超聲波檢測技術在巖體物性測試中的應用

李偉科

【摘 要】超聲波檢測技術是根據超聲波在巖石介質中傳播中產生的折射、透射等現象和特殊波，來判定巖體結構特性。本文通過闡述聲波檢測技術的工作原理，超聲波在巖體的傳播規(guī)律，論述了超聲波檢測技術在巖體物性中的應用。

【關鍵詞】超聲波檢測技術；巖體物性；應用

0.前言

巖體原有的應力平衡在才開過程往往因為破壞而被打破，應力經過重新分布，形成新的平衡。如果對重新分布的應力沒有較好的把握，會對工程工作帶來危害，如：在高地應力地區(qū)修筑地下洞室時，常遇到堅硬巖層中的巖爆現象和軟弱巖層中的流變現象。因此研究巖體特性及應力變化規(guī)律對確保安全施工具有重要意義。

1.波速法

波速法檢測通過研究巖體彈性參量、應力狀態(tài)等因素和波速的關系，檢測巖體額特性和結構。根據波速法求得彈性模量，通過分析彈性模量可了解巖體物性及力學指標。

1.1波速法檢測的原理

（1）巖體彈性參量與波速之間的關系。介質的波速能有效的反應物體的形變，巖體內的超聲波的縱橫波分別代表了巖體的不同形變，橫波反映橫向剪切形變，縱波反映了巖體的拉伸或壓縮，并且橫向、縱向變形的比值對其影響較小?？v波與橫波速度的比值反映了巖體的完整性，若比值較大，橫向則易于膨脹，介質較為脆弱。但由于同一波長的縱波、橫波受測試條件，巖體傳播條件的影響，應根據具體情況而定。在各向同性巖體中根據縱、橫波速，能夠求得巖體的彈性參量。

動彈性模量 E=（v：縱波波速，v：橫波波速）（公式一）

從上述（公式一）、（公式二）可知，超聲波的巖體傳播速度與 p的開方成反比，與動彈性模量 Ed的開方成正比。由于氣體和液體內部μ =0，通過（公式二）可知，vs =0，因此橫波不能在這兩種介質中傳播。縱波速度隨著巖體飽和度的增加，受土股價影響逐漸減弱。Ed 很難反映土體特性。由于土中橫波特性不受含水量的影響，因此多用橫波波速vs 和μ=pv2s 劃分高飽和度土層的地層及土層性質。

泊松比是指物體橫向應變與縱向應變的比值，也叫橫向變形系數，能準確的反映反映土體變形特性。根據實測波速確定泊松比的方法稱為動泊松比。介質的泊松比值的變化范圍為0～0.5；流體泊松比值為0.5；大多巖石泊松比在0.25左右；剛性巖石泊松比值為0.05，由于土的飽和度和土層深度成正比，土層的泊松比也隨著土層深度增加而增大。

靜彈性模量E=0.25E

巖體準抗壓強度R=R（） （v ，v ：現場實測巖體、巖體試塊的縱、橫波速）。

巖石的抗壓強度和結構面的性質，決定了巖體的抗壓強度，并且通過實踐驗證，巖石抗壓強度和波速間為線性關系。

（2）波速和巖土性質的關系。根據縱、橫波的波速比值可大致判斷斷層、破碎帶的分布范圍、巖石特性。如vp /vs在1.7左右，vp 較高時，未風化基巖可能性較大；如 vp 較低，砂石或卵石可能性較大；如vp /vs 較高，但 vp 比較小可判斷為經常在水位以上的粘性土壤；當縱波值和水的波速（1450m/s），而波速比值較高，大概為軟粘土存在。泊松比是反應巖石質量的重要指標，如 σ=0.25左右，巖石質量較好；σ=0.35 左右時，巖石風化現象較為嚴重。

（3）巖體應力與波速的關系。根據對巖石式樣單軸壓應力作用下的觀測，巖體應力和波速的關系如圖1，但兩者之間的內在聯系和物理機制尚未有研究結果。

圖1 聲波—應力的關系曲線

（4）巖體密度與波速的關系。p對動彈性模量的影響最大，當巖體裂隙減小，密度增大時，Ed 將迅速上升導致聲速增大，進而波速也增大。

1.2波速法主要應用

波速法檢測的應用主要在以下方面：

（1）根據圖1聲速—應力關系曲線，通過巖體鉆孔測得不同深度的聲速值，與曲線上聲速相比較，可以準確的把握巖體應力分布狀態(tài)。

（2）巖層頂板裂隙檢測。通過在一條穿過裂隙的側線布置發(fā)射和接收探頭，等距離布置測點，根據記錄下超聲波傳播時間繪制時距曲線，斜線折斷點為裂隙深度，如圖2。計算深度公式為：

h=

（其中L：發(fā)射探頭至裂隙的距離，t：斜線折斷處的時間間隔， a：斜線傾角）。

通過固定發(fā)射探頭，移動裂隙另外一側的接收探頭，根據探頭間的距離和傳播時間的關系，可判斷裂隙方向。若傳播時間隨探頭間距離的增加而減少，則裂隙傾斜于探頭移動方向；反之則傾斜于發(fā)射探頭方向。

圖 2 巖層頂板裂隙檢測方法

（3）松動圈檢測。巖體應力在巖體開掘后重新分布，在圍巖內應力升高或降低區(qū)域，形成松動圈。超聲波在檢測松動圈中，超聲波波速和波幅受到巖體完整度、應力影響，當巖體較完整、裂隙較小、應力上升時，波速、波幅會增大，反之亦然。只要測出的波速和位置的關系曲線，便可確定松動圈的范圍及巖體完整度，。為支護方案的抉擇提供科學依據。測量方法如圖3，右側為某井巷松動圈實測情況，松動圈范圍在0.2～0.6m。

圖3 圍巖松動圈檢測方法及某井巷檢測結果

2.超聲波譜檢測法

2.1超聲波譜檢測法原理

巖石超聲波譜測試技術側重研究聲波在巖石的檢測信號的全波列，來了解巖石結構特性。該測試技術的實質是根據聲波傳播速度和振幅衰減規(guī)律得到數據，進而求出所需力學參數，然后結合地質構造和施工方案對巖體分類，為制定設計方案提供依據。

巖體超聲波譜測試系統(tǒng)如圖4所示，同過向巖石試件發(fā)射一窄脈沖，由于其傳播時間小于其他發(fā)射波，能提高縱向分辨率并將直達波與后續(xù)波分開。窄脈沖有大量的頻率分成，可以有效提高信噪比。因此用窄脈沖發(fā)射能減小透射波失真。

圖4 巖體超聲波譜測試系統(tǒng)

在進行快速傅里葉（FFT）前，透射波信號首先選取固定的間隔時間將模擬波形轉化為數字序列。間隔時間理論選取為：Δt= ，但由于實際情況存在采樣誤差、高頻混淆等，具體的采樣時間間隔應根據實際情況而定。如要真實反映f max=1MHz的巖體穿透波譜， Δt不應小于 。為提高頻譜分析的準確性，對量化后的數字波形應進行預處理，消除系統(tǒng)零線偏差，過濾不必要的信號干擾，提高信噪比。同時為得到有效信號視頻信息，需對信號進行局部化分析和短時窗傅里葉變換，通過對窗中心的水平位移，對信號進行加窗分段分析。

2.2 超聲波譜檢測法的應用

超聲波在不同的巖石介質中會發(fā)生折射、投射及其他特殊波，通過對這些現象和特殊波的分析，掌握巖石的結構特征及物理學特征。超聲波波譜在研究巖石的完整程度上具有直觀性，通過形狀可直接判斷。若主頻較高，帶寬較大則巖體一般較堅硬、致密。主頻、帶寬的大小可有效的判斷巖石結構、風化程度等。巖體的力學特性與超聲頻譜聯系密切，頻譜的主頻、振幅與巖體的壓力成反比，隨著巖體壓力的增大而變小，頻譜在巖體壓力增大過程中的形變與巖石裂隙產生、形成相呼應。超聲波頻譜檢測法是新型的檢測手段，在解決巖體分類及其它問題上提供了新的思路，有著廣泛的應用前景。

3.結語

超聲波檢測技術在巖體物性檢測上具有簡便、快捷、可靠、經濟等優(yōu)點，能很好的判斷巖體斷層、裂隙與突變情況。隨著超聲波檢測信號靈敏度的提升，超聲波檢測技術必有廣泛的應用。但我國目前超聲波檢測技術在巖體的研究中的應用還較少，一些技術問題仍在探索中，加強研究聲波傳播在巖體特性的應用方法，將是我國地質工作者應努力的方向。 [科]

【參考文獻】

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