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巖體聲波檢測方法

一、巖體聲波檢測技術(shù)的進展

       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，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

     實踐證實，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) 巖體灌漿補強 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)化殼進行單孔一發(fā)雙收聲波測井檢測的實例加以說明，見圖16。從中可以看到：

（1）劇強風(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，說明灌漿范圍已達觀測孔的孔壁，證實了注漿效果。 

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)律的隨機性極強，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例。

巖體聲波檢測的信號理

我國的聲波檢測儀已普遍實現(xiàn)數(shù)字化，先于國際。數(shù)字化的實現(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. 多點平滑濾點。將數(shù)字序列中的第i點信號(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)字信號序列逐點依依相加，使波幅增強，以便提高信噪比，消除隨機噪音。

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＃縫貫通，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向下測試，各測點的波列排列如圖25，其特點是聲時逐點加長，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，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。聲波檢測可以細致的提供巖體的裂隙發(fā)育和裂隙的細微的分布，指導(dǎo)了巖體錨固的正確施工，是其他物探方法無法實現(xiàn)的。