超声波技术测量课件

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,