第9章 岩体声波检测技术

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1、第9章　　岩体声波检测技术9.1概述在岩体中传播的声波是机械波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。岩体声波检测(RockMassSoundWaveDetecting)所使用的波动频率从几百赫到50千赫(现场岩体原位测试)及100到1000千赫(岩石样品测试)，复盖了声频到超声频频段，但在检测声学领域简称其为“声波检测”。应提及的是：这里所阐述的声波检测还包含一些被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术概述。9.1.1岩体声波检测技术的进展概述我国岩体声波检测技术应用研究，是在上世纪六十年代中期开

2、始的。它的起步借鉴了金属超声检测和水声探测技术，从仪器研发、换能器的仿制到研制，现场原位检测及室内试件测试方法研究，经历了四十个春秋，是在一代科技工作者多学科群体的努力下完成的；到今天，检测仪器由第一代电子管式、第二代晶体管式、第三代小规模集成电路式，发展到今天的第四代，即由声波发射电路、大规模集成电路的数据采集系统、计算机嵌入式主板、操作系统软件、信号分析处理软件等组成，成为具有一定智能分析功能的声波检测分析仪，换能器多达十余个品种；由纵波测试应用发展到横波测试；由声学参量声时的应用，发展到波幅、频率的应用。目前，声波检测技术纳入了

3、不同行业的多个规程、规范，说明该项技术的发展成熟程度。9.1.2岩体声波检测使用的频率岩体声波检测随检测目的、检测距离的不同，应用不同频率的震源，可用表9-1加以概括：表9-1　　　　　　　　　　不同频率震源的检测目的、检测距离检测目的所用震源震源频率（kHZ）探测距离（m）备注大距离检测岩体完整性锤击震源0.5－5.01－50跨孔检测岩体溶洞、软弱结构面电火花震源0.5－8.01－50岩体松动范围、风化壳划分评价超声换能器20－500.5－10岩体灌浆补强效果检测超声换能器20－50　　1－10岩体动弹性力学参数、横波测试换能器/锤

4、击20－50/0.5-50.5－10/1-50岩石试件枞波与横波声速测试矿物岩石物性测试研究超声换能器100－10000.01－0.15决定于由岩石试件尺寸地质工程施工质量检测换能器/锤击20-50/0.5-50.5－10/1-509.2声波在岩体中的传播规律9.2.1岩体的声速岩体声波检测技术得到广泛应用，有着完善的物理基础。首先，我们讨论岩体的声速与岩体物性间的关系。鉴于岩体的结构特征，和检测的对象既有大块的岩体，也有小尺寸的岩石试件，由固体中波动方程的解可知，岩体或岩石的几何尺寸与声波波长相对关系的不同，边界条件是不一样的，声速

5、的表达式也不一样，有必要对它们分别讨论。9.2.1.1　无限(无界)固体介质中的声速无限体(介质)指的是介质的尺寸远比波长λ大，理论及实验证明当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D，存在D＞(2~5)λ，此时的介质可认为是无限体。无限体纵波的声波传播速度　　　　　　　　（9-1）22无限体横波的声波传播速度　　　　　　　　　　　　　　　　　（9-2）式（9-1）（9-2）中　Ｅ――弹性模量（Ｐａ）Ｇ――剪切模量（Ｐａ）――泊桑比（无量纲）――质量密度（ｋｇ/ｍ3）。9.2.1.2　有限固体介质中的声速1.一维杆的声速　（1）　一维杆的边界

6、条件当固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：上式中　λ――波长D――一维杆直径L――一维杆的长度（2）　一维杆轴线方向的纵波声速为（9-3）显然，VB与无限体的纵波声速相差，见式（9-1），当=0.2～0.25，（3）　论述一维干的声速的目的是：在测取岩石试件的声速时，岩石试件可能是圆柱体，也可能是长方体，故不可以把岩石试件的尺寸加工成一维干，因为这时测出的声速是（9-3）式的一维干的声速，不是无限体的声速，其值不能代表现场测到的岩石无限体的声速，也不能作为计算岩体完整性指数的ＶＰＲ值。（4）　　但如果把岩石试件有意加工成一

7、维干，测其轴向声速，再按（9-3）式到是可以测算出岩石的弹性模量2.　二维板的声速当岩体的尺寸满足二维板的边界时，即在X及Y方向的尺寸远大于Z方向尺寸，且Z方向的尺寸Lz＜时，二维板在X及Y方向的声速如下：22　　　　　　　　　（9-4）板状建筑石材的声波检测，对垂直于厚度方向的纵波声速，应按式（9-4）来考虑，同样可以用声速来确定其完整性及动弹性力学性能。9.2.2　岩体中声波的反射、折射及波型转换声波在岩体中的反射、折射、及波型转换也是岩体声学检测的重要理论依据。9.2.2.1　垂直入射的反射及透射当固体介质不连续时，如存在波阻抗

8、界面(波阻抗的定义是介质密度ρ与声速C※的乘积，即Z=ρｃ)，如图9-1，当声波传播的声线与ｎ＝ｘ的界面相垂直，称为垂直入射。在该界面处，将产生垂直反射，反射系数如下：(9-5a)(9-5b)式（9-5a）的Rp称声压反