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1、地下工程监测与检测技术地下工程监测与检测技术第五章 地下工程中的声波测试技术人民交通出版社声波测试技术声波测试技术在围岩测试中的应用声波测试技术在地下混凝土结构质量评价中的应用传感器的选择和标定内容提要 声波测试技术是研究人工激发或者岩石断裂产生的声波在岩体内的传播规律，并据此判断岩体内部结构状态、应力大小、弹性参量及其他物理性质等岩体力学指标的一种工程测试方法。 声波测试属于无损检测的范畴，近年来，在建筑、水电、采矿、冶金、铁道等工程中得到广泛应用，成为工程测试的重要手段之一。 第一节第一节 声波测试技术声波测试技术一.声波测试的基本原理1. 波的概述 波是介质质点离开平衡位置的一种扰动，这
2、种扰动随时间从空间的一个区域传播到另一个区域。在传播过程中没有物质的传输，也就是说无论波在介质中传播得多远，介质质点仅能围绕其平衡位置在一个非常小的空间内振动或转动。波在传播中的速度称为波速度。 根据声波的振动方向与波传播方向的关系，可把声波分为纵波和横波。若质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称为压缩波。若质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。在气体和液体中的声波只能是纵波，而在固体中声波即有纵波又有横波。岩体属于固体，故在岩体中声波的传播，即包括纵波又包括横波的传播。2.声波测试基本原理声波测试的基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波，这种
3、弹性波在材料和结构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接收和记录下来的波动信号来确定岩土介质和结构的力学特性，了解它们的内部缺陷。称为波速度。岩土体中往往包含有各种层面、节理和裂隙等结构面，岩体中的这些结构面在动荷载作用下产生变形，对波动过程产生一系列的影响，如反射、折射、绕射和散射等。这样，岩土体界面起着消耗能量和改变波的传播途径的作用，并导致波的非均质性及各向异性。因此，岩土体结构影响着岩土体中弹性波的传播过程，也就是说岩土体弹性波的波动特性反映了其结构特征，所以，弹性波探测技术已成为工程岩土体研究中一项有效而简便可靠的手段。二.测试仪器及使用 声波测试仪主要由发射系统、接受系统和微机组
4、成。发射系统包括发射机和发射换能器，接收系统包括接收机和接收换能器，微机主要用于用数据记录和处理搜索。发射机是将由声源讯号发生器产生一定频率的电脉冲，放大后由发射换能器转换成声波，并向岩体辐射的设备。 发射换能器将一定频率的电脉冲加到发射换能器的压电晶片时，晶片在其法向或径向产生机械震动，从而产生声波。发射换能器和接收换能器可以实现声波和电能的相互转换。 接收机将接收到的电脉冲进行放大，并将声波波形显示在荧光屏上，通过调整游标电位器，可在数码显示器上显示波至时间，若将接收机与微机连接，则可对声波讯号进行数据处理。1. SYC-2C型非金属超声测试仪SYC-2C型非金属超声测试仪由接收机和发射机
5、两部分组成。该仪器轻便、快速、环境干扰小。可供研究人员在实验室进行岩样的研究或地震模拟实验；研究洞室的节理、裂隙发育情况，确定洞室开挖松弛的范围；进行岩体强度分级；测算出岩体动弹性力学参数；进行地应力的测量，长期观测进行地震预报。2. CTS-25型非金属超声波检测仪该仪器主要用于混凝土的无损检测，通过混凝土声速和混凝土抗压强度的关系，可以估计其强度； 通过对混凝土的声速、衰减和波形的测量，可以检查混凝土结构内部的孔洞，裂缝及其他缺陷的位置等。该仪器还可用于对木材、塑料、橡胶、石墨、碳素纤维、陶瓷、岩石等材料的性能测量。 该仪器具有波形显示和数字显示装置，便于观察波形和进行声速测量，仪器本身有
6、80dB的衰减器，可以测量材料的衰减。3. UVM-2型声波仪日产的UVM-2型声波仪是通过声循环法进行延时测定，检测时不受试样中多重反射波的影响，能迅速准确地测定材料的声速、弹性模量等参数。测量精度较高，与我国现有的国产SYS型系列岩石声波探测仪相比，具有延时测量精度高的优点。 该仪器具有波形显示和数字显示装置，便于观察波形和进行声速测量，仪器本身有80dB的衰减器，可以测量材料的衰减。三.测试方法 1. 直达波法 1）表面直达波法 将发、收换能器布置在被测物表面的声波测试方法称为直达波测试法，当发、收换能器布置在同一平面内时称为平透直达波法，当换能器不在同一平面内设置时称为直透直达波法。平
7、透直达波法测试时，收、发射换能器之间的距离应小于折射波首波盲区半径，如图1。室内岩石试件的声学参数测试不论加载与否，均应采用直透直达波法，如图2。在野外或井下工程测试中，一般利用巷道之间的岩柱或工程的某些突出部位在非同一平面相对设置收、发换能器，如图3。图1平透直达波法测试图 2直透直达波测试 3工程岩体直达波测试图F-发射换能器；S-接收换能器1-巷道；2-岩体 2）孔中直达波法将发射和接收换能器分别置于两个或两个以上钻孔中进行直达波测试的方法称为孔中直达波法。当被测物仅有一个自由面，且需要了解被测物内部声波参数变化情况时，可采用这种方法。在被测的结构物上打两个或两个以上的相互平行的钻孔，分
8、别布置发射和接收换能器。观测时发射和接收换能器从孔底（或孔口）每隔1020cm同步移动，即可测出两换能器之间岩体不同剖面的波速与振幅的相对变化情况。5-4孔中直达波测试法F1、F2、Fn-发射换能器的第1,2，n个测试位置；S1、S2、Sn-接收换能器的第1,2，n个测试位置 2、反射波法反射波法是利用声波在介质中传播时遇到波阻抗面会发生反射的现象，研究喷射混凝土厚度、岩层厚度以及围岩内部结构等的观测方法。反射波法测试时，被测结构往往只有一个自由面，换能器的布置应采用并置方式，换能器之间的距离应根据被测层厚度及波阻抗面的形状而定。图5-5反射波测试法 3、折射波法 声波由观测界面到达高速介质并
9、沿该介质传播适当距离后又折返回观测界面时称为折射波。折射波法是接收以首波形式出现的折射波的测试方法。它可分为平透折射波法和孔中折射波法。平透折射波法探头布置方式同平透直达波法相同，但接收换能器应布置在折射波首波盲区之外。这种测试方法常用来测试回采工作面超前支承压力影响范围等。 孔中折射波法又称单孔测试法，它是将特制的单孔换能器放入钻孔中，接收通过岩壁的折射波，并沿钻孔延深方向逐段观测声波参数的变化，从而确定所通过地层的层位、构造、破碎情况以及岩石的物理力学性质等。这种方法在工程中常用来测定井巷围岩破碎范围，查明围岩结构，进行工程质量评价等。第二节第二节 声波测试技术在围岩测试中的应用声波测试技
10、术在围岩测试中的应用一、评价岩土强度和完整性程度 岩体完整性系数Kv又称裂隙系数，为岩体与岩石的纵波速度之比的平方，用动力法可以测定完整性系数。根据岩体完整性系数对岩体完整程度进行分类，可分完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎五类。2prpmVVKv评价完整性程度以及估算岩体强度：22mttmmccmCC二、围岩松弛带测试地下洞室由于开挖过程的扰动，引起围岩应力重新分布，洞室周边出现应力集中，当应力超过岩体的强度极限后，围岩体开始破碎松动，即从洞室周边向岩体深部扩展到某一范围。这一范围内的岩体表现出节理裂隙增多，完整性下降，强度降低，被称之为围岩松动范围。1、测试方法 围岩松动范围的测试方法主要
11、有单孔测试法和双孔测试法两种。 单孔测试法即单孔折射波法，它一般采用一发双收单孔换能器。单孔测试可以了解沿钻孔轴向的岩性及应力变化情况，特别是对岩体的裂隙反应较灵敏。 双孔测试法，即孔中直达波法，该方法主要用于了解孔中岩体的岩性特征、应力分布及它们沿钻孔轴向的变化情况。2、测孔布置 在需测试的井巷围岩中，根据测试目的选择有代表性的地段布置观测站和相应的观测断面。对于水平和倾斜巷道，每个测站应布置23个断面，每个断面布置的测孔数应由断面大小及形状等确定，一般为35个测孔。在立井中，由于打眼及观测工作都较困难，因此，测站及观测断面的测孔数可相应减少。测孔深度以2.03.0m为宜。3、测试结果的整理
12、与分析 1)按测孔整理测试数据 首先按测站或观测顺序将每个测孔各次测读的声时换算成声速t，然后，以孔壁至孔底的距离己为横坐标，以声速VP、振幅A为纵坐标，绘制移Vp-L、A-L曲线图。为便于比较，VP、A应使用同一横坐标。 2)围岩松动范围的确定 确定围岩松动范围的实质是VP（A）-L曲线图的判读。根据现场实测、模拟试验等的研究成果，可将VP（A）-L曲线归纳为如下3种典型情况。 3)绘制围岩松动范围变化曲线 对于某一测段的情况则可以断面（或测站）松动范围的均值为纵（或横）坐标，以测段长度为横（或纵）坐标，绘出围岩松动范围在测段上的变化曲线。该曲线还可与该段的地质剖面图绘在一起，以便对照分析。
13、 4)其他注意事项 围岩松动范围测试工作以立井测试环境条件最困难，故防水问题不可忽略。立井测试多在有淋水的条件下进行，因此，仪器应有严格的防水措施，以免内部进水发生短路。通常的作法是在安放仪器的平台（或吊桶）上加防水罩，同时在仪器上面加盖防水塑料雨布。当仪器安放位置远离测孔，原换能器电缆长度不够，而需另加接电缆时，应保证电缆接头的芯线与屏蔽线之间有良好的绝缘，其外层应采用胶带包好并用树脂胶密封，使其具有一定的防水功能。三、其他测试 仪器下井测试方法是将两吊桶同步运行法在井筒施工中。若使用吊桶提升时，可将仪器安放在其中一个吊桶内，而把测孔布置在另一个吊桶侧，测试时两吊桶同步运行。罐笼上做临时平台
14、进行测试当井筒内用罐笼提升时，可在罐笼上搭设临时平台，设置护栏，测试人员系好安全带，钻眼与测试工作在收时平台上进行。第三节第三节声波测试技术在地下混凝凝土声波测试技术在地下混凝凝土结构质量评价中的结构质量评价中的应用应用一、混凝土中的空洞检测 混凝土在浇筑过程中存在不密实的情况，在不密实区存在空洞现象。不密实区是指因振捣不够、漏浆或石子架空等造成的蜂窝状或缺少水泥形成的松散状或意外损伤造成的疏松状区域。对于体积较大的混凝土结构或构件，这种情况尤其容易发生。当混凝土水胶比较小或配筋较密的情况下，施工时漏振或振捣不充分，往往会出现石子架空，在混凝土内部形成空洞的情况。1、对测法 当结构物被测部位具
15、有两对相互平行的表面时，可采用对测法。测试时在两对相互平行的表面上，分别划出100300mm的等间距网格，确定点位置并逐点测试对应的声时、波幅和频率，并同时测量测试距离。对于大型结构物，网格距离可适当放宽。2、斜测法 当结构物被测部位只有一对平行表面可供测试时，可采用斜测法。测试时调整换能器安放位置，以使能够在任意两个平面进行交叉测试。采用斜测法时，可采用图5-10的方式，在侧位两个相互平行的测试面上分别画出网格线，可在对测的基础上进行交叉测试。3、钻孔或预埋管法 当测距较大时，超声波在混凝土中能量损失较大，接收信号较为微弱，不利于对缺陷进行检测分析，此时可采用钻孔法或预埋管法。检测时可用两个
16、径向振动式换能器分别置于两测孔中进行测试，或用一个径向振动换能器与一个厚度振动换能器分别置于测孔中和平行于测孔的平面进行检测。二、结构混凝土厚度检测 冲击回波法通常用于探测混凝土、木、石结构中的内部孔洞、蜂窝、裂缝、分层，也用于测量板和公路的厚度等。许多混凝土结构，如路面、机场跑道、底板、护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等，只存在单一测试面，而从事混凝土结构评估、修补工作的工程师们往往对以上结构混凝土的厚度比较重视，因为这些结构混凝土的厚度如达不到设计要求，将会影响结构的整体强度及其耐久性，造成工程隐患，甚至引起严重工程质量事故，所以用无损检测方法测试结构混凝土的厚度具有重要意义和实用价
17、值。三、混凝土裂缝检测 混凝土结构的裂缝宽度、数量、深度、走向和位置是判断结构受力状态和预测剩余使用年限的重要特征之一。对混凝土结构作可靠性鉴定必须对结构的裂缝状态进行检测和分析。产生裂缝的原因很多，从工程鉴定和处理的角度可以将其归纳为受力裂缝和非受力裂缝两大类，检测时应注意区分。实际工程中常有两种类型裂缝的混合体，如：结构上的作用使原有的非受力裂缝扩展了；结构的周围环境变化或受化学物品侵蚀使原有受力裂缝增宽。此时应区分出主、次原因。因此，明白裂缝产生的原因和鉴定规范中关于裂缝分级的界限是测定裂缝的关键。 1)沿筋纵向裂缝的检查 沿筋裂缝是非受力裂缝，检查沿筋裂缝时要注意两个界限，一个是有无纵
18、向沿筋裂缝，无沿筋裂缝属a、b级。若有沿筋裂缝，要掌握裂缝宽度和长度小于或等于2mm为c级，大于2mm为d级。当有主筋锈蚀导致构件掉角或保护层脱落的，情况比开裂还严重，因此检查和量测时，应抓住这几个环节。沿筋裂缝比受力裂缝宽度宽，测量时用裂缝卡、钢板尺等均可，在上述几个界限处，需要用刻度放大镜观测。 2)垂直于受力主筋的横向裂缝的检查 首先要检查哪些裂缝是横向裂缝的典型形式。受弯构件受拉区产生的裂缝就是横向裂缝。这种裂缝由于作用力过大，加之在潮湿环境下，通缝进水，氧化导致钢筋锈蚀，又加宽了裂缝。横向裂缝应用放大20倍的刻度放大镜认真观测。如表面有灰尘或附着物，应清除干净再测。横向裂缝是受力裂缝，须认真观察，并注意裂缝控制界限，测量认真、细致、准确。四、其他检测 钢管内的混凝土是否灌注饱满，无法直观检查，只有通过一定检测手段来判断。超声法检测钢管混凝土只适用于钢管壁与核心混凝土胶结良好的部位，同时应满足超声波穿过核心混凝土直接传播到接收换能器所需的时间小于沿钢管壁传播的时间。所以，钢管混凝土检测应采用径向对测的方法。 检测时在钢管混凝土每一环线上保持T、R换能器连线通过圆心，沿环向逐点检测。 对于各声学参数异常值的判断方法，与混凝土不密实区检测的判断方法相同，只是对于数据异常的测点，应检查该部位是否存在钢管壁与混凝土脱离现象，如无脱离等因素影响，则可判定该点异常。钢管混凝土检测