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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,西安科技大学建工学院,超动态测试,超声波测量技术,超声波测量技术,1,一.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;,一.测量的意义,2,5.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。,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。,5.煤柱、岩柱稳定性评价;,3,二、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,二、无限弹性介质中的波,4,(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),(2.1)式两端分别取散度,利用算符及之间的对应关系可得(2,5,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),式中声波在岩体介质中的传播速度。(2.6)(2.7)(,6,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)。,(2.10),(2.11),令 ,将上式整理得(2.10,7,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),已知体积压缩模量 ,故(2.12),8,上式表明,固体介质的,v,p,和,v,s,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,v,p,、,值,v,s,,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),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,9,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。,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,10,二.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,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,。,二.声波量测应用的参量,11,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、所受应力状态等。,左图为不同岩体的声学特性(a)完整岩体;(b)非完整岩体软弱,12,三、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。,三、超声波量测仪器,13,2.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。,2.声波参数的测量,14,1)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,1)纵、横波的识别,15,实测波形的初至时间,.,A发射波起始点:t,p,P波初至时刻;P纵波起跳点:,t,s,S波初至时刻:S横波起跳点;l发射点与测点间的距离,超声波技术测量课件,16,1)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。,1)初至点的识别,17,2)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。,2)横波初至时刻的识别:,18,3)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),3)波速的计算 (2.19)(2.18),19,2.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.现场岩体声波探测方法,20,(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。,(2)CT(Computer Tomography)观测方法,21,一个孔发射完后,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,效果好,但是工作量大,成本很高。,一个孔发射完后,发射与接收互换,重复进行。,22,2)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),2)单孔声波测量 (2.20),23,3)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。,3)环形声波测量,24,4)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。,4)岩柱对穿测量,25,5)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。,5)岩面平面测量,26,3.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:,(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。,3.室内岩石试件测试,27,2)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。,2)非承压测试,28,四、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),四、声波探测的应用 (2.22)(2.21),29,2)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。,2)岩体静弹性模量的测算,30,3)岩体准抗压强度的测算,现场岩体抗压强度的测试也比较费事。一种比较易于实现的办法,即根据室内测得的岩石试件的抗压强度,通过声波速度的转换,可以算出岩体的准抗压强度,它与现场岩体的抗压强度较为接近。转换关系,(2.23),式中岩体准抗压强度;,比例系数;,岩体纵波速度;,岩石纵波速度;,岩石抗压强度。,3)岩体准抗压强度的测算 (2.23)式中岩体准抗,31,4)围岩松动圈的探测,测量时,在巷道断面选几个主要部位,垂直岩壁向围岩内打孔,测量孔内不同深度的声波速度,作出 曲线,根据统计资料得出的正常岩体波速,划分出三个圈带,4)围岩松动圈的探测,32,
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