析说单孔“一发双收”声波测井

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1、声测探讨与回顾析说单孔“一发双收”声波测井一、引言2004年11月，中华人民共和国交通部发布了行业标准“公路工程基桩动测技术规程”JTG/TF81－01—2004，在这个规程中的6.2.5—6有一段文字：‘单孔检测采用一发双收一体型换能器，……。’什么是“一发双收一体型换能器”，它有什么用途？这就是本文所要论及的。二、一发双收换能器的结构图1是软连接一发双收换能器外形，图2是硬连接一发双收换能器的外形。它们都是由一个发射换能器和两个接收换能器组成，如图3。发射换能器T至接收换能器R1间的距离为L，称其为“源距”；接收换能器R1与接收换能器R2间的距离为△L称其为“间距

2、”。对于上述换能器的要求是：径向无指向性、轴向亦应无指向性；发射功率要大，要有足够的接收灵敏度。三、一发双收换能器的工作原理工作原理由图4加以说明。当一发双收换能器置于岩体或混凝土钻孔的中心，发射换能器T辐射的声波，满足入射角等于第一临界角的声线，在0岩体或混凝土孔壁的声波折射角将等于90，即声波沿着钻孔壁滑行，然后又分别折射回孔中，由接收换能器R1和R2分别接收（所以可称其为折射波法）。于是可有：△t＝t2－t1……………………（1）△VP＝△L/△t……………………（2）上两式中t2为T传播到R2的声波传播时间；t1为T传播到R1的声波传播时1间；VP为孔壁介质的

3、声速。由声学理论可知，这个声速只反映沿孔壁一个波长范围内的声速。显然，换能器的频率选得低一些，也就是波长长一些，单孔一发双收声波测井所测得的范围要大一些。如：一发双收换能器的频率为30kHz、混凝土的声速为4500m/s时，波长λ＝0.15m，这时可以测出范围是：钻孔中心0.4m范围内钻孔孔壁介质的声速（假定钻孔直径为0.1m）。四、关于源距L和间距△L由图4可见，t1和t2都包含了声波在钻孔井液内及混凝土（或岩体）中的传播时间，好在通过（t2－t1）后井液中的声时便完全抵消了，便只保留了声波由R1传播到R2的声时。可是不要忘记，声波还会由发射换能器T直接在井液中传播

4、到接收换能器R1。好在混凝土或岩体的声速远高于井液的声速，所以只要源距L足够大，使声波在混凝土或岩体中传播距离也足够大，也就是使t1小于由井液中传播的时间tw。这样，单孔一发双收测试才能成为可能。于是，便有一个最小源距的问题，也就是要求：Lmint=>t………………………………（3）w1Cw（3）式中tw为发射换能器T发射的声波由井液传播到R1的声时；Cw为井液的声速；Lmin为满足（3）是的源距，即最小源距。通过计算（略）最小源距的计算公式如下：1+βL=2Smin1−β…………………………（4）D－dCw其中S＝β＝2CR（4）式中Lmin为最小源距；CW：井液声

5、速、CR：岩体或混凝土最低声速（可取CR＝1800m/s）；D为钻孔直径；d为“一发双收”换能器直径。由此可见并不是任何一个“一发双收”换能器都可以在任何孔径的钻孔中施测。一个制造好的“一发双收”换能器其外径d、源距L均已固定，故其适用的钻孔最大直径也就固定了。至于间距△L，是由检测的垂直分辨率来决定的（例如湘潭市无线电厂生产的“一发双收”换能器间距为20cm，源距为30cm）。五.“一发双收”的用途由“公路工程基桩动测技术规程”JTG/TF81－01—2004的条文说明6.1.1最后一段论述：“单孔折射波法（即单孔“一发双收”测试－笔者注）是根据公路桥梁对桩基的质量

6、要求，检测钻芯孔孔壁周围的混凝土质量。”可见这种声波检测方法，是用来检查基桩抽芯后是否发生误判的一个补充检验。但是，单孔一发双收声波测试的用途还很多，分述于下：1.岩体因施工引起的岩体松动范围检测；2.岩体灌浆补强效果检测破碎的岩体，可以用打钻孔注浆（水泥砂浆、化学浆）的办法将其胶结来提高强度，但效果如何？可用单孔一发双收测试法加以检验。图5是某工程，岩体破碎，灌浆前后在两个检测钻孔内检测的对比结果，由灌浆前及灌浆后7d，28d的单孔“一发双收”检测结果，可见声速是升高了，可以判断灌浆效果是理想的。23.岩体断层破碎带的检测结果见图6，岩体破碎带的声时会降低，且波动厉

7、害，由此可判断出断层破碎的埋深及规模。4.岩体风化壳的检测与评价表1的数据，是长江三峡三斗坪坝线，用单孔“一发双收”声波测试了几十个钻孔后，统计出的岩体风化程度与声速关系的统计值。由此可划分岩体的风化程度，且做出评价。表1岩体风化程度与纵波声速的关系(波速单位km/s)纵波波速岩性黑云母石英花岗岩风化程度闪长岩强风化＜3.5弱风化3.5~－5.44.0－~5.4微风化5.4－~6.05.4－~5.9较新鲜＞6.0＞5.95.单孔“一发双收”声波测试方法，最早用于石油和煤田勘探（用途略）。引用到岩土工程和工程地质勘探是在二十世纪七十年代中后期，笔者在这