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

2、六十年代中期开始的。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

3、用。目前，声波检测技术纳入了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－

4、10岩体动弹性力学参数、横波测试换能器/锤击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

5、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.

6、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

7、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

8、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