超声波检测技术在岩体物性测试中的应用

【摘 要】超声波检测技术是根据超声波在岩石介质中传播中产生的折射、透射等现象和特殊波，来判定岩体结构特性。本文通过阐述声波检测技术的工作原理，超声波在岩体的传播规律，论述了超声波检测技术在岩体物性中的应用。

【关键词】超声波检测技术；岩体物性；应用

0.前言

岩体原有的应力平衡在才开过程往往因为破坏而被打破，应力经过重新分布，形成新的平衡。如果对重新分布的应力没有较好的把握，会对工程工作带来危害，如：在高地应力地区修筑地下洞室时，常遇到坚硬岩层中的岩爆现象和软弱岩层中的流变现象。因此研究岩体特性及应力变化规律对确保安全施工具有重要意义。

1.波速法

波速法检测通过研究岩体弹性参量、应力状态等因素和波速的关系，检测岩体额特性和结构。根据波速法求得弹性模量，通过分析弹性模量可了解岩体物性及力学指标。

1.1波速法检测的原理

（1）岩体弹性参量与波速之间的关系。介质的波速能有效的反应物体的形变，岩体内的超声波的纵横波分别代表了岩体的不同形变，横波反映横向剪切形变，纵波反映了岩体的拉伸或压缩，并且横向、纵向变形的比值对其影响较小。纵波与横波速度的比值反映了岩体的完整性，若比值较大，横向则易于膨胀，介质较为脆弱。但由于同一波长的纵波、横波受测试条件，岩体传播条件的影响，应根据具体情况而定。在各向同性岩体中根据纵、横波速，能够求得岩体的弹性参量。

动弹性模量 E=（v：纵波波速，v：横波波速）（公式一）

从上述（公式一）、（公式二）可知，超声波的岩体传播速度与 p的开方成反比，与动弹性模量 Ed的开方成正比。由于气体和液体内部μ =0，通过（公式二）可知，vs =0，因此横波不能在这两种介质中传播。纵波速度随着岩体饱和度的增加，受土股价影响逐渐减弱。Ed 很难反映土体特性。由于土中横波特性不受含水量的影响，因此多用横波波速vs 和μ=pv2s 划分高饱和度土层的地层及土层性质。

泊松比是指物体横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，能准确的反映反映土体变形特性。根据实测波速确定泊松比的方法称为动泊松比。介质的泊松比值的变化范围为0～0.5；流体泊松比值为0.5；大多岩石泊松比在0.25左右；刚性岩石泊松比值为0.05，由于土的饱和度和土层深度成正比，土层的泊松比也随着土层深度增加而增大。

静弹性模量E=0.25E

岩体准抗压强度R=R（） （v ，v ：现场实测岩体、岩体试块的纵、横波速）。

岩石的抗压强度和结构面的性质，决定了岩体的抗压强度，并且通过实践验证，岩石抗压强度和波速间为线性关系。

（2）波速和岩土性质的关系。根据纵、横波的波速比值可大致判断断层、破碎带的分布范围、岩石特性。如vp /vs在1.7左右，vp 较高时，未风化基岩可能性较大；如 vp 较低，砂石或卵石可能性较大；如vp /vs 较高，但 vp 比较小可判断为经常在水位以上的粘性土壤；当纵波值和水的波速（1450m/s），而波速比值较高，大概为软粘土存在。泊松比是反应岩石质量的重要指标，如 σ=0.25左右，岩石质量较好；σ=0.35 左右时，岩石风化现象较为严重。

（3）岩体应力与波速的关系。根据对岩石式样单轴压应力作用下的观测，岩体应力和波速的关系如图1，但两者之间的内在联系和物理机制尚未有研究结果。

图1 声波—应力的关系曲线

（4）岩体密度与波速的关系。p对动弹性模量的影响最大，当岩体裂隙减小，密度增大时，Ed 将迅速上升导致声速增大，进而波速也增大。

1.2波速法主要应用

波速法检测的应用主要在以下方面：

（1）根据图1声速—应力关系曲线，通过岩体钻孔测得不同深度的声速值，与曲线上声速相比较，可以准确的把握岩体应力分布状态。

（2）岩层顶板裂隙检测。通过在一条穿过裂隙的侧线布置发射和接收探头，等距离布置测点，根据记录下超声波传播时间绘制时距曲线，斜线折断点为裂隙深度，如图2。计算深度公式为：

h=

（其中L：发射探头至裂隙的距离，t：斜线折断处的时间间隔， a：斜线倾角）。

通过固定发射探头，移动裂隙另外一侧的接收探头，根据探头间的距离和传播时间的关系，可判断裂隙方向。若传播时间随探头间距离的增加而减少，则裂隙倾斜于探头移动方向；反之则倾斜于发射探头方向。

图 2 岩层顶板裂隙检测方法

（3）松动圈检测。岩体应力在岩体开掘后重新分布，在围岩内应力升高或降低区域，形成松动圈。超声波在检测松动圈中，超声波波速和波幅受到岩体完整度、应力影响，当岩体较完整、裂隙较小、应力上升时，波速、波幅会增大，反之亦然。只要测出的波速和位置的关系曲线，便可确定松动圈的范围及岩体完整度，。为支护方案的抉择提供科学依据。测量方法如图3，右侧为某井巷松动圈实测情况，松动圈范围在0.2～0.6m。

图3 围岩松动圈检测方法及某井巷检测结果

2.超声波谱检测法

2.1超声波谱检测法原理

岩石超声波谱测试技术侧重研究声波在岩石的检测信号的全波列，来了解岩石结构特性。该测试技术的实质是根据声波传播速度和振幅衰减规律得到数据，进而求出所需力学参数，然后结合地质构造和施工方案对岩体分类，为制定设计方案提供依据。

岩体超声波谱测试系统如图4所示，同过向岩石试件发射一窄脉冲，由于其传播时间小于其他发射波，能提高纵向分辨率并将直达波与后续波分开。窄脉冲有大量的频率分成，可以有效提高信噪比。因此用窄脉冲发射能减小透射波失真。

图4 岩体超声波谱测试系统

在进行快速傅里叶（FFT）前，透射波信号首先选取固定的间隔时间将模拟波形转化为数字序列。间隔时间理论选取为：Δt= ，但由于实际情况存在采样误差、高频混淆等，具体的采样时间间隔应根据实际情况而定。如要真实反映f max=1MHz的岩体穿透波谱， Δt不应小于 。为提高频谱分析的准确性，对量化后的数字波形应进行预处理，消除系统零线偏差，过滤不必要的信号干扰，提高信噪比。同时为得到有效信号视频信息，需对信号进行局部化分析和短时窗傅里叶变换，通过对窗中心的水平位移，对信号进行加窗分段分析。

2.2 超声波谱检测法的应用

超声波在不同的岩石介质中会发生折射、投射及其他特殊波，通过对这些现象和特殊波的分析，掌握岩石的结构特征及物理学特征。超声波波谱在研究岩石的完整程度上具有直观性，通过形状可直接判断。若主频较高，带宽较大则岩体一般较坚硬、致密。主频、带宽的大小可有效的判断岩石结构、风化程度等。岩体的力学特性与超声频谱联系密切，频谱的主频、振幅与岩体的压力成反比，随着岩体压力的增大而变小，频谱在岩体压力增大过程中的形变与岩石裂隙产生、形成相呼应。超声波频谱检测法是新型的检测手段，在解决岩体分类及其它问题上提供了新的思路，有着广泛的应用前景。

3.结语

超声波检测技术在岩体物性检测上具有简便、快捷、可靠、经济等优点，能很好的判断岩体断层、裂隙与突变情况。随着超声波检测信号灵敏度的提升，超声波检测技术必有广泛的应用。但我国目前超声波检测技术在岩体的研究中的应用还较少，一些技术问题仍在探索中，加强研究声波传播在岩体特性的应用方法，将是我国地质工作者应努力的方向。 [科]

【参考文献】

[1]张晓春，金永君.物理与工程[M].北京：中国矿业大学出版社，2001.

[2]吴世明，唐有职，陈龙珠编著.岩土工程波动勘测技术[M].北京：水力电力出版社，1990.

[3]应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

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