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巖體聲波檢測方法

一、巖體聲波檢測技術(shù)的進(jìn)展

       我國巖體聲波檢測技術(shù)應(yīng)用研究，是在上世紀(jì)六十年代中期開始的。它的起步借鑒了金屬超聲檢測和水聲探測技術(shù)，從儀器研發(fā)、換能器的仿制到研制，現(xiàn)場原位檢測及室內(nèi)試件測試方法研究，經(jīng)歷了六十個春秋，是在一代科技工作者多學(xué)科群體的努力下完成的；

       到今天，檢測儀器由第一代電子管式、第二代晶體管式、第三代小規(guī)模集成電路式，發(fā)展到今天的第四代，即由聲波發(fā)射電路、大規(guī)模集成電路的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機(jī)嵌入式主板、操作系統(tǒng)軟件、信號分析處理軟件等組成，成為具有一定智能分析功能的聲波檢測分析儀，換能器多達(dá)十余個品種；

       由縱波測試應(yīng)用發(fā)展到橫波測試；由聲學(xué)參量聲時的應(yīng)用，發(fā)展到波幅、頻率的應(yīng)用。

       目前，聲波檢測技術(shù)納入了不同行業(yè)的多個規(guī)程、規(guī)范，說明該項技術(shù)的發(fā)展成熟程度。

二、巖體聲波的檢測方法

     由檢測對象和目的有不同的聲波檢測方法。大類分為：

一、透射法

      透射法是發(fā)射換能器發(fā)射的聲波，經(jīng)被測巖體（或巖石）傳播后，由接收換能器接收的各種測試方法。

   1.對測法

     工程場地的巖體如需檢測內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷、完整性、力學(xué)性能，而又有外露的兩個檢測面，可采用對測法，如圖1。對測法多用于巖石試塊、地下洞室、隧道、金屬礦山的礦柱等的縱波聲速測試。巖石樣品的橫波聲速測試方法見圖2，橫波測試要用橫波換能器，采用多層平整的鋁箔進(jìn)行橫波的耦合。

     巖石試件的測試使用對測法。用縱波換能器測取縱波聲速；用橫波換能器測取橫波聲速，橫波測試不可使用黃油、凡士林一類耦合劑，應(yīng)使用多層平整的鋁箔來耦合，才能使發(fā)射換能器的橫波傳入巖石，再由巖石傳給接收換能器。

   2.平測法

       當(dāng)只有一個檢測面時，如隧道邊墻、邊坡、待澆鑄混凝土的壩基巖體表面等，可采用平面測試法，如圖3。但是，圖3的測試存在一個問題，即換能器的間距是邊到邊的距離L1？還是換能器軸線間的距離L2？實(shí)際兩者都不是，而是L2與L1之間的距離。在并不需要測試的情況下，考慮到換能器輻射面的直徑在40mm左右,平測法的測距一般又約500mm左右，筆者認(rèn)為對于非勻質(zhì)的巖體取哪一個距離，問題都不大，也就是帶來一點(diǎn)系統(tǒng)誤差而已，不必過于計較，但距離的選測方法要統(tǒng)一。

  3.時距曲線法測縱波聲速

     如果我們一定要測量巖體聲速，可用圖4所示的時距測試法。發(fā)射換能器T固定不動，接收換能器R 依次移動距離L，測量三到五個點(diǎn)，通過二元線性回歸，如圖4取△L及△t可計算出聲速：

    上述計算可由二元線性回歸，直接計算出聲速。

    4.時距曲線法測橫波聲速

       測試方法如圖5，它是利用朗芝萬換能器T的徑向振動，在巖體表面產(chǎn)生向側(cè)面?zhèn)鞑サ目v波，而換能器軸向振動在巖體表面產(chǎn)生向側(cè)面?zhèn)鞑サ臋M波。當(dāng)發(fā)收距拉大到一定距離后，縱波與橫波開始分離，如圖中的接收換能器R6 ，不僅觀測到橫波還看到面波。圖5是在混凝土模型上測試的結(jié)果，可見，縱波同相軸PP，的斜率計算的縱波聲速VP ＝4500m/s 、橫波的同相軸SS，的斜率計算算的橫波聲速VS =2670m/s、面波的同相軸RR，的斜率計算的面波聲速VR＝2460m/s。說明時距曲線法測量橫波聲速是有效的。

  5.錘擊大距離測試

     實(shí)踐證實(shí)，聲波檢測即便使用10kHz換能器用于巖體表面平測法，其測試距離也是很有限的，特別是裂隙發(fā)育的巖體。于是興起采用錘擊作振源，用壓電換能器和聲波儀接收采集信號，如圖6其測試距離L可達(dá)1m—50m。

下面給出一個用錘擊測試隧道洞壁巖體聲速的工程檢測實(shí)例，如圖7（引自工程兵某部的研究報告）。由圖中可見縱波聲速的變化與地質(zhì)剖面中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)描述有著較好的對應(yīng)關(guān)系；同樣巖體完整性系數(shù)KV 也能反映巖體的構(gòu)造是否發(fā)育。

二、跨孔測試法

       跨孔測試法，是在兩個相距一定距離的鉆孔中，分別放入發(fā)射振源（可以是發(fā)射換能器、電火花振源、錘擊振源）和接收換能器（或檢波器）如圖8。具體方法有等高同步提升測試法，見圖8(a)；斜測法如圖8(b)及扇面測試法如圖8(c)。 

       跨孔測試用于勘查深部巖體破碎帶、巖溶、滑坡的滑帶(床)的發(fā)育程度、埋深、規(guī)模，用于評價巖體的穩(wěn)定性，和尋求與制訂施工設(shè)計或治理方案。扇面測試可以用陰影法確定軟弱構(gòu)造的部位、規(guī)模；當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，扇面測試已用于聲波層析成像測試(CT)的數(shù)據(jù)采集方式，從而可以探明巖體的結(jié)構(gòu)、覆蓋層下灰?guī)r的起伏和溶洞的分布，提供直觀的二維地質(zhì)剖面圖像。

  1.等高同步法——劃分地層

     圖9是跨孔聲波透射等高同步測試法對第四系地層的檢測結(jié)果。從中可見上部及下部的輕亞黏土聲時約3ms左右，中間的淤泥質(zhì)黏土聲時長達(dá)4.5ms 可以明確的加以劃分。此外，對1.0—5.5m地質(zhì)取芯將輕亞黏土誤劃分為淤泥質(zhì)亞黏土進(jìn)行了修正，其他部位的檢測結(jié)果基本與鉆孔取芯的地質(zhì)劃分一致，但聲波的劃分要更加細(xì)致。

     斜測法多用于檢測水平層的異常體，使用較少。

2.斜測法多用于檢測水平層的異常體，使用較少。

   斜測法多用于檢測水平層的異常體，在樁基聲波透射法中使用較多，常和等高同步。但需要測試時注意，每次測試深度的一致性，否則容易產(chǎn)生測試結(jié)果的誤判甚至錯判。

3.扇面測試法聲波層析成像

   測試方法如圖11所示的扇面測試觀測系統(tǒng)，即先固定一點(diǎn)發(fā)射，依次如T1、T2、T3……Tn，在另一鉆孔的R1、R2、R3……Rn依次接收，即可測取n×n組聲時值，然后將這些聲時值由聲波層析成像軟件處理（詳見第十一章  聲波CT技術(shù)）即獲取圖12（a）二維成像圖，從該圖作出的地質(zhì)解釋如圖12（b），可見第四系地層下的基巖起伏，以及溶洞分布。

三、地面 —— 孔中測井

       在地面的鉆孔旁，用大錘敲擊地面上的墊板，孔中用三分量檢波器(或壓電換能器)接收，可以測取地層的縱波聲速；在孔旁墊厚的木板，木板上壓重物W，再分別敲擊木板兩端，使木板在地表上挫動以激勵橫波，測取接收到的波形見圖13虛線圓圈內(nèi)的兩組波形，它們的相位互差1800，反映的是兩次不同方向敲擊木板激振的接收橫波波形。這是目前測取地層橫波聲速有效而簡單的方法。當(dāng)?shù)貙拥目v、橫波聲速均測取后，即可用于計算地層動力學(xué)參數(shù)彈性模量E、剪切模量G、泊松比。也可從由孔口至孔底各個測點(diǎn)縱波或橫波聲速來劃分地層的水平向的速度分層，或彈性力學(xué)參數(shù)的分層；也可以對滑坡體進(jìn)行檢測，掌握滑床(帶)部位、物理性狀。

四、折射法-單孔一發(fā)雙收聲波測井

       圖14是一發(fā)雙收換能器外形圖片。圖15是一發(fā)雙收換能器原理圖，其中發(fā)射換能器T近似是一個點(diǎn)振源，故總有一條聲線滿足以第一臨界角入射至孔壁，這時折射入巖體聲波折射角為90°，于是聲波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R1及相距為L+△L的R2接收，其聲時分別為t1及t2。聲速VP 有     

1. 單孔一發(fā)雙收聲波測井用于：

(1) 巖體風(fēng)化殼風(fēng)化程度的劃分和強(qiáng)度評價；

(2) 深部地層的構(gòu)造、軟弱結(jié)構(gòu)面、破碎帶的埋深及發(fā)育勘查；

(3) 巖體灌漿補(bǔ)強(qiáng) 效果的檢驗等。

                                                                       

一發(fā)雙收聲波測井必須注意的問題：

      一發(fā)雙收聲波測井接收換能器R1，在接收到沿孔壁滑行折射波的同時，還能接收到由井液中直接傳播的聲波。因此，必須保證滑行波的走時t1小于井液中傳播的聲時t w，才能保證正確的測試。由于巖體的聲速大于井液的聲速，所以，只要加大發(fā)射換能器與接收換能器R1之間的距離L(L稱源距)即可達(dá)此目的。通過計算可計算出小的源距Lmin有下列關(guān)系：

式中   D――鉆孔直徑

d――換能器外徑

Cw――井液聲速

Cm――巖體縱波聲速的低值。

說明：當(dāng)一發(fā)雙收換能器的直徑及源距確定后，它能正確進(jìn)行測試的鉆孔孔徑也就限制在一定范圍之內(nèi)。因此，萬不能拿到一個一發(fā)雙收換能器，在任何孔徑的鉆孔中測試，應(yīng)按上式核算一下孔徑是否適應(yīng)

應(yīng)用實(shí)例——巖體風(fēng)化層劃分、評價

以長江三峽水利樞紐，三斗坪壩線對花崗巖風(fēng)化殼進(jìn)行單孔一發(fā)雙收聲波測井檢測的實(shí)例加以說明，見圖16。從中可以看到：

（1）劇強(qiáng)風(fēng)化層聲速波動激烈，平均聲速在3000m/s反映了巖體由于裂隙極其發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，造成聲速波動，且聲速較低；

（2）弱風(fēng)化層的聲速波動，但不太激烈，平均聲速4500m/s反映風(fēng)化不太嚴(yán)重；

（3）微風(fēng)化層聲速略為有小的波動，平均聲速5800m/s。從中可見單孔一發(fā)雙收聲波測，劃分巖體風(fēng)化層是很為有效的。

水電工程、大型工程等對工程場地巖體風(fēng)化殼的劃分評價，合理的決定巖體開挖深度有著巨大經(jīng)經(jīng)濟(jì)與社會效益。

此外，在圖15中還可以看到檢測出了巖體構(gòu)造帶，由于裂隙密集，引起聲速下降且波動。

應(yīng)用實(shí)例——施工質(zhì)量的檢測

當(dāng)工程場地巖體破碎，又無法避開不用；或?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害體的碎裂部位，往往要采用打孔注漿來提供巖體的整體穩(wěn)定性。圖17①是采用單孔一發(fā)雙收聲波測井在巖體灌漿前后，對觀測孔進(jìn)行測試的對比結(jié)果。

由圖中的時差-孔深曲線可見，在注漿28d后，接收2與接收1的時差△t提高了14% 到2%，說明注漿后提高了巖體的聲速。要知道單孔測試只能檢測到沿孔壁一個波長范圍的聲速，上述聲速的提高，說明灌漿范圍已達(dá)觀測孔的孔壁，證實(shí)了注漿效果。 

順便提及，注漿效果采用跨孔法檢測效果還會好，但需多打一個孔

五、反射波法

       巖體結(jié)構(gòu)的非均勻性，比混凝土要嚴(yán)重的多。巖體中的結(jié)理、層理、裂隙、巖脈分布規(guī)律的隨機(jī)性極強(qiáng)，它們將巖體切割成不連續(xù)體，在一定范圍內(nèi)存在若干反射界面，造成高頻聲波的穿透困難，故反射法在巖體中的應(yīng)用推遲到上世紀(jì)的九十年代初期，才有試驗的結(jié)果，所用的激振頻率應(yīng)當(dāng)很低（頻率約數(shù)百到數(shù)千赫茲），激振能量應(yīng)很大，采用錘擊振源。成功的試驗記錄見圖18（引自鐵道科學(xué)研究院鐵建所鐘世航科研報告）。由圖中可見：由多道反射波記錄同相軸預(yù)報的溶洞，與開挖后觀察的結(jié)果的一致性較好

六、巖體“管波”勘探

      巖體充水的裸眼孔中，激勵縱波，將在巖體孔壁由折射的PP波、PS波合成偽瑞利波R’（Stoncly wave）如圖19。該偽瑞雷波的有效范圍在一個波長范圍,如圖19。又可稱其為管波。管波有一個重要特性，頻率在30kHz以下，其傳播速度是孔中液體的0.9—1.0倍，且衰減很小。其測試方法如圖20，發(fā)射換能器T與接收換能器R由孔口按一定測點(diǎn)間距同步下移，測取存儲全部波列。顯然，在管波有效范圍內(nèi)如存在波阻抗界面，將產(chǎn)生反射，如圖21。

                                                      

       管波測試如圖22，可見不僅對巖溶發(fā)育帶有明顯的反射同相軸，孔底和土層與基巖的界面也有反射同相軸。先開拓管波測試應(yīng)用的是廣東地質(zhì)物探工程勘查院（饒其榮、李學(xué)文）于2005年完成的科研任務(wù)，主要是為了探明地質(zhì)覆蓋層下基巖勘探孔旁的不良地質(zhì)體（溶洞、裂隙發(fā)育帶），選擇基樁持力層，圖23是引用們的研究報告實(shí)例。

巖體聲波檢測的信號理

我國的聲波檢測儀已普遍實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，先于國際。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，信號處理也就提到議事日程。目前，在下面幾個方面應(yīng)用了信號處理，并開發(fā)相應(yīng)信號處理軟件供檢測應(yīng)用。

1. 為研究應(yīng)用聲波信號的頻率特性，F(xiàn)FT頻譜分析普遍用于聲波檢測，均備有FFT軟件供用戶使用；

2. 高、低、通數(shù)字濾波軟件，用于濾除不同的干擾信號；

3. 多點(diǎn)平滑濾點(diǎn)。將數(shù)字序列中的第i點(diǎn)信號(i=0、1、2、3、……N)與相鄰的i+n個信號幅度相加除以i+n的值做為i點(diǎn)的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

4. 疊加處理。將n次(n任選)發(fā)射、接收到數(shù)字信號序列逐點(diǎn)依依相加，使波幅增強(qiáng)，以便提高信噪比，消除隨機(jī)噪音。

上述信號處理軟件，多已裝入儀器，可以方便地調(diào)用。

重大特殊工程聲波檢測實(shí)例  長江三峽鏈子崖隱伏裂縫的聲波檢測

長江西陵峽鏈子崖危巖體存在12組50余條裂縫，出露寬約2m，深不可測。其中8＃及9＃裂縫，北端隱伏于覆蓋層下，是否延伸與12?？p貫通，成為查明巖體結(jié)構(gòu)、確定巖崩方量和制定治理方案的關(guān)鍵。為此，在上述裂縫延伸關(guān)鍵部位，布兩鉆孔，孔距21m，深150m，孔內(nèi)無水。由原地質(zhì)礦產(chǎn)部方法技術(shù)研究所（吳慶曾、展建設(shè)）采用跨孔聲波測試如圖24，用以查明裂縫的延伸及傾向。

現(xiàn)場測試采取由孔口逐點(diǎn)向下測試，各測點(diǎn)的波列排列如圖25，其特點(diǎn)是聲時逐點(diǎn)加長，至17m后不再接收到有效信號。推理：覆蓋層下巖體存在裂縫，聲波系由上部覆蓋層繞射。后經(jīng)室內(nèi)模型試驗證實(shí)，上述結(jié)論正確。從而為鏈子崖的治理，提供依據(jù)，受到好評。

危巖錨固鉆孔內(nèi)裂縫及裂縫密集帶聲波檢測

長江三峽鏈子崖五萬方危巖體防治工程，采用錨索加固處理，錨固孔30 — 40m不等，深達(dá)64.2m。危巖體主要以棲霞灰?guī)r為主，裂隙發(fā)育且為張性，局部成破碎軟弱帶。錨固施工需掌握上述裂縫和（ρ1q）軟弱結(jié)構(gòu)面在錨固孔中的位置，分布及幾何尺寸。原地質(zhì)礦產(chǎn)部技術(shù)方法研究(展建設(shè)、曹修定)所承擔(dān)此項特種檢測任務(wù)，研制一發(fā)一收干耦合換能器，在不能存留井液的水平干孔中，完成了共2670m的測試，指導(dǎo)了錨固施工。圖26是其中三個鉆孔的聲速—孔深曲線，其中視聲速低于1000m/s(圖中粗實(shí)線部份)的低速孔段均為裂隙及裂隙密集帶。聲波檢測可以細(xì)致的提供巖體的裂隙發(fā)育和裂隙的細(xì)微的分布，指導(dǎo)了巖體錨固的正確施工，是其他物探方法無法實(shí)現(xiàn)的。