第四章聲波探測

1、1 用聲波儀測試聲源激發(fā)的彈性波在巖體(巖石)中的傳播情況，借以研究巖體(巖石)的物理性質(zhì)和構(gòu)造特征的方法，稱為聲波探測。與地震勘探的異同：(1) 相同點(diǎn) 它和地震勘探一樣，也是利用巖石彈性的物探方法，而且都以彈性波理論作為本方法的理論基礎(chǔ)。(2) 區(qū)別 a.二者之間的主要區(qū)別在于聲波探測所利用的是頻率大大高于地震波的聲波或超聲波，其頻率一般為一千赫茲至幾兆赫茲。 b.與地震勘探相比，由于聲波的頻率高、波長短、受巖石的吸收和散射比較嚴(yán)重，因此聲波探測對巖體的了解較為細(xì)致而探測范圍較小，但具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)、便于重復(fù)測試、對測試的巖體(巖石)無破壞作用等優(yōu)點(diǎn)。第四章 聲波探測2聲波探測的分類：

2、 聲波探測可分為主動(dòng)測試和被動(dòng)測試兩種工作方法。主動(dòng)測試所利用的聲波由聲波儀的發(fā)射系統(tǒng)或槌擊方式產(chǎn)生；被動(dòng)測試的聲波則是巖體遭受自然界的或其它的作用力時(shí)，在變形或破壞過程中由它本身發(fā)出的(如滑坡)。 主動(dòng)測試包括波速測定，振幅衰減測定和頻率測定，其中最常用的是波速測定。聲波探測的應(yīng)用:目前在工程地質(zhì)勘探中，已較為廣泛地采用聲波探測解決下列地質(zhì)問題：1根據(jù)波速等聲學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行工程巖體的地質(zhì)分類；2根據(jù)波速隨巖體裂隙發(fā)育而降低及隨應(yīng)力狀態(tài)的變化而改變等規(guī)律，圈定開挖造成的圍巖松馳帶，為確定合理的襯砌厚度和錨桿長度提供依據(jù)；3測定巖體或巖石試件的力學(xué)參數(shù)如楊氏模量、剪切模量和泊松比等；4利用

3、聲速及聲幅在巖體內(nèi)的變化規(guī)律進(jìn)行工程巖體邊坡或地下硐室圍巖穩(wěn)定性的評價(jià)；5探測斷層、溶洞的位置及規(guī)模，張開裂隙的延伸方向及長度等；6利用聲速、聲幅及超聲電視測井的資料劃分鉆井剖面巖性，進(jìn)行地層對比，查明裂隙、溶洞及套管的裂隙等；7劃分淺層地質(zhì)剖面及確定地下水面深度；8天然地震及大面積地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)。3一、聲波探測原理 聲波儀是聲波探測使用的儀器。聲波儀有多種型號，主動(dòng)測試的儀器一般都由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分組成。發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)和發(fā)射換能器，接收系統(tǒng)包括接收機(jī)和接收換能器。 發(fā)射機(jī)是一種聲源訊號的發(fā)射器，由它向壓電材料制成的換能器(圖中的1)輸送電脈沖，激勵(lì)換能器的晶片，使之振動(dòng)而產(chǎn)生聲

4、波，向巖體發(fā)射。于是聲波在巖體中以彈性波形式傳播，然后由接收換能器(圖中的2)加以接收，該換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電子訊號送到接收機(jī)，經(jīng)放大后在接收機(jī)的示波管屏幕上顯示波形。喇叭式換能器結(jié)構(gòu)示意圖第一節(jié) 聲波探測原理及工作方法4 根據(jù)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的距離l，及聲波在巖體中的旅行時(shí)間t，即可由下式計(jì)算被測巖體的波速V 通過調(diào)整游標(biāo)電位器，可在數(shù)碼顯示器上顯示波至?xí)r間。若將接收機(jī)與微機(jī)連接，則可對聲波訊號進(jìn)行數(shù)字處理，如頻譜分析、濾波、初至切除、計(jì)算功率譜等。并可通過打印機(jī)輸出原始記錄和成果圖件。5二、聲波探測的工作方法 1測網(wǎng)的布置 測網(wǎng)的布置一般應(yīng)選擇有代表性的地段，力求以最少的工作量解決較多的

5、地質(zhì)問題。 測點(diǎn)或觀測孔的布置一般應(yīng)選擇在巖性均勻、表面光潔、無局部節(jié)理裂隙的地方，以避免介質(zhì)不均勻?qū)β暡ǖ母蓴_。如果是為了探測某一地質(zhì)因素，測量地段應(yīng)選在其他地質(zhì)因素基本均勻的地方，以減少多種地質(zhì)因素變化引起的綜合異常給資料解釋帶來困難。裝置的距離要根據(jù)介質(zhì)的情況、儀器的性能以及接收的波型特點(diǎn)等條件而定。2工作方式 聲波探測中，聲波信息的利用至今還很不完善。因縱波較易識讀，當(dāng)前主要是利用縱波進(jìn)行波速的測定。實(shí)驗(yàn)證明，利用聲輻探測不連續(xù)面(如節(jié)理、裂隙、破碎帶)時(shí)，靈敏度較高。橫波的應(yīng)用往往因識讀困難受到一定的限制。 在縱波測試中，最常用的是直達(dá)波法(直透法)和單孔初至折射波法(一發(fā)二收或二發(fā)

6、四收)，如下圖所示67第二節(jié) 聲波探測在工程和環(huán)境檢測中的應(yīng)用一、巖體力學(xué)參數(shù)的測定 巖體的彈性模量，泊松比，抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的測定是聲波探測的一項(xiàng)重要內(nèi)容，無論在室內(nèi)或現(xiàn)場均可進(jìn)行。 對于同一巖體(巖石)，彈模數(shù)值除了與巖性有關(guān)外，還隨加載的方式不同而異。用靜測試的方法叫做靜力法，測得的彈模稱靜彈模量，以E s表示。在快速瞬間加載情況下的測試方法，叫做動(dòng)力法，測得的彈模稱為動(dòng)彈模量，以Em表示, E s與E m是在不同物理?xiàng)l件下測出的，一般EmEs。動(dòng)力法和靜力法測試各有優(yōu)缺點(diǎn)。靜力法測得的值 E s與基礎(chǔ)荷載條件相近，但耗費(fèi)人力、物力和財(cái)力，并且試驗(yàn)設(shè)備笨重，測試時(shí)間長，因此只能選擇有代

7、表性的少數(shù)典型地段進(jìn)行測試。且由于靜力法在一個(gè)測點(diǎn)上應(yīng)力影響的范圍有限，少數(shù)地段的測試，只能反映巖體局部的變形特點(diǎn)，因而往往不能滿足工程設(shè)計(jì)的數(shù)量要求。8 動(dòng)力法測試具有設(shè)備輕巧，測試簡便，經(jīng)濟(jì)迅速，可大量施測等優(yōu)點(diǎn)，而且近代許多工程建筑還要考慮動(dòng)力的特點(diǎn)，因此聲波(或地震勘探)測出的動(dòng)彈模量具有實(shí)用價(jià)值。 但是目前工程設(shè)計(jì)人員一般還是要求給出與基礎(chǔ)荷載條件相近的靜彈模量值，因此往往要把聲波或地震勘探測得的動(dòng)彈模量換算成靜彈模量。 目前對動(dòng)、靜彈模之間的關(guān)系，一般是采用動(dòng)和靜兩種測試的結(jié)果，通過對大量資料的對比統(tǒng)計(jì)，尋求二者之間的數(shù)字相關(guān)函數(shù)Es=f(Ed)，如右圖所示：動(dòng)彈性參數(shù)用速度、密度

8、參數(shù)表示的計(jì)算式，如下所示，9二、巖體的工程地質(zhì)分類 為了評價(jià)巖體質(zhì)量，了解硐室及巷道圍巖的穩(wěn)定性，合理選擇地下硐室或巷道的開挖方案、設(shè)計(jì)合理的支襯方案，都必須對巖體進(jìn)行工程地質(zhì)的分類。 巖體的成因、類型、結(jié)構(gòu)面特征、風(fēng)化程度等地質(zhì)因素，直接影響著巖體的力學(xué)性質(zhì)，而巖體的力學(xué)性質(zhì)又與聲波在巖體中的傳播規(guī)律有著密切的聯(lián)系，這就是聲波探測之所以能作為巖體分類主要手段的物理前提。 目前對巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類的聲學(xué)參數(shù)主要是縱波速度vp，此外還有彈性模量E，裂隙系數(shù)Ls、完整性系數(shù)Kw、風(fēng)化系數(shù)以及衰減系數(shù)等101縱波速度 巖體新鮮、完整、堅(jiān)硬、致密，波速就高；反之，巖體破碎、結(jié)構(gòu)面多、風(fēng)化嚴(yán)重，波速

9、就低。由于波速是反映巖體強(qiáng)度的各種地質(zhì)因素綜合影響的參數(shù)，因此它是進(jìn)行巖體工程地質(zhì)聲學(xué)分類時(shí)的最基本的必要參數(shù)。 巖體的縱波速度與其抗壓強(qiáng)度成近于正比的關(guān)系。112完整性系數(shù)，裂隙系數(shù) 完整性系數(shù)K w是描述巖體完整情況的系數(shù)。裂隙系數(shù)Ls是表征巖體裂隙發(fā)育程度的系數(shù)。它們的表示式如下式中v p石為無裂隙完整巖體的縱波速度； v p體為有裂隙巖體的縱波速度。使用上述兩式時(shí)，巖石試樣和巖體測點(diǎn)應(yīng)在同一地段選取。根據(jù)上述縱波速度與巖體結(jié)構(gòu)面和完整性的關(guān)系可知， K w大或 L s小表明被測巖體結(jié)構(gòu)面少、完整性好；反之， 則結(jié)構(gòu)面多、完整性差。123風(fēng)化系數(shù) 風(fēng)化系數(shù)是一個(gè)表示巖體風(fēng)化程度的系數(shù)。值

10、愈大，風(fēng)化程度愈深； 值愈小，風(fēng)化程度愈小。根據(jù)巖體波速隨巖體風(fēng)化而減小的特點(diǎn)，風(fēng)化系數(shù)可用下式表示。式中v p新為新鮮巖體的縱波速度； v p風(fēng)為同類風(fēng)化巖體的縱波速度13將上述參數(shù)進(jìn)行綜合分析后，可對巖體進(jìn)行總體分類評價(jià)144衰減系數(shù) 聲波在巖體中傳播的特征，除反映在波速隨巖體性質(zhì)不同而變化外，還表現(xiàn)在振幅的變化上。試驗(yàn)證明，聲波在不連續(xù)面上的能量衰減比較明顯，因此衰減系數(shù)可以反映巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的程度。其表示式為式中Ai為固定某增益時(shí)，參與比較的各測試段的振幅實(shí)測值，以mm 為單位； A m為參與比較的各測試段中振幅的最大值，以mm 為單位； x為發(fā)射換能器到接收換能器的距離， 即測試段

11、的長度，以cm 為單位； 為參與比較的各測試段介質(zhì)的振幅相對衰減系數(shù)，以cm-1 為單位。可見，當(dāng)Ai=Am時(shí)，相對衰減系數(shù)為零，表明該段巖體在參與比較的各測試段中質(zhì)量最好； Ai越小, 就越大，表明該段巖體質(zhì)量越差。根據(jù)這一原理，衰減系數(shù)不僅用作巖體分類的指標(biāo)，而且還用于測定工程爆破引起的周圍巖體破裂影響范圍等方面。15三、圍巖應(yīng)力松弛帶的測定 在硐室開挖前，巖體中應(yīng)力處于平衡狀態(tài)；開挖后，原始的應(yīng)力平衡被破壞，引起了應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致應(yīng)力的釋放與集中。這種變化隨巖體性質(zhì)、硐室形態(tài)、在巖體中的位置、硐徑大小等不同而異。 如果在各向同性的巖體中開挖一個(gè)圓形隧硐，則在側(cè)壓系數(shù)等于l 的條件下，

12、由彈性理論計(jì)算表明，硐壁處的徑向應(yīng)力r等于零，而切向應(yīng)力t增大至巖體原始應(yīng)力的兩倍。r和t的分布如圖a 所示，可見影響范圍是硐的半徑r的三倍。 由于巖體并非理想彈性體而且強(qiáng)度有限，因此當(dāng)切向(軸的直徑的垂直方向)應(yīng)力t在硐壁處的增大程度超過巖體強(qiáng)度時(shí)，巖體即進(jìn)入塑性形變狀態(tài)或發(fā)生破裂。于是引起應(yīng)力下降，使隧硐附近一定范圍內(nèi)出現(xiàn)比原始應(yīng)力還要低的應(yīng)力降低區(qū)；向巖體內(nèi)部則形成大于原始應(yīng)力的應(yīng)力增高區(qū)；再向內(nèi)過渡到某一深度才逐漸恢復(fù)到原來的應(yīng)力狀態(tài)。故在硐周圍巖石的應(yīng)力分布曲線上出現(xiàn)一個(gè)峰值，如圖b 所示。此外，由于施工等因素的影響，也會(huì)使巖體的完整性下降(例如爆破引起的爆破影響帶)，出現(xiàn)附加的應(yīng)力

13、松弛。上述兩種因素引起的巖體完整性破壞和強(qiáng)度下降的總范圍，叫做應(yīng)力松弛帶或松動(dòng)圈，見圖b。確定松弛帶的厚度是巖體穩(wěn)定性評價(jià)及支襯設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。16 在硐壁應(yīng)力下降區(qū)，巖體裂隙破碎，以致波速減小，振幅衰減較快。反之，在應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力集中，波速增大，振幅衰減較慢。因此利用聲波速度隨孔深的變化曲線，可以確定松弛帶的范圍. 現(xiàn)場工作原理如下圖所示。垂直于硐壁布置若干組測孔。每組1 個(gè)(或2 個(gè))測孔，孔深為硐徑的12 倍。在一個(gè)斷面上的測孔應(yīng)盡可能選擇在地質(zhì)條件相同的方位，以減少資料解釋的困難。為保證換能器與巖體耦合良好，邊墻測孔可向下傾斜5 一10 度。拱頂處，因鉆孔向上，應(yīng)采用止水設(shè)備。測試時(shí)

14、可采用單孔法(一發(fā)兩收的初至折射波法)或雙孔法(直透法，逐點(diǎn)同步測試)。先在測孔中注滿水作為耦合劑，然后從孔底到孔口，每隔一段距離(一般為20cm)測量一次聲速值。將測試結(jié)果繪成波速隨孔深變化的vp-L曲線，便可進(jìn)行解釋。17下圖展示了幾種常見的Vp-L曲線類型。其中VpVo的曲線(曲線1、2)，表明無松弛帶；硐壁附近VpVo的曲線(曲線3、4)和VpVo的多峰值曲線(曲線5)，則表明存在應(yīng)力松弛帶。解釋時(shí)，由曲線圖中A點(diǎn)的坐標(biāo)值確定松弛帶的厚度。18下圖 是應(yīng)用聲波法探測某地下工程巷道應(yīng)力松弛帶的實(shí)例。此斷面巖性為弱微風(fēng)化石英正長斑巖，巖體較完整，無構(gòu)造斷裂和寬大裂隙。整個(gè)斷面開挖采用光面爆

15、破，聲波探測時(shí)采用雙孔直透法。據(jù)大量測試資料統(tǒng)計(jì)，巖體的正常波速值為5330m/s，圈定松弛帶范圍時(shí)取5120m/s。求得松弛帶的平均厚度為0.6m。結(jié)論是巖體的松弛帶較薄，強(qiáng)度高，硐體穩(wěn)定。但該斷面上發(fā)育有兩組節(jié)理，在拱頂組合成屋脊?fàn)睿绊懝绊數(shù)姆€(wěn)定，施工過程中曾發(fā)生過“冒頂”現(xiàn)象。因此結(jié)合地質(zhì)條件，在拱頂部分應(yīng)采取加固措施。19四、礦柱塌陷等地壓災(zāi)害的監(jiān)測 前面討論過的聲波探測方法，都是利用聲波儀發(fā)射系統(tǒng)向巖體幅射聲波的主動(dòng)工作方式。在聲波探測技術(shù)中還有一種被動(dòng)工作方式，此方式要利用巖體受力變形過程中或斷裂時(shí)自己產(chǎn)生的聲發(fā)射。當(dāng)巖體受力而發(fā)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲

16、發(fā)射。如果釋放的應(yīng)變能足夠大，就會(huì)產(chǎn)生聽得見的聲音。而在礦柱塌陷等地壓災(zāi)害發(fā)生的前夕，由于微裂隙的產(chǎn)生而釋放出應(yīng)變能，且隨裂隙的大量發(fā)生和擴(kuò)張，釋放的應(yīng)變能越來越大，則可利用地音儀對巖體進(jìn)行監(jiān)測，可以預(yù)報(bào)礦柱塌陷等地壓災(zāi)害。 為了排除噪音的干擾，地音儀中設(shè)置有門坎電壓。只有當(dāng)換能器輸送來的電壓超過一定閾值時(shí)才被記錄，而低于門坎電壓的訊號則被剔除。現(xiàn)場的監(jiān)測工作一般是利用地音儀記錄聲發(fā)射的頻度等參數(shù)作為巖體失穩(wěn)的判斷指標(biāo)。所謂頻度是表示單位時(shí)間內(nèi)所記錄的能量超過一定閾值的聲發(fā)射次數(shù)，以N表示。20 我國某冶金研究所研制了便攜式地音儀，用于礦井現(xiàn)場預(yù)報(bào)巖體穩(wěn)定性的情況。他們對某錫礦進(jìn)行了長期的試驗(yàn)

17、，總結(jié)出巖體失穩(wěn)的判斷指標(biāo)和監(jiān)聽制度。他們以連續(xù)監(jiān)聽五分鐘取得的數(shù)據(jù)作為巖音的頻度。當(dāng)N10 時(shí)，巖體受力不大， 沒有大的破壞，可認(rèn)為巖體是穩(wěn)定的。當(dāng)10 N20 時(shí)，巖體破壞加速，出現(xiàn)局部破壞；如持續(xù)時(shí)間較長，即巖體處于嚴(yán)重破壞階段，人員和設(shè)備應(yīng)迅速撤離。 在這一方法試驗(yàn)過程中，曾發(fā)生過八次礦柱片邦，頂板脫層和局部冒落，成功地預(yù)報(bào)了七次，另一次錯(cuò)過了機(jī)會(huì)。后來這一方法被推廣到其他礦井應(yīng)用。聲波探測在工程地質(zhì)中還能應(yīng)用于檢測施工爆破對基巖的影響范圍，測定混凝土強(qiáng)度及內(nèi)部缺陷，以及灌漿效果的檢查等方面。工作的原理則是類同的。21 五、聲波測井五、聲波測井 聲波測井儀的井中探測部分由超聲波發(fā)射器T

18、和接收器R1，R2組成。T與地面上的脈沖訊號源相連，R1和R2則與電子線路構(gòu)成的記錄裝置相連。由T發(fā)射的聲脈沖經(jīng)泥漿傳到井壁。由于聲波在泥漿中的速度V泥小于在井壁巖層中的速度V巖，故當(dāng)聲波以臨界角方向射至井壁時(shí)，即沿井壁滑行且產(chǎn)生通過泥漿傳到接收器的折射波。只要聲波發(fā)生器與接收器之間的距離超過折射波的盲區(qū)范圍，就能由記錄裝置將初至折射波的旅行時(shí)記錄下來。 聲波測井是地球物理測井的一種，它利用聲波在鉆井中傳播的各種規(guī)律來研究鉆井剖面。由于聲波測井儀發(fā)射的聲波頻率一般都大于音頻，故又稱之為超聲測井。 聲波測井的方法很多，在工勘中應(yīng)用最多的是聲速測井。聲速測井的儀器目前有單發(fā)射雙接收式（“一發(fā)二收”式）等