PAGEPAGE10聲波測試技術(shù)在巖體測試中的應(yīng)用－測試理論與監(jiān)測技術(shù)讀書報告前言聲波在固體內(nèi)傳播過程中，通過聲波測試，可以獲取與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學性態(tài)改變的相關(guān)聲波信息，從而了解結(jié)構(gòu)特征和力學性質(zhì)。早于三十年代，聲波測試技術(shù)已經(jīng)在巖體力學中的到應(yīng)用。我國從五十年代開始應(yīng)用。當時涉及的聲學參數(shù)主要是測量縱波波速。但是，聲波速度的分辨率不高，只限于讀取首波到達的時間，而對全波列沒有采集和分析，使得攜帶反映巖體特征的大量聲波信息沒有得到有效的利用。八十年代以來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字處理技術(shù)的進展，及微處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已開發(fā)出多種微處理機和巖石聲波儀連機。模數(shù)轉(zhuǎn)換的聲學參數(shù)自動采集處理系統(tǒng)的完成，為利用聲波頻譜分析巖體（或巖石）的結(jié)構(gòu)特征和力學性態(tài)的改變，提供了一種簡便快捷有效的手段。通過聲波采集和波列頻譜分析，可以獲取聲波傳播過程中，在時域和頻域內(nèi)的多項聲學參數(shù)，提高了對巖體（巖石）檢測的分辨率和可靠性。一、聲波在巖體內(nèi)傳播的物理特性在巖體內(nèi)傳播的聲波物理特性，它與測試系統(tǒng)的發(fā)射與吸收的特性、換能器的性能、耦合情況、測試條件等有關(guān)。當這些條件固定后，它主要與巖體的結(jié)構(gòu)特征（如節(jié)理、層里、原生裂隙等的存在于分布）、孔隙率、礦物成分、殘余應(yīng)力等因素有關(guān)；也與巖體（或巖石）在受力作用下，微裂隙的擴展和新裂隙的產(chǎn)生有關(guān)。當聲波通過這些裂隙面（或結(jié)構(gòu)面），就引起聲波的反射、折射、繞射與散射等現(xiàn)象。使得波列的形態(tài)和路程發(fā)生了改變，相關(guān)的各項聲學參數(shù)也發(fā)生了變化。這就是應(yīng)用聲波技術(shù)研究巖體力學問題的物理基礎(chǔ)。1、影響聲波波速的因素當聲學特征用時域方法表征時，可根據(jù)首波到達的時間來計算波速，并由動力學理論建立在固體內(nèi)傳播的彈性波波速與個彈性參數(shù)之間的關(guān)系，在無限均質(zhì)彈性條件下為：；；式中：，－動彈性模量，動泊松比；，－縱波波速，橫波波速；以上各式表明，聲波在巖體中傳播速度與介質(zhì)的彈性（，），堅硬密實程度及完整性（）等因素有密切的關(guān)系。2、聲波在裂隙內(nèi)的傳播特性聲波在裂隙內(nèi)的傳播特性與裂隙內(nèi)充填材料的特征、幾何尺寸、聲波頻率（波長）、聲波在裂隙內(nèi)的反射次數(shù)等因素有關(guān)。聲波通過裂隙的傳播效果如下式關(guān)系：式中：－聲波入射時的振幅；－在裂隙內(nèi)聲波反射次數(shù)；－聲波經(jīng)過在裂隙內(nèi)n次反射后的振幅；，－巖體的密度、縱波波速；－聲波的波長；，－裂隙內(nèi)介質(zhì)的密度、縱波波速；－裂隙的間距。上式表明，聲波在巖體裂隙面內(nèi)的傳播是十分復(fù)雜的。由于巖體內(nèi)部大量裂隙的存在，聲波在巖體內(nèi)傳播將發(fā)生如下變化：（1）波速變慢，通過一條裂隙的時間由增加到；（2）振幅減少（能量損耗），而且與裂隙內(nèi)介質(zhì)的聲阻抗（）有密切關(guān)系；（3）波形變，在一條裂隙內(nèi)可能存在n+1個波在相互干涉，頻譜將變得復(fù)雜；（4）聲波傳播向低頻（波長較大）轉(zhuǎn)化，當間距為波長的10%時，聲波（幅值）80%可能通過，接收到的低頻效果明顯增強。因此，聲波在巖體內(nèi)的傳播過程的振幅與頻率的改變，對應(yīng)用聲波技術(shù)作為巖體檢測具有重要的意義，它與巖體的結(jié)構(gòu)特征及力學性態(tài)的改變密切相關(guān)。因此，進行接收波列波形的采集與頻譜分析，就可以獲取比用單純的聲波速度反映巖體狀況更多、更有效的聲學參數(shù)，提高判釋的分辨率和可靠性。3、巖石聲波頻譜分析方法頻譜分析的基本原理是將接收到的在時域內(nèi)的聲波波列波形，通過快速傅利葉變換（FFT）變?yōu)轭l域內(nèi)的振幅譜，就是將一個或一列脈沖波形，分解為無數(shù)個不同頻率、不同振幅、不同相位的正弦波的疊加。波列在時域內(nèi)變化為，用時間間隔△對進行采樣?？傻秒x散序列為，1，2，3，……，N+1,其傅利葉變換為：式中：N－采樣點數(shù)；△－采樣時間間隔；d－頻域采樣間隔；－頻域第點的譜值。－為時域第i點的振幅值；頻譜分析通過微處理機應(yīng)用現(xiàn)有的FFT軟件來實現(xiàn)。a波形圖b頻譜圖圖1頻譜分析二、巖體聲波探測的基本原理聲波在巖體內(nèi)傳播時，除了與巖體的物理性質(zhì)有關(guān)外，還與巖體的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，巖體中應(yīng)力越高，波速越高。反之，巖體中應(yīng)力越低，聲波波速冊低。因為在巷道周圍巖體的穩(wěn)定性與巖體的物理力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育成都及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，所以可用巖體聲波速度的變化，反映巖體中結(jié)構(gòu)面、強度及應(yīng)力狀況。由于聲波測試的使用條件不同，因此測試方法也有很多種，有透射波法、反射波法、折射波法和孔中測定法?？字袦y定又分為單孔孔中測定及雙孔孔中測定兩種方法。而單孔孔中測定法的探頭有單發(fā)單收和單發(fā)雙收兩種形式。單孔孔中測定的原理為在事先鉆好的測孔中注滿水，以水作為探頭和巖體見的耦合劑，這樣在水與孔壁巖體的分界面處將產(chǎn)生很大的速度差，因而有產(chǎn)生折射波的可能。當探頭中圓環(huán)形發(fā)射換能器向多個方向發(fā)射超聲波時（如圖2所示），有一部分聲波沿鉆孔軸線經(jīng)水傳播至接收換能器，稱直達波；另一部分經(jīng)孔壁反射而達到接收換能器，稱反射波，反射波比直達波晚些到達；第三部分聲波自發(fā)射換能器發(fā)出后以角度角入射到水中，然后進入接收換能器。在適當選擇發(fā)射換能器和接收換能器之間的最小間距情況下，即可保證滑行波先于直達波到達接收換能器。因為滑行波是沿巖體傳播的，它的速度與巖體的地質(zhì)因素有關(guān)，因而可根據(jù)滑行波波速的變化，了解孔壁相應(yīng)巖體的地質(zhì)構(gòu)造和物理力學性質(zhì)。圖2單孔孔中測定工作原理示意圖1－直達波2－反射波3－折射波（滑行波）F－發(fā)射換能器S－接收換能器－折射波的入射角滑行波在巖體中傳播的時間T可直接由儀器讀出，滑行波傳播的距離L是設(shè)計探頭時就確定下來的，這樣滑行波的速度（巖體聲波波速）V可由公式求出。圖3單孔－發(fā)雙收探頭工作原理示意圖F－發(fā)射換能器－接收換能器1－接收換能器2L－由發(fā)射換能器到接收換能器1和由接收換能器1到接收換能器2的距離單孔－發(fā)雙收式換能器可做雙收法和單收法兩種測量，如圖3所示。當采用單收法測量時，由發(fā)射換能器F到接收換能器，聲波傳播所經(jīng)過的距離為a+d+b，傳播時間為；由發(fā)射換能器F到接收換能器所經(jīng)歷的距離為a+d+e+c，傳播時間為，其中a、b、c為聲波在水中傳播的距離，因為a=b=c，所以。而d和e是聲波在巖壁中傳播的距離，其傳播時間為和，所以，當近似認為e=d=L時，單收法測得的聲速（巖體聲波速度）為：或上兩式中由儀器中讀得，和為聲波兩次在水中傳播的時間，為聲波兩次在水中傳播的時間，或。雙收法測量時，可將聲波在水中傳播的時間消除掉，而在儀器中顯示出來的僅是聲波在巖體中的傳播時間T。雙收法測試時，聲波傳播的距離等于單收法2傳播的距離減去單收法1傳播的距離，即﹙a+d+e+c﹚﹣﹙a+d+b﹚﹦e﹦L雙收法測試聲波傳播的時間為T=，所以雙收法測得得得巖體聲速。在現(xiàn)場測試中，一般采用雙收法進行測量。三、聲波測試應(yīng)用實例洞室圍巖松動圈的聲波測試天然狀態(tài)下的地殼巖層，處于一種自然平衡狀態(tài)。由于在巖體中開挖洞室改變了巖體的邊界條件，從而破壞了巖體的自然平衡狀態(tài)，使得巖體中的自然應(yīng)力場發(fā)生變化，在洞室附近一定范圍內(nèi)圍巖形成三個應(yīng)力分區(qū)，因此洞室圍巖同時存在松動區(qū)、塑性區(qū)和天然狀態(tài)區(qū)。有效的測量松動區(qū)的范圍是確定圍巖荷載和襯砌支撐力的主要依據(jù)。此次以某一巷道洞室松動區(qū)的測試為例，測試儀器采用淮南工學院工程監(jiān)測中心GIY-1型工程檢測儀。洞室頂標高為-462m，巷道頂板為中粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，疏松易風化，節(jié)理不發(fā)育，側(cè)幫及底板為砂質(zhì)泥巖，節(jié)理十分發(fā)育。具體測試采用一發(fā)一收夠做方式，鉆孔分別分布在邊墻、頂拱和拱角等部位見圖4，然后人工錘擊激發(fā)聲頻應(yīng)力波，錘擊時盡量減少錘擊接觸時間已克服震源產(chǎn)生的面波干擾。傳感器接收采自巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，將被測震動信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入儀器，經(jīng)程控放大后帶通濾波與A／D轉(zhuǎn)換后，進入電腦數(shù)據(jù)處理。每測孔至少重復(fù)測試一次。對于中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖兩種不同巖性的巖體，采用在同一巖性激發(fā)信號和測孔內(nèi)接收信號的方法，以減少巖石各向異性對聲波的影響。最后計算波速圖4松動圈測試布孔示意圖時，校正了儀器的滯后延時（），并作出縱波波速、測點至洞壁面的距離關(guān)系曲線。即曲線（圖5）。圖5各測孔曲線圖分析圖5，曲線的前部波速較低，隨著孔深的增加，波速也增加，并逐漸趨于穩(wěn)定值，說明洞壁圍巖出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)，各曲線上A點或B點所對應(yīng)的L值即為松動區(qū)的厚度。巷道圍巖三分帶典型的曲線為圖6所示類型，圖中C點左側(cè)為圍巖的松動區(qū)，C