第七章_岩体声波测试概述

岩体爆破效应的声波探测李晓杰　曲艳东　闫鸿浩　王金相　张越举大连理工大学工程力学系工业装备与结构分析国家重点实验室(大连,116023)[摘　要]　岩体爆破效应的声波探测是通过检测声波在爆破前后的岩体中的声学参数(声波波速、衰减系数、波形、频率、振幅等)的变化,间接地分析岩体内结构状态、力学参量以及爆破震伤程度等的一种测试技术。

探测的结果不仅可以测定岩体的物理、力学特性,而且能定量地判断出爆破前后岩体的变化状态,为爆破设计提供依据,并能正确评价爆破效果。

文章描述声波探测法基本原理,岩石特性对声波波速的影响,岩体爆炸破坏的判断依据,对今后的声波测试技术深入研究提出了一些建议,并展望了在今后工程中的应用前景。

[关键词]　声波探测　弹性波　衰减系数　频率[分类号]　T U459.3　T B5231　引言50年代初,国外开发了声波法,60年代,美、日、欧已经广泛研究应用。

60年代末70年代初我国开始研究应用声波探测技术[1]。

经过几十年的努力,声波探测技术无论硬件还是软件都有了长足的发展,其应用范围也进一步拓宽。

与静力学方法相比,其具有简便、快捷、可靠、经济及无破损等特点[2]。

传统的声波探测技术主要是通过探测声波参数,结合地质因素进行工程岩体的分级[3],探测确定地下工程洞室围岩松弛带的范围[4,5],评定围堰稳定性[6]以及进行地质剖面划分和风化界限确定[7],划分岩体爆破破坏范围[8],岩石和岩体物理力学性质测定和推算[9,10],岩体内缺陷如构造断裂、岩溶洞穴、软弱夹层位置及规模的探测确定,地基和岩体加固效果的检测[11]等。

随着声波探测仪器性能和技术指标的不断完善,现在声波探测技术已由传统的声波探测技术向岩体——构件声波探测技术全方位发展,如利用声波探测技术了解岩石的各向异性,对寻找剩油有重要参考价值[12];利用声波时差还可预测岩石可钻性[13]。

本文主要介绍声波探测法基本原理,岩石特性对声波波速的影响,岩体爆炸破坏的判断依据,以及声波探测的不足之处,并展望了声波测试技术在今后工程中的应用前景。

岩体声波检测规范要求1. 引言岩体声波检测是一种重要的地质勘探技术，通过在岩石中传播和反射的声波信号来研究岩石的物理性质。

在进行岩体声波检测时，需要遵循一定的规范要求，以保证测试结果的准确性和可靠性。

2. 仪器设备要求2.1. 声波发射装置- 使用频率范围应符合实验需要，常用的频率范围为2-8kHz。

- 发射装置应能够提供稳定和可调节的声波能量。

- 发射装置要求具备可靠的工作状态指示和故障报警功能。

2.2. 声波接收装置 - 接收装置应能够接受和记录来自岩石中传播的声波信号。

- 接收装置要求具备高灵敏度和低噪声。

- 接收装置需要具备可靠的信号处理和放大功能。

2.3. 数据记录设备 - 数据记录设备应能够记录和存储声波检测过程中的数据。

- 数据记录设备要求具备较大的存储容量和高速的数据传输能力。

- 数据记录设备需要支持数据导出和后期数据处理。

3. 实验前准备3.1. 选择检测点位 - 检测点位应具备代表性，能够全面反映岩石的物理性质。

- 检测点位之间的距离应合理分布，以提高测试的覆盖范围。

3.2. 准备岩石样品 - 准备代表性的岩石样品，确保样本的一致性和可靠性。

- 样品表面应光滑平整，无裂纹和空洞。

3.3. 环境条件控制 - 声波检测需要在室温条件下进行，避免温度对实验结果的影响。

- 避免强烈的电磁干扰和噪声干扰。

4. 实验过程4.1. 声波发射 - 将声波发射装置放置在合适的位置。

- 调节合适的发射频率和声波能量。

- 确保发射过程中没有异常情况发生。

4.2. 声波接收 - 将声波接收装置放置在试样的合适位置。

- 确保接收装置的位置稳定，避免任何干扰。

- 接收装置的方向和角度需要与声波传播方向垂直。

4.3. 数据记录和分析 - 启动数据记录设备，开始记录声波检测过程中的数据。

- 确保数据记录设备正常运行，数据记录稳定。

- 对记录的声波数据进行分析和处理，得出有关岩石物性的参数。

工程地质知识：岩块声波速度测试进行步骤
（1）选用换能器的发射频率，应满足下列公式要求：（2）测定纵波速度时，耦合剂宜采用凡士林或黄油。

测定横波速
度时，耦合剂宜采用铝箔或铜箔。

（3）可采用直透法或平透法布置换能器，并应量测两换能器中心的距离。

（4）对非受力状态下的测试，应将试件置于测试架上，对换能器
施加约 0.05MPa的压力，测读纵波或横波在试件中行走的时间。

对受力状态下的测试，宜与单轴压缩变形试验同时进行。

（5）测试结束后，应测定超声波在标准有机玻璃棒中的传播时间，绘制时距曲线并确定仪器系统的零延时，或将发射、接收换能器对接，测读零延时。

岩体声波测试技术LT大距离检测岩体完整性锤击震源0.5－5.0 1－50 跨孔检测岩体溶洞、软弱结构面电火花震源0.5－8.0 1－50 岩体松动范围、风化壳划分评价超声换能器20－50 0.5－10 岩体灌浆补强效果检测超声换能器20－50 1－10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20-50/0.5-50.5－10/1-502声波传播基本理论2.1声波基础知识2.1.1声波概念发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。

声波借助各种介质向四面八方传播。

声波是频率在20~20000Hz范围内的振动波，低于20Hz为次声波，高于20000Hz为超声波。

2.1.2声波的种类无限介质中的波存在两种波：纵波，横波。

纵波的质点振动方与波传播方向相平行，横波的质点振动方与波传播方向相垂直。

声波是一种纵波，是弹性介质中传播着的压力振动。

但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波。

2.2声波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。

2.2.1无限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：()()()μμμρ2111-+-⨯=EＰＶ （1）无限体横波的声波传播速度：)1(21μρρ+⨯==EGＳＶ （2）式中 Ｅ――弹性模量（Pa ）Ｇ――剪切模量（Pa ） μ――泊松比（无量纲） ρ――质量密度（kg/m 3） 2.2.2有限固体介质中的声速2.2.2.1一维杆的声速(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。

岩土工程：岩石课程第一章岩石概述1、岩体：结构面和结构体的组合；岩块：不含结构面的结构体。

由于岩块相对完整，因此可以近似作为一种均质材料，即具有连续性、均匀性、各向同性。

岩体包含了结构面，不是一种均质材料，其基本属性是非连续、非均质、各向异性。

另外，岩体赋存于地应力和地下水环境中，这也是岩体不同于一般材料的重要特征。

2、岩体基本力学性质是岩体在简单载荷条件下的变形、强度和破坏特性，所谓简单载荷条件指的是单轴压缩或拉伸、剪切以及等围压下的压缩加载。

3、描述岩体变形特征的力学参数主要有弹性模量和泊松比，其分别表示在轴向应力作用下的轴向变形响应和横向变形响应。

描述岩体强度特征的力学参数有单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三轴抗压强度和抗剪强度，通常用黏聚力c和磨擦角￠表达剪切强度参数。

由于工程岩体强度较高，岩体的破坏形式主要为拉破坏和剪破坏，因此抗拉强度和剪切强度是测试的重点。

由于结构面的存在，工程岩体的破坏在很多情况下表现为沿软弱结构面的剪切破坏，因此对结构面的剪切强度的测试又是研究工作的重点。

4、对岩体的物理化学作用包括风化、软化、泥化、崩解、膨胀和溶蚀等。

5、岩石的坚硬程度分类。

岩石的坚硬程度是岩体最基本的性质之一，表征为岩石在外部载荷作用下，抵抗变形直至破坏的能力，它与岩石的矿物成分、结构、致密程度、风化程度以及软化程度有关。

标确定。

第二章岩石物理性质试验1、岩石物理性质是指岩石固有的物质组成和结构特征所决定的基本物理属性，包括含水率、吸水率、颗粒密度、块体密度、膨胀性、耐崩解性和抗冻性等。

2、对于不同岩性的岩石试件，每次称量的烘干温度也不同，不含结晶水矿物岩石试件在105~110℃恒温下烘24h；对于含结晶水矿物的岩石试件，国际材料试验研究协会规定干燥温度不应超过40℃。

3、岩石饱和吸水率是试件在强制饱和状态下的最大吸水量与试件固有质量的比值，以百分数表示。

一般采用煮沸或真空抽气法测定。

饱和吸水率反映岩石内部的张开型孔隙和裂隙的发育程度，对岩石的抗冻性和抗风化能力有较大影响。