,（2.10）,（2.11）,已知体积压缩模量 ，故 此式说明，纵波不仅与K有关，也与G有关，即纵波传播时，介质不只是承受一个简单的压缩，而承受的是压缩和剪切的组合作用。 从弹性理论知道，拉梅常数、与弹性模量和泊松比有如下关系：,（2.12）,（2.13）,（2.14）,于是有,（2.15）,上式表明，固体介质的vp和vs值的大小是由其弹性模量、泊松比及密度决定的。 相反，如果测量得出vp、值vs，并且知道密度时，即可算出固体介质纵、横波速度的大小。 根据公式（5.14）、（5.15），可得： 即岩体的 只与泊松比有关，而与密度和弹性模量无关。多数岩石的泊松比为0.25，故 以上讨论得知，在

5、无限的弹性介质中传播的波，只有纵波和横波两种波。,（2.16）,（2.17）,纵波特性 不论波长的大小和波形如何，在弹性岩体内都以疏密发散的形式传播，其速度为常数，速度的大小只与弹性常数和密度有关。 横波特性 不论波长大小和形状如何，在弹性岩体中均以剪应变的横向位移形式向前和向后传播，其速度为常数，它也是只与弹性常数和密度有关的常数。 这个结论是材料力学性质的超声技术测量主要理论基础。,二.声波量测应用的参量 声波穿过岩体时，有三个方面的参数将因岩体力学性质、结构状态的不同而发生变化，这些指标可作为声波探测岩体的参量。 (1)声速 声波在岩体中传播的速度，包括纵波速度和横波速度。 (2)声幅

6、声波的能量或强度大小，表现在观测仪表上为声波波形的振幅大小。 (3)频谱 任何一个非正弦的振动波，可以分解成不同振幅、不同频率、不同相位的多个正弦波，这些不同频率、不同振幅的正弦波构成频谱，振幅(能量)最大的频率称为主频。,左图为不同岩体的声学特性 坚硬、致密、完整的岩体，声波的传播速度较快，能量(振幅)衰减较小，频谱成分变化也较小，因而总的波形变化不大（a）。,(a)完整岩体；(b)非完整岩体,软弱、破碎岩体，声速较低，声幅衰减较大，频谱中高频成分被严重吸收，波形变化较大，表现为周期拉长(b)。 现场测量中主要应用纵波速度和横波速度。研究与测试表明，这些参量与岩体稳定的岩性、风化程度、结构面

7、、所受应力状态等。,三、超声波量测仪器 1.声波换能器 压电晶体电压作用变形 压电晶体受力作用电压 压电晶体既能发出声波，还可以接收声波，把接收的声波，转换成相应的电压，经过声波仪接收机放大并显示出波形，可以测量声波在介质中的传播时间，用以计算波速。由压电晶体组成的声波测量元件叫电声换能器，包括作为振源的发射换能器和作为探测器的接收换能器。 利用压电晶体的这种特性可以实现电声之间的能量转换。将声波仪发射机产生的脉冲电压加到压电晶体上，晶体便产生变形而振动，成为振源。,2.声波参数的测量 走时与旅程 测量声波的走时，最为关键是波初至点的准确位置的确定。 岩体声波探测对仪器的要求 脉冲宽度； 输出

8、电压； 频率； 阻抗匹配； 换能器的指向性； 耦合方式。 保证获得正确的、清晰的声波波形。,1）纵、横波的识别 对实测记录一般按以下波形特征区别纵波和横波： 纵波比横波波速大 记录波形纵波在前，横波在后； 纵波的振幅小于横波的振幅； 纵波的周期小于横波的周期； 横波初至相位与纵波初至相位差180。 声波仪上接收的波形 图,实测波形的初至时间 . A发射波起始点：tpP波初至时刻； P纵波起跳点： tsS波初至时刻：S横波起跳点;l发射点与测点间的距离,1)初至点的识别 经过对接收波形的图形处理之后，就要对各类波的初至时刻进行识别。 纵波初至时刻的识别： 尽量增大放大器的增益，以便于识别波形的最

9、初起跳点； 在有高频干扰时，可用高频包络线的中线与基线的分离点作为初至时刻； 当初至起跳点不明显或反相时，则需根据波速及波形特点进行估计，同时转换传感器的耦合条件和倾斜方向，力争使各测点初动方向一致。,2)横波初至时刻的识别： 横波比纵波慢，常混淆于续至波区域内，比较难于识别。 尽量减小增益，压缩P波振幅使其尽量与基线重合，突出S波； 再加大增益，根据S波周期和相位与P波不同的特点，仔细判定横波的起跳点； 另外也可以由纵、横波速度之比以及理论时间距离曲线法，查找初至时刻。,3)波速的计算 测得纵、横波的旅行时间和后，根据收、发测点间的距离， 即可计算纵、横波速和：,（2.19）,（2.18）,

10、2.现场岩体声波探测方法 1）双孔孔间穿透测量 （1）同步观测法。 孔间距约5l0m， 增压式换能器或圆管式换能器， 两孔换能器同步移动 用水做耦合剂。,（2）CT(Computer Tomography)观测方法。 发射与接收也是两个平行孔，该观测方法在一个深度发射，另一孔中不同深度多点呈扇形接收，然后。不断移动发射点，接收段按一定规律移动。,一个孔发射完后，发射与接收互换，重复进行。 接收点的多少和观测次数依探测精度要求而定。 依据声波走时对孔间声速进行层析成像反演，得到孔间声速分布图。 根据声速分布图进行岩体岩性变化、裂隙发育状况、岩体破碎状况以及注浆效果等的评价。 CT观测方法精度高，

11、效果好，但是工作量大，成本很高。,2）单孔声波测量 水做耦合剂； 圆管式一发双收换能器； 确定围岩松动圈； 进行岩体分级； 求取岩体力学参数。 单孔声波测试对垂直于孔轴方向的结构弱面比较敏感，采用一发双收换能器的目的是除去声波在耦合水中的走时，此时计算声速的公式为：,（2.20）,3）环形声波测量 沿圆周上8个以上测点 在岩体表面上用夹心式换能器； 或在钻孔内用圆管式换能器； 测取对径各个方向的声波速度。 确定岩体最大主应力方向 因为在一定范围内岩体波 速随应力的增大而升高。,4）岩柱对穿测量 在岩柱相对两壁面上，用锤击方式或夹心式换能器激发声波，用夹心式或弯曲式换能器接收，也可在任意两点间对

12、穿，如图。测量直达波的走时，计算波速，此法可以快速、经济地测试岩体内部的结构情况，用于岩柱稳定性分区，但要准确地测量发射与接收点的间距还是比较困难的。,5）岩面平面测量 在岩面上，用夹心式(喇叭式)换能器或锤击方式激发声波，接收点用夹心式或单片弯曲式换能器进行接收，测取声波从发射换能器T到接收换能器R的旅行时或锤击声波经过第一接收换能器到第二接收换能器的时差，计算直达波的速度 此方法主要用于快速确定岩体浅部结构状况，对垂直岩面的结构弱面比较敏感。,3.室内岩石试件测试 1)承压测量 将承压式换能器连同试件一起放到压力机上，在进行轴向加载的同时，测取纵、横波速度。 承压测试方法的主要用途为： （

13、1）研究声速与应力的关系； （2）测声速同时，进行静弹性模量的测试(贴应变片)，研究声速与静弹性模量之间的关系； （3）测声速同时，将岩块压碎，测抗压强度，研究声速与抗压强度的关系。,2）非承压测试 将岩块加工成圆柱状或方柱状试件，用非承压纵、横波试件换能器，分别测取纵、横波走时，然后据试件长度计算声速，纵波测试多用黄油做耦合剂；横波测试需用粘结剂将换能器固结在试件上，并且在测试完毕后又能设法取下。 非承压试件测试主要用于确定岩石的动弹性参数。,四、声波探测的应用 1.岩体力学参数测定 岩体(石)动弹性参数测定 在现场，通常利用平面测试或孔内测试来测定岩体纵、横波速度，并按照下列两式计算岩体的动弹性模量及动泊松比,（2.22）,（2.21）,2）岩体静弹性模量的测算 间接测试方法： 通过室内岩石动、静弹性模量和现场岩体动弹性模量，换算出现场岩体静弹性模量的方法。 大量实测资料可知，岩体与岩石试件的动弹性模量之比 ，同岩体与岩石试件的静弹性模量 之比存在一定的统计关系。只要测得室内岩石试件的动、静弹性模量，再测得所取岩石样本之处现场岩体的动弹性模量，根据 与 关系的统计曲线可以求出岩体的静弹性模量。,3）岩体准抗压强度的测算 现场岩体抗