8巖體聲波探測技術(shù)（sonicmethod）

8.1.1巖體聲波探測技術(shù)簡介定義：是指以人工的方法，向介質(zhì)輻射聲波，并觀測聲波在介質(zhì)中傳播的特性，利用介質(zhì)的物理性質(zhì)與聲波傳播速度等參數(shù)之間的關(guān)系，探測巖體的地質(zhì)構(gòu)造、物理和力學(xué)性質(zhì)聲波是指頻率在20~20000Hz范圍內(nèi)的振動波低于20Hz為次聲波，高于20000Hz為超聲波屬于彈性波勘探超聲波探測—頻率高、波長短，分辨高，探測范圍小地震波探測—頻率低(<500Hz)、分辨低，探測范圍大聲波探測—處于兩者之間8.1.2巖體聲波探測技術(shù)在工程中的作用1.工程巖體進(jìn)行分類、分級2.評價工程圍巖的穩(wěn)定性包括圍巖松弛帶范圍的測定和圍巖穩(wěn)定性的定期觀測3.確定地質(zhì)剖面、風(fēng)化層厚度配合進(jìn)行工程地質(zhì)勘探鉆孔4.巖石和巖體的物理力學(xué)性質(zhì)的測定和估算如動彈性模量、泊松比等5.巖體中存在缺陷如構(gòu)造斷裂、巖溶洞穴的位置、規(guī)模，張開裂隙的延伸方向和長度的探測6.工程施工及加固措施效果的檢查

如爆破、噴錨支護(hù)、補(bǔ)強(qiáng)灌漿的質(zhì)檢巖體聲波探測技術(shù)優(yōu)點(diǎn)1.給出定量指標(biāo)以彈性動力學(xué)基礎(chǔ)，聲波引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動與介質(zhì)的力學(xué)特性關(guān)系比較密切，對于解決工程地質(zhì)評價，尤其是巖體穩(wěn)定評價問題，能給出定量指標(biāo)2.測試技術(shù)簡單易行具有簡便、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)測試成果易得到推廣應(yīng)用，為工程設(shè)計(jì)和施工得到全面而可靠的數(shù)據(jù)和資料8.2聲波探測基礎(chǔ)聲波就是在彈性介質(zhì)中傳播的、載有巖體各種信息的彈性波本節(jié)介紹聲波的物理特征、傳播特性、波衰減和聲場等有關(guān)彈性波的基礎(chǔ)知識

8.2.1巖體中的彈性波無限介質(zhì)中的波縱波、橫波半無限介質(zhì)中的波瑞利波、勒夫波巖體存在著一個自由面或在兩種巖體之間存在著交界面時，除縱波和橫波外，還能產(chǎn)生表面波有限體的介質(zhì)中的波桿中波速板中波速1.無限介質(zhì)中的波對于大多數(shù)巖石μ=0.25，則無限介質(zhì)中的波存在兩種波：縱波，橫波

A.縱波質(zhì)點(diǎn)振動方與波傳播方向相平行縱波波速B.橫波

質(zhì)點(diǎn)振動方與波傳播方向相垂直橫波波速

C.縱波速度Vp和橫波速度VS關(guān)系2.半無限介質(zhì)的波巖體存在著一個自由面將產(chǎn)生表面波：瑞利波瑞利波特點(diǎn)

A、瑞利波傳播速度vR：

小于巖體內(nèi)的縱波和橫波的速度，由下列方程決定可用下面公式近似表示瑞利波特點(diǎn)1B.質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡在巖體表面，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為長軸垂直于表面的橢圓，其長軸與短軸之比為1.468（m=0.25）隨面波逐漸深入巖體內(nèi)部，其長軸與短軸越來越接近，最后成為長軸平行于表面的橢圓C.能量和衰減規(guī)律（1）面波的能量主要分布在表面附近，集中在1個波長的深度內(nèi)（2）隨著距離表面深度增加，強(qiáng)度衰減很快（3）與表面平行的方向，能量衰減比縱、橫波慢瑞利波特征例子表面震源輻射出的能量為100，則沿著表面的方向上縱波、橫波和面波所占的能量比例為：縱波7%，橫波26%，面波67%表面波的能量隨表面距離增加衰減的較慢，而且在能量分配上又占一半以上，故在巖體的表面上的面波是最強(qiáng)的優(yōu)勢波在聲波探測技術(shù)中，專門利用面波進(jìn)行探測，稱為表面波法3.有限介質(zhì)的波—桿中的縱波在巖性相同的巖樣中，有限體的形狀不同，其縱波速度不同A.桿中的縱波如果細(xì)長圓柱形巖石試塊的直徑d小于波長λ的1／10時，可視為桿，其縱波波速Vpg為

3.有限介質(zhì)的波—板中的縱波B.板中的縱波當(dāng)巖石試塊在X、Y方向上的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Z方向的尺寸，而且Z方向的尺寸(即厚度h)比波長小很多時(h<λ/10)，可視為板狀體。板中的縱波波速C.有限介質(zhì)的橫波不管在有限體或無限體中，橫波的速度都是一樣的同一巖石試塊是無限體或有限體的關(guān)鍵在于聲波波長本節(jié)小結(jié)討論重要結(jié)論：巖體的波速與力學(xué)性質(zhì)密切關(guān)系當(dāng)巖體的彈性模量E、泊松比μ及密度ρ已知，則巖體的縱波速度Vp和橫波速度VS為定值。（正問題）已知Vp、Vs，并知道ρ時，可計(jì)算出E，μ（反問題）波速關(guān)系Vp>Vs>VR結(jié)論是巖體聲波探技術(shù)的主要理論基礎(chǔ)8.2.2描述聲波的特征量—振動圖振動圖(x=x0)波傳播過程質(zhì)點(diǎn)的振幅隨距離和時間變化振幅A

指聲波波形離開平衡點(diǎn)的最大值頻率f

波峰與波峰之間相隔的時間稱為周期，周期的倒數(shù)即為頻率主頻任意一個波都可以分解成不同頻率，不同振幅和不同相位的正弦波，主頻是振幅最大那個正弦波的頻率聲波探測中描述聲波三個參量：波速、振幅、頻率8.2.2描述聲波的特征量—波剖面圖波剖面圖t=t0波長l

在一個周期內(nèi)傳播的距離稱為波長波數(shù)波長的倒數(shù)聲能密度

指介質(zhì)單位體積內(nèi)的聲波能量，包括動能和勢能，動能與介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動速度有關(guān)，勢能與振幅有關(guān)波長=聲速×周期=聲速/頻率8.2.3

波場、波陣面、射線1波場：波在傳播時所形成物理量在時間和空間的分布狀態(tài)波前（波陣面）是指在某一時刻，巖體中剛開始震動的各質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的曲面，即已震動區(qū)和末震動區(qū)的交界面射線：與波前相垂直的法線射線是彈性波由一點(diǎn)向另一點(diǎn)傳播時，經(jīng)過的路程8.2.3波場、波陣面、射線2按波陣面形狀聲波分類球面波：自震源發(fā)出的波，其波前構(gòu)成一個球面在均勻巖體中，球形震源或點(diǎn)震源將產(chǎn)生的球形波柱面波：波前構(gòu)成一個柱形面在均勻巖體中，長圓柱體震源或線狀震源將產(chǎn)生的柱面波平面波：波前構(gòu)成一個平面所研究區(qū)段取得足夠小且距震源足夠遠(yuǎn)，球面波和柱面波也可視為平面波8.2.4波前原理、疊加原理和射線原理波前原理(恵更斯原理)指出（1）波陣面上的每一點(diǎn)都看作是發(fā)射次級子波的波源（2）子波朝各個方向傳播產(chǎn)生新波（3）新波的包絡(luò)線是原波的新波前

例如：聲波的通過小孔擴(kuò)散疊加原理在彈性介質(zhì)中，兩個波在某區(qū)域內(nèi)相遇，則相遇時波的強(qiáng)度等于它們的代數(shù)和(重疊)，若相遇后又重新分開，則此后兩個波的傳播情況仍好似未曾相遇過一樣射線原理（費(fèi)瑪原理）波總是沿射線傳播的波沿射線傳播從一點(diǎn)達(dá)到另一點(diǎn)所需時間是最短的（直線傳播）8.2.5波的反射、透射彈性波由一種巖體傳到另一種巖體分界面時，會產(chǎn)生反射和透射（折射）現(xiàn)象一般產(chǎn)生四種波：兩種透射波：在第二種巖體中傳播兩種反射波：在第一種巖體中傳播1入射波、反射波、透射波之間角度的關(guān)系A(chǔ).角度關(guān)系根據(jù)斯涅爾定律

2入射波、反射波、透射波之間振幅的關(guān)系斜入射縱波反射縱波振幅ArP和反射橫波振幅ArS，透射縱波振幅AtP和透射橫波振幅AtS是入射角和介質(zhì)常數(shù)的函數(shù)垂直入射縱波沒有反射橫波和透射橫波振幅關(guān)系為介質(zhì)的密度與波速的乘積稱為波阻抗波阻抗相等，不產(chǎn)生反射，界面?zhèn)鬟f性能最好(耦合)反射系數(shù)

透射系數(shù)3全反射與折射波的形成沿著地層分界面以V2速度進(jìn)行傳播的滑行波一部分再以臨界角折射回上面地層1形成折射波考察地層1和地層2的聲波傳播速度分別為V1和V2，且V2>V1，其交界面為AB。由斯涅爾定律得：當(dāng)透射角βp等于90度時，將出現(xiàn)內(nèi)部全反射現(xiàn)象，此時，透射波沿界面AB傳播，稱為滑行波，此時的入射角稱為臨界角表面觀測到三種彈性波圖解

如果彈性波以臨界角j入射到分層介質(zhì)時，在地表能檢測到三種傳播路徑不同縱波：(1)由聲源直接傳播來的直達(dá)波(2)聲波傳播到交界層面時沿交界面行走一段的滑行波，再折射回上面巖層的折射波(3)聲波傳到下面巖層上直接反射回來的反射波

8.2.6波的繞射（衍射）聲波遇到障礙物時，如果障礙物反射系數(shù)很大，波將改變傳播方向，繞過障礙物傳播，產(chǎn)生繞射波例如：入射波波前到達(dá)障礙物的邊緣A點(diǎn)時，將形成新的波源并繞過障礙物繼續(xù)向前傳播應(yīng)用：用來探測巖體的裂隙8.2.7波的散射在巖體中傳播的波，遇到不光滑的界面時，如果界面上的凹凸處的曲率半徑和波長的相比很小，會發(fā)生波前的散射波的散射特性，給聲波探測帶來干擾，是不利因素可以利用散射特性來觀察巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破碎程度8.3巖體性質(zhì)與彈性波傳播的關(guān)系巖體特性—巖體物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)特征(如巖體風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面、含水率、巖體的應(yīng)力等)在巖體中動應(yīng)力激發(fā)的彈性波有：縱波(p波)、橫波(s波)和面波(R波)描述波的傳播特征：波形波速、振幅、頻率波動特征和巖體特性之間相關(guān)性，才能有效利用彈性波來探測巖體特性主要是用縱波波速，橫波波速，其次是利用波的振幅特性8.3.2聲波速度與巖體特性的關(guān)系根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)得知：巖體中聲波速度與巖體力學(xué)性質(zhì)聲波速度與巖體類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)聲波速度與與周圍環(huán)境有關(guān)聲波速度能綜合地反映巖體特性8.3.2.1聲波速度與巖石力學(xué)性質(zhì)性關(guān)系1

聲波法測定的動彈性模量Ed動彈性模量Ed大于靜彈性模量Ej（1）聲波速度與巖體密度的關(guān)系

（2）聲波速度與彈性常數(shù)的關(guān)系理論上講聲速隨密度增加而減小密度增加能使動彈性模量急劇上升而促使聲速加大綜合的結(jié)果：聲速隨密度增加而增加，而不是減小8.3.2.1聲波速度與巖石力學(xué)性質(zhì)性關(guān)系2

(3)聲速與巖體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系巖體的抗壓強(qiáng)度是由巖石試塊的抗壓強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)決定的，是一個綜合性指標(biāo)巖石抗壓強(qiáng)度大，聲速則高，反之聲速低結(jié)構(gòu)面使巖體強(qiáng)度變低，聲速變低巖塊的抗壓強(qiáng)度和波速之間關(guān)系為8.3.2.2聲波速度與巖體類型和結(jié)構(gòu)關(guān)系1

(1)聲速與巖石類型的關(guān)系實(shí)驗(yàn)資料表明，不同類型巖石的聲波速度回歸曲線8.3.2.2聲波速度與巖體類型和結(jié)構(gòu)關(guān)系2(2)聲速與巖體結(jié)構(gòu)面的關(guān)系結(jié)構(gòu)面的存在使聲速降低結(jié)構(gòu)面使聲速在巖體中傳播形成各向異性：垂直結(jié)構(gòu)面方向的聲速低，平行于結(jié)構(gòu)而方向的聲速高聲波速度隨巖體風(fēng)化程度而變化：風(fēng)化越嚴(yán)重，聲速越低評價巖體的結(jié)構(gòu)面情況，可用裂隙系數(shù)和完整性系數(shù)

(3)巖石的孔隙率關(guān)系孔隙增加，聲速下降很快，其關(guān)系下可用下式表示

—孔隙中飽和液體的聲速

—巖石骨架的聲速8.3.2.3聲波速度與與周圍環(huán)境的關(guān)系1

(1)聲波速度和圍巖應(yīng)力的關(guān)系在三維應(yīng)力的作用下巖體被壓縮，節(jié)理閉合、弱面壓密、孔隙率降低，彈性性能的增加，聲波波速隨應(yīng)力的增加而增加在單向應(yīng)力作用下，加壓方向的聲速隨應(yīng)力的增加而增加與加壓方向相垂直的方向上聲速最初隨應(yīng)力的增加而增加，而后減小在低應(yīng)力條件下，聲速隨應(yīng)力的變化比較顯著，在應(yīng)力較大時，應(yīng)力變化所引起聲速變化較小8.3.2.3聲波速度與與周圍環(huán)境的關(guān)系2(2)與環(huán)境溫度的關(guān)系溫度上升，聲速下降溫度下降聲波提高，特別當(dāng)溫度下降到度以下，孔隙中的水變成冰，聲速由1500m/s(水)變?yōu)?600~4300m/s(-5~-80C冰)

8.3.3聲波振幅特性與巖體特性的關(guān)系聲波傳播時，振幅隨傳播的距離增加而減小，出現(xiàn)振幅衰減衰減規(guī)律與巖體性質(zhì)、傳播條件和波形有關(guān)與聲速相比，聲波的振幅與巖體性質(zhì)更為密切聲波探測法的一個重要的理論基礎(chǔ)測量聲波的振幅應(yīng)用較少衰減機(jī)理

1—擴(kuò)散(幾何)衰減擴(kuò)散衰減：當(dāng)聲源為有限面積時，隨聲波傳播距離增加由于波陣面的擴(kuò)散而引起的聲能和聲壓的減小在理想彈性介質(zhì)中，介質(zhì)本身沒有能量損耗幾何衰減規(guī)律在球形波場中，振幅與聲源距離的成反比在柱面波場中，振幅與聲源距離的平方根成反比在理想平面波場中，不存在擴(kuò)散衰減在聲測中，隨發(fā)射傳感器的形式，晶片大小和頻率不同，擴(kuò)散衰減也不同衰減機(jī)理

2—散射衰減由于巖體中存在顆粒結(jié)構(gòu)、裂紋、雜質(zhì)以及各種節(jié)理、裂隙、斷層、夾層等，當(dāng)聲波傳播過程與它們互相作用，產(chǎn)生反射、散射時，將出現(xiàn)能量損失，從而使波強(qiáng)度減弱

散射衰減與頻率的四次方成正比衰減機(jī)理

3—吸收衰減

吸收衰減機(jī)理介質(zhì)的粘滯性，阻礙質(zhì)點(diǎn)振動，造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，使部分聲能轉(zhuǎn)變成熱質(zhì)點(diǎn)振動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的遲緩，即應(yīng)力和應(yīng)變非同相，產(chǎn)生弛豫吸收影響因素巖石的孔隙度及其形狀和飽和度、固相的成分、密度和彈性性質(zhì)、巖石所受壓力和溫度變化等都對聲能的衰減有影響巖石對聲波的吸收與頻率的一次方成正比4.聲波振幅衰減規(guī)律在聲測中，考慮到幾何衰減，衰減系數(shù)α用下式表示由于吸收衰減引起的衰減衰減系數(shù)a是頻率的函數(shù)，頻率越高，a值越大5.小結(jié)巖體對聲波振幅與頻率的吸收特性與巖體性質(zhì)有密切關(guān)系當(dāng)聲波速度受巖體節(jié)理和軟弱面影響而下降10％時，衰減系數(shù)增大2~3倍，振幅衰減20~30%，說明振幅特性對巖體特性的反映更為靈敏分析實(shí)測的聲波的頻譜(振幅、相位譜、能量譜等)資料，可以得到比用單純彈性波速更有效的資料聲波探測法的另一個重要的理論基礎(chǔ)進(jìn)一步研究內(nèi)容巖體對聲波振幅吸收的大小以及頻譜的變化與巖體的結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)定量關(guān)系8.4巖體聲波探測儀器巖體聲波探測系統(tǒng)由激發(fā)裝置、換能器和聲波儀組成8.4.1聲波激發(fā)方式與裝置1．爆炸激發(fā)—

用炸藥作震源特點(diǎn)：（1）頻率較低，約為10~100Hz；（2）能量較大，作用距離較遠(yuǎn)（3）可分辨性較差；（4）單次激發(fā)

2．錘擊激發(fā)—

使用8~10kg的鐵錘，人工錘擊巖體特點(diǎn)：（1）頻率100~1000Hz；（2）作用距離幾米到數(shù)十米；（3）分辨能力較爆炸震源強(qiáng)；（4）單次激發(fā)

3．電火花源激發(fā)—

在空氣或水中高壓放電，產(chǎn)生振動特點(diǎn)（1）頻率較高，約1~300kHz；（2）瞬間放電功率達(dá)1000kw以上，形成沖擊波，傳播距離達(dá)幾十米；（3）可分辨性較高；（4）單次激發(fā)8.4.1聲波激發(fā)方式與裝置4．電聲換能器acoustictransducer

激發(fā)聲波換能器利用壓電逆效應(yīng)制成一種電—聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置特點(diǎn)發(fā)射頻率、脈沖長度（持續(xù)時間）可以控制可多次重復(fù)發(fā)射發(fā)射能量較小接收換能器利用晶體壓電效應(yīng)，做成接收聲波探測器8.4.2聲波換能器目前常用的聲波換能器有以下幾種：1.喇叭式換能器2.單片彎曲式換能器3.增壓式換能器4.測井換能器5.試件測試換能器換能器都有不同的諧振頻率可供選用頻率較高者，分辨力較好，但穿透能力小頻率較低者，分辨力低些，但穿透能力大1．喇叭式換能器喇叭式換能器又叫夾心式換能器結(jié)構(gòu)：圓片形壓電晶體疊合在一起工作原理：在每一個晶片的上、下兩極間加一脈沖電壓，利用晶片厚度方向上的變形產(chǎn)生振動特點(diǎn)：單向振動輻射，指向性好，機(jī)械強(qiáng)度高，承受功率大應(yīng)用：可用于巖體對穿測量或平面測量，既可用于發(fā)射，也可用于接收2．單片彎曲式換能器特點(diǎn)體積較小、輕便、靈敏度較高，強(qiáng)度差，不能承受大功率應(yīng)用用于低頻聲波測量平面聲波測量的接收換能器結(jié)構(gòu)：圓片形晶片用環(huán)氧樹脂粘于底殼工作原理晶片上、下加交變電壓時，一方面厚度方向上發(fā)生脹縮變形，另一方面徑向上發(fā)生伸縮變形。因晶片下面受底殼限制，上面為自由面，變形量大，因而產(chǎn)生彎曲變形，帶動底殼一起振動3．增壓式換能器結(jié)構(gòu)：將多個圓片形晶片平行等間隔排列并垂直于增壓管內(nèi)壁粘牢，增壓管是由兩個半圓管對接而成的，中間留有縫隙，各晶片的電極并聯(lián)連接工作原理：晶片兩邊加交變電壓時晶片厚度方向脹縮的同時，徑向發(fā)生伸縮變形，帶動增壓管發(fā)生徑向振動。它比單片時的發(fā)射、接收效率高若干倍特點(diǎn)輕便，低頻換能器的體積不大，頻帶較寬應(yīng)用常用于雙孔孔間透視不宜做聲幅測量用測井換能器照片

4．測井換能器一發(fā)雙收換能器：結(jié)構(gòu)：一種圓柱狀換能器，內(nèi)裝一個用于發(fā)射壓電晶體和兩個用于接收壓電晶體，3個壓電晶體間用傳聲速度較慢的隔聲管聯(lián)接起來，組成一個發(fā)射，兩個接收的測井換能器工作原理：由發(fā)射換能器發(fā)出的聲波進(jìn)入孔壁巖石，其中的滑行波沿孔壁滑行先后到達(dá)接收換能器和被接收下來應(yīng)用：適用于在單個鉆孔中測量孔壁的聲波速度5．試件測試換能器類型：承壓式和非承壓式承壓式結(jié)構(gòu)換能器裝在一個扁圓形的鋼制模盒內(nèi)，能承受較大壓力，可放在壓力機(jī)加壓板與試件之間工作原理當(dāng)在晶片上加上信號電壓后，晶片變形，帶動振動膜產(chǎn)生彎曲振動

用于室內(nèi)試件測試的換能器多為小型的超聲波換能器8.4.3聲波儀聲波探測儀的顯示系統(tǒng)有兩種：數(shù)字顯示和波形顯示聲波儀主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成數(shù)字聲波儀組成框圖和工作原理工作原理：邏輯控制器啟動發(fā)射機(jī)，同時開始計(jì)時發(fā)射機(jī)向發(fā)射換能器發(fā)射電脈沖，激勵晶片振動，產(chǎn)生聲波，向巖石發(fā)射在巖石中傳播的聲波被接收換能器接收，把聲能轉(zhuǎn)換成微弱的電訊號送至接收機(jī)，經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、存貯，同時停止計(jì)時在屏幕上顯示出波形圖或直接讀數(shù)聲波的傳播時間t、振幅、頻率等波形參數(shù)根據(jù)已知的探測距離L，便可計(jì)算出聲波的速度8.5巖體聲波探測方法穿透法反射法折射波法剖面法鉆孔探測法8.5.1波速測量及波速的計(jì)算測量聲波速度是聲波測試工作中最基本、最重要的工作速度的計(jì)算取決于測時和測距的準(zhǔn)確性幾個基本概念視速度真速度時程曲線1真速度和視速度V*

真速度v：聲波沿射線方向的傳播速度

視速度v*：聲波沿測線方向的傳播速度真速度與視速度關(guān)系：設(shè)波的射線與地面（測線）法線的夾角為α?xí)r，波前在t和t+Δt時分別到達(dá)地面上的x1點(diǎn)和x2點(diǎn)，射線與地面不平行，沿地面測出的速度不是真速度對于特定介質(zhì)而言，真速度v是一定的視速度v*隨測線與波的射線夾角a而變化用于計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)，要用真速度真速度：視速度：關(guān)系：2.時距曲線走時：聲波從發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)的旅行時間旅程：聲波從發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)間的行程時距曲線：指波前到達(dá)的時間t與測點(diǎn)坐標(biāo)x的關(guān)系曲線在均勻地層中，直達(dá)波的時距曲線是一條通過零點(diǎn)直線，如果地層是不均勻的，時距曲線是曲線或折線反射波的時距曲線是一條拋物線折射波的時距曲線是一條截距為t0的直線時距曲線是計(jì)算聲波速度的基礎(chǔ)3.縱波和橫波特點(diǎn)及比較測量聲波的走時，關(guān)鍵是確定波的初至點(diǎn)的準(zhǔn)確位置地面同時傳播著縱波、橫波和表面波，它們被同時被記錄，有時會混合在一起出現(xiàn)干涉（重疊）比較縱波波速比橫波波速大，故記錄波形時縱波在前，橫波在后縱波的振幅小于橫波的振幅，降低放大系數(shù)可突出橫波8.5.2聲波探測方法分類應(yīng)用聲波探測巖體時，主要有下列五種工作方法：穿透法反射法折射波法剖面法鉆孔探測法1.穿透法

transmissionmethod定義：將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在介質(zhì)相對的兩個表面上，根據(jù)穿透波的傳播時間和波形的變化來判斷介質(zhì)的特性特點(diǎn)穿透法靈敏度高，波形單純、清晰，干擾較小，各類波形易于辨認(rèn)，是一種使用較為廣泛的方法對換能器安裝的相對準(zhǔn)確性要求較高適用條件用于厚度比較大、并且兩個表面都能安放換能器的情況反射波法echomethod定義：

將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在介質(zhì)同一表面上，發(fā)射換能器向介質(zhì)內(nèi)部發(fā)射聲波，接收換能器接收來自介質(zhì)內(nèi)部分層、缺陷的反射波，測量反射波傳播的時間和波形，來判斷介質(zhì)內(nèi)部性質(zhì)的方法應(yīng)用：用于確定地層厚度、波速和缺陷、樁基完整性檢測、混凝土厚度檢測3.折射波法refractionmethod定義：將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在巖體同一表面上，發(fā)射換能器向巖體內(nèi)部發(fā)射聲波，接收換能器接收來自下伏巖層的折射波，測量折射波傳播的時間和波形，來判斷介質(zhì)內(nèi)部性質(zhì)的方法應(yīng)用條件：下伏巖土層的波速大于覆蓋層的波速發(fā)射換能器和接收換能器的距離應(yīng)大于盲區(qū)應(yīng)用用于確定地層厚度、巖層波速等SeismicRefractionVerticalGeophonesSource(Plate)Rock:Vp2ASTMD5777Soil:Vp1oscilloscopex1x2x3x4t1t2t3t4Note:Vp1<Vp2zRDeterminedepthtorocklayer,zRSeismicRefractionVp1=1350m/s1Vp2=4880m/s1DepthtoRock:

zc

=5.65mxc

=15.0mxvaluestvalues4.剖面法profilingmethod定義：

又稱沿面法把發(fā)射換能器和接收換能器布置在同一表面上，測量表面直達(dá)波傳播時間和波形，來判斷介質(zhì)表層性質(zhì)的方法應(yīng)用：主要用于判斷介質(zhì)的巖體淺部缺陷和材料的性能5.鉆孔探測法acousticlog定義：把發(fā)射換能器和接收換能器布置在鉆孔中，測量孔壁折射波或孔間透射波傳播時間和波形，探測巖體特征隨孔深變化的方法分類單孔測井：發(fā)射換能器和接收換能器同時放入一個鉆孔，測量折射波雙孔穿透法(雙孔法)：發(fā)射換能器和接收換能器分別放入兩個鉆孔，測量透射波單孔測井雙孔穿透法測量時，鉆孔中常充滿流動性的油類或水作為耦合劑8.5.3聲波換能器的選擇和換能器與介質(zhì)的耦合聲波換能器頻率選擇：巖體越大、越破碎和測距越遠(yuǎn)，發(fā)射傳感器的頻率應(yīng)選越低換能器與被測巖體(石)的耦合原因：換能器與被測巖面接觸時，有一層空氣隙。聲波在兩個界面上將產(chǎn)生反射而損耗能量，反射能量大小與界面兩邊波阻抗（ρc）有關(guān)，波阻抗差別越大，反射能量越大與換能器、巖石波阻抗相比，空氣波阻抗很小，波阻抗差別很大，因而聲波從換能器進(jìn)入空氣隙，又從空氣隙進(jìn)入巖體經(jīng)過兩道反射較強(qiáng)的界面，能量損耗很大耦合方法：將空氣隙填滿某種波阻抗與巖石和換能器差別不大的介質(zhì)，使聲波從換能器耦合到巖體中去耦合劑：實(shí)現(xiàn)耦合的介質(zhì)。常用的耦合劑是黃油和水一般試件測試和平面測試，常用黃油；孔中測試則灌滿水8.6聲波探測的應(yīng)用1．地質(zhì)分類2．圈定開挖造成的圍巖松馳帶3．測定巖體或巖石試件的力學(xué)參數(shù)4．工程巖體邊坡或地下硐室圍巖穩(wěn)定性的評價5．探測斷層、溶洞、裂隙的位置及規(guī)模6．定量研究巖體風(fēng)化殼的分帶7．開挖爆破及補(bǔ)強(qiáng)灌漿的質(zhì)量檢查8．劃分淺層地質(zhì)剖面及確定地下水面深度9．天然地震及大面積地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報

8.6.1聲波測井目的：作出地質(zhì)剖面，劃分巖層、確定巖性和含水層位置圈定構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育帶及軟弱層、巖溶發(fā)育位置對風(fēng)化殼及巖體完整程度做出定量評價探測原理

不同的巖層有不同的聲速，根據(jù)聲速作出地質(zhì)剖面，分析巖層的工程地質(zhì)探測方法—單孔高差同步法在充滿水或泥漿的同一孔內(nèi)放置發(fā)射換能器和接收換能器。兩者上下間保持一定距離，沿井壁同時上下移動，發(fā)射聲波，測量折射波，計(jì)算聲波傳播速度聲波測井柱狀圖

8.6.2地下巖層位置的探測利用聲波法的走時曲線，探測地下巖層的構(gòu)造形狀和位置最重要應(yīng)用之一兩種方法反射波法、折射波法

1.反射波法目的：探測巖層聲速v和巖層厚度h

工作過程：在T點(diǎn)發(fā)射聲波，同時在一系列測點(diǎn)x1、x2、……xn記錄下反射波到達(dá)的時間t做出時距曲線，求聲速v和厚度h計(jì)算原理：條件：在地表下有一水平反射層面AB

，地層1波速為v，波從界面反射到測點(diǎn)，其行走路徑為TCR，走時為t反射波時距曲線為反射波法工作方式和時距曲線反射波法計(jì)算方法計(jì)算方法利用各測點(diǎn)的記錄，作出t2與x2之間的曲線，即反射波走時曲線走時曲線的斜率為k=1／v2，截距為t0

2=4h2／v2利用走時曲線的斜率和截距求出巖層聲v和層厚h如果巖層界不是水平的，可用類似的方法求得時距曲線及層厚問題：T到R點(diǎn)有直達(dá)波存在，使反射波難于辨認(rèn)解決辦法：減少脈沖波持續(xù)時間利用折射波法2.折射波法目的：探測巖層聲速v1、v2和巖層厚度h

適用條件：只適用于下層巖石的波速v2比上層巖石波速v1大工作過程：T點(diǎn)發(fā)射聲波，同時在一系列測點(diǎn)x1、x2、……xn記錄下先達(dá)波(首先是直達(dá)波、后來折射波)到達(dá)的時間t做出時距曲線，求巖層聲速v和厚度h折射波法工作方式和時距曲線折射波法計(jì)算1計(jì)算原理直達(dá)波走時曲線

當(dāng)接收點(diǎn)小于臨界距離(即直達(dá)波與折射波同時到達(dá)的點(diǎn))時，先達(dá)波為直達(dá)波直達(dá)波走時曲線折射波盲區(qū)當(dāng)波入射角小于臨界角j時，在測線上，無法接收到折射波；當(dāng)以臨界角j入射時，有滑行波沿界面?zhèn)鞑?，開始產(chǎn)生折射波。開始產(chǎn)生折射波時，接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)之間的區(qū)域稱為折射波盲區(qū)盲區(qū)范圍折射波法計(jì)算2折射波走時曲線當(dāng)接收點(diǎn)大于臨界距離時，先達(dá)波為折射波折射波路程為(T—C—E—R)，走時t2為因?yàn)檎凵洳ㄗ邥r曲線折射波法計(jì)算3如果x＜xc則直達(dá)波先到達(dá)，反之，折射波先到達(dá)記錄先達(dá)波到達(dá)時間，在T-x坐標(biāo)上作圖，得兩條直線無需分辯波的類型，是折射波法重要持點(diǎn)臨界距離xc

指直達(dá)波與折射波同時到達(dá)的點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)的距離令t1=t2，可得臨界距離xc折射波走時曲線截距為折射波走時曲線斜率為直達(dá)波走時曲線的斜率為可求得巖層厚度h和v1、

v2K2=1／v2K1=1/v1折射波法小結(jié)可求得巖層厚度h和v1、

v2折射波走時曲線截距為折射波走時曲線斜率為直達(dá)波走時曲線的斜率為

8.6.3圍巖松動圈范圍的探測探測原理：地下工程開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力降低和升高區(qū)，形成松動（壓密）圈應(yīng)力降低區(qū)(松弛帶)：洞室圍巖中波速小于原巖波速的區(qū)域應(yīng)力增高區(qū)(壓密帶)：洞室圍巖中大于原巖波速值的區(qū)域探測方法—單孔高差同步法圍巖狀態(tài)與波速關(guān)系波速與孔深關(guān)系曲線一字型曲線說明巖體完整，洞室開挖后圍巖完整性和應(yīng)力沒有明顯的變化，圍巖沒有松弛(2)廠字型曲線說明圍巖表面有松動，有應(yīng)力降低區(qū)產(chǎn)生(3)衰減型曲線表明巖體完整堅(jiān)硬，圍巖無松弛帶，相反有應(yīng)力增高區(qū)出現(xiàn)

(4)峰值型曲線：說明圍巖表面出現(xiàn)松弛帶，應(yīng)力降低，而中部為應(yīng)力增高區(qū)，而后為原巖壓力區(qū)波速與原巖一致波速增加波速先低后高波速先低后平8.6.4巖體力學(xué)參數(shù)的測定(1)測定動彈性模量和泊松比

測出巖體中的縱、橫波速度，就可以算出巖體的動彈性模量和動泊松比(2)測定圍巖的準(zhǔn)抗壓和抗拉強(qiáng)度首先測出現(xiàn)場巖體彈性波波速Vp和室內(nèi)試塊的彈性波波速Vcp。然后，可按下式計(jì)算巖體的準(zhǔn)抗壓、抗拉強(qiáng)度8.6.5巖體節(jié)理裂隙發(fā)育探測完整性系數(shù)KR

裂隙系數(shù)LS常用完整性系數(shù)KR和裂隙系數(shù)LS來描述巖體的結(jié)構(gòu)特征注意：vep要在被測巖體附近小范圍內(nèi)，選擇節(jié)理不發(fā)育的完整巖體中測定，以保證vep與vp是在同樣應(yīng)力條件下測得的應(yīng)用—完整性分級8.6.6巖體中應(yīng)力和穩(wěn)定性的探測主應(yīng)力方向測量原理：巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)影響聲波特性具體做法：取某一點(diǎn)作為聲波發(fā)射點(diǎn)A；以發(fā)射點(diǎn)為圓心，在圓周不同方向布置接收點(diǎn)Ⅱ~Ⅶ，測定發(fā)射點(diǎn)至各接收點(diǎn)的波速，并按極坐標(biāo)繪出聲速橢圓。橢圓長軸方向就是主應(yīng)力方向8.6.6巖體中應(yīng)力和穩(wěn)定性的探測圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測原理：地下圍巖發(fā)生坍塌前必然伴隨著應(yīng)力的變化，從而引起聲速的變換巖體破壞前出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象方法：對聲速和聲發(fā)射進(jìn)行長期觀測，測量其隨時間的變化用來評價峒室和采空區(qū)的穩(wěn)定性，預(yù)報坍塌的可能性8.6.7巖體溶洞、裂縫探測原理聲波遇到張開的裂隙或巖洞等缺陷時，將產(chǎn)生反射、散射與繞射，其聲學(xué)參數(shù)將發(fā)生聲波變化特點(diǎn)

波速的變化

聲波繞過或穿過缺陷，走時延長，計(jì)算波速降低接收波振幅的變化

聲波能量經(jīng)缺陷反射、吸收后能量減小，接收波振幅明顯降低接收波主頻率的變化

缺陷對聲脈沖波中高頻成份衰減較一般巖體更劇烈，接收波頻率下降更明顯接收波波形的變化

接收波第一、二周期可能會出現(xiàn)波形畸變，一般接收波形包絡(luò)線呈半圓形，有缺陷時包絡(luò)線呈喇叭形巖溶洞、裂縫探測實(shí)例圖1巖體溶洞測量探測方法—透射法假設(shè)條件可近似地認(rèn)為波是繞射過溶洞周邊，到達(dá)接收換能器溶洞為近似圓形的繞射波的走時為先用反射法確定l再由上式確定r2裂縫探測測量方法—平測法換能器T、R分置于裂縫兩側(cè)，從T發(fā)射的聲波由于裂縫的反射，不能直接到達(dá)接收換能器R，發(fā)生繞射，記錄繞射波經(jīng)A點(diǎn)繞過裂縫到達(dá)R的傳播時間t繞射波時距曲線利用各測點(diǎn)的記錄，作出t2與(x-x0)2之間的曲線(繞射波走時曲線)走時曲線的斜率為1／v2，在裂縫x=x0處有t02=(2h2+x02)／v2利用走時曲線的斜率和x=x0處t0值，求出巖層聲速v和裂縫深度h8.6.8巖體工程地質(zhì)分類巖體工程地質(zhì)分類方法：用聲波法測得巖體力學(xué)參數(shù)(如彈模，強(qiáng)度、裂隙系數(shù)等)指標(biāo)和巖體構(gòu)造后再結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造情況、工程類型(邊坡、地基、地下隧道)和施工方法（如爆破、鉆孔、機(jī)械開挖）等，對巖體進(jìn)行分類8.6.9其它應(yīng)用方面用于解決與峒室穩(wěn)定性有關(guān)的其它問題如噴錨支護(hù)的效果和噴錨支護(hù)參數(shù)的測量用于施工質(zhì)量檢測如注漿效果、混凝土澆灌質(zhì)量、混凝土和噴射混凝上的強(qiáng)度研究凍結(jié)井施工中凍土墻的形成情況地震預(yù)報8.7巖石聲發(fā)射技術(shù)聲發(fā)射(AcousticEmission簡稱AE)

固體材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件在力作用下發(fā)生變形或斷裂時，會以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象聲發(fā)射技術(shù)利用聲發(fā)射信號推測聲發(fā)射機(jī)理及傳播介質(zhì)特征的技術(shù)它屬于聲學(xué)無損檢測技術(shù)8.7.1聲發(fā)射技術(shù)原理巖石聲發(fā)射機(jī)理當(dāng)巖石受力變形時，巖石小裂紋周圍應(yīng)力集中，應(yīng)變能較高，隨外力增加，裂紋擴(kuò)展，從而貯存的一部份能量以聲波形式釋放聲發(fā)射與巖石內(nèi)部原始裂紋的閉合和非均勻狀態(tài)的調(diào)整有關(guān)巖石的聲發(fā)射共同特點(diǎn)：

(1)低應(yīng)力狀態(tài)下，聲發(fā)射活動低

(2)隨應(yīng)力增加，若巖石仍表觀為彈性，聲發(fā)射活動仍然低

(3)巖石開始進(jìn)入破裂階段，聲發(fā)射急劇增加，直至巖石破裂

(4)凱塞效應(yīng)巖石在反復(fù)載加時，當(dāng)?shù)诙渭虞d不越過第一次加載水平時，聲發(fā)射很少或不存在；只有當(dāng)加載水平超過以前該巖石曾經(jīng)受過的最大應(yīng)力水平后，聲發(fā)射才大量出現(xiàn)利用凱塞效應(yīng)測量“記憶”在巖石中的構(gòu)造應(yīng)力，是聲發(fā)射技術(shù)重要應(yīng)用方面之一方法特征和應(yīng)用方法特征聲發(fā)射信號源自材料缺陷本身，屬被動檢測Passivesurveys缺陷的大小和性質(zhì)以及所處位置和應(yīng)力狀態(tài)的不同，聲發(fā)射特征也有差別，故能利用聲發(fā)射信號，實(shí)時監(jiān)測缺陷的發(fā)