声波测试

第六章声波测试在岩土工程中的应用声波测试广泛用于工程勘察中，其应用效果良好，也解决了很多实际问题。声波测试是一项比较新的测试技术，应用于岩体测试还是近二、三十几年来才发展起来的；岩体声波测试与其它测试方法相比，具有独特的优点：它轻便简易，快速经济，测试精度易于控制和提高，且可做多种项目的测试等；因此，岩体声波测试技术是工程地质定量化研究的强有力手段，具有广阔的发展前景；对岩体工程的勘测设计和施工，具有十分重要的意义。举例：随着我国经济建设的飞速发展，国家对公路建设的需求越来越大，而且时间紧，任务急。在这种情况下，往往由于勘察阶段工作量的不足，导致公路施工过程中重大损失事件时有发生。如何在工期紧、任务重的情况下，经济、快速、有效地完成勘察工作，避免损失？如何准确快捷地检测土石混填、强夯、压力灌浆的施工质量？声波测试技术为处理这些问题提供了一个简便、可行的解决方案。要准确查明公路沿线的地层岩性、地质构造、水文地质、地质病害的分布、类型、危害等工程地质条件，声波无损测试技术具有设备轻便、勘察速度快、投入人力财力小且能连续勘测的优势。同时声波检测是针对某一范围内地质体进行测试的方法，其测试结果一般能够代表整个测试范围内的整体质量。因此，声波检测法在测试区域整体施工质量方面具有不可替代的优点。声波检测技术的基本原理固体介质受到动荷载的瞬间冲击或反复振动作用时引起动态应变，以波动的形式自震源向外传播，由于地基中的岩土特性不同，各个结构面的性质不同，对声波的传播和吸收就不同。声波检测技术利用这一原理，可以识别地基的物理状态，判断地基的各种状态和参数，同时可以通过一定的技术分析手段推断地层结构情况，确定施工质量。声波测试技术主要由声波测试原理、声波测试方法、声波测试仪器研制等方面构成。6.1概述1．基本原理：利用弹性波在不同弹性介质中的波速差异，来获得岩、土体的工程性质。2．弹性波的分类：体波和面波（1）体波：在介质体内传播纵波：P波、压缩波：质点振动方向与波的传播方向一致；横波：S波、剪切波：质点振动方向与波的传播方向垂直；Sv、SH（2）面波：在介质分界面传播瑞利波(Rayleigh)、R波：在介质表面传播，其轨迹是逆时针旋转的椭圆；勒夫波(Love)、L波：在介质分界面传播6.1概述3．工程中常用的波：纵波（P波）、横波（S波）、瑞利面波（R波）4．用弹性参数表示的波速公式5．Vp、Vs、VR之间的关系因此，时常把纵波称之为初至波(Primary)或P波，把横波称之为续至波(Secondary)、次波或S波。6.1概述6．用波速计算弹性参数的公式6.2波速测试的技术要求根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）1)测试参数和测试方法：测定各类岩、土体的压缩波、剪切波或瑞利波的波速，采用单孔法、跨孔法或面波法。2)单孔法波速测试的技术要求应符合下列规定：(1)测试孔应垂直；(2)将三分量检波器固定在孔内预定深度处，并紧贴孔壁；(3)可采用地面激振或孔内激振；(4)应结合土层布置测点，测点的垂直间距宜取1～3m。层位变化处加密，并宜自下而上逐点测试。6.2波速测试的技术要求3)跨孔法波速测试的技术要求应符合下列规定：(1)震源孔和测试孔，应布置在一条直线上；(2)测试孔的孔距在土层中宜取2～5m，在岩层中宜取8～15m，测点垂直间距宜取1～2m；近地表测点宜布置在0.4倍孔距的深度处，震源和检波器应置于同一地层的相同标高处；(3)当测试深度大于15m时，应进行激振孔和测试孔倾斜度和倾斜方位的量测，测点间距宜取lm。6.2波速测试的技术要求4)面波法波速测试可采用瞬态法或稳态法，宜采用低频检波器，道间距可根据场地条件通过试验确定。5)波速测试成果分析应包括下列内容：(1)在波形记录上识别压缩波和剪切波的初至时间；(2)计算由震源到达测点的距离；(3)根据波的传播时间和距离确定波速；(4)计算岩土小应变的动弹性模量、动剪切模量和动泊松比。6.3单孔法1基本假定1）地下介质采用水平层状地层模型；2）剪切波速在水平方向为均匀分布，而在垂直方向随深度变化。2.测试方法单孔法是在一个钻孔中分土层进行检测，故又称检层法，因为只需一个钻孔，方法简便，在实测中用得较多，但精度低于跨孔法。单孔法的现场测试如图所示。2.测试方法单孔法是在一个钻孔中分土层进行检测，故又称检层法，因为只需一个钻孔，方法简便，在实测中用得较多，但精度低于跨孔法。单孔法的现场测试如图所示。2.测试方法单孔法是在一个钻孔中分土层进行检测，故又称检层法，因为只需一个钻孔，方法简便，在实测中用得较多，但精度低于跨孔法。单孔法的现场测试如图所示。6.3单孔法3公式推导定义坐标系原点为钻孔口，z轴沿钻孔向下为正，x轴向右为正。设测点深度为hi，激震点距钻孔口距离为dx。6.3单孔法1）正演公式对于第1个测试点h1，设深度h1以上土层的剪切波速度为vs1，剪切波射线长度为L1，它与钻孔轴线的夹角为θ1。根据三角关系，射线长度L1为则剪切波到达测点h1的走时t1为6.3单孔法对于第2个测试点h2，设深度h1～h2土层的剪切波速度为vs2，剪切波射线长度为L2，它与钻孔轴线的夹角为θ2。而L2又可分为L21和L22两段，其中L21段对应的波速为vs1，L22段对应的波速为vs2。根据三角关系，两段射线的长度L21和L22分别为6.3单孔法同理可得剪切波到达测点h3的走时t3为根据以上推导，可得剪切波到达任意测点的到时ti为6.3单孔法2）反演公式反演公式可由正演公式变形得到：式中，vsi和vsj分别为第i和第j个测点深度处的剪切波速（m/s）；hi和hj分别为第i和第j个测点的深度(m)；ti为第i个测点深度的到时（s）；为第i个测点到激发点的连线与钻孔轴向的夹角（º）,由(6.2）式计算。使用上式时，沿钻孔从上到下顺序计算。6.3单孔法4测试设备设备：专用井下三分量检波器、木板、负荷重物、大锤。充气装置：充气装置可使检波器紧贴井壁，或上下移动。6.3单孔法5现场布置在指定测试地点打钻孔，垂直度要求与一般勘探孔一样。离开孔口1～1.5m布置激振装置。如要测试孔斜，钻孔内需设置PVC套管，管内有4个槽口，以备测斜仪沿槽口移动。如果被测土层不厚、较硬或泥浆护壁后不会坍孔，测试前可将钻机移走，否则，钻机应留在孔位上备用。6.3单孔法6孔内测点布置原则1）．每一土层都应有测点，每个测点宜设在接近每一土层的顶部或底部处，尤其对于薄层，更不能将测点设在土层的中点。2）．若土层厚度小于1m，可以忽略。若土层厚度超过4m，需增加测点，通常可以1～2m间隔设置一测点。3）．测点设置需考虑土性特点。如各土层相对均匀，可以考虑等间隔布置，否则，只能不等间隔布置。测点布置示意图6.3单孔法7测试步骤1）．向孔内放置检波器，在预定深度固定(气压固定，机械固定)在孔壁上。2）．测点布置：根据最小测试深度h1、测点间隔dh和测点个数n，可确定各测点的坐标hihi=h1+(i-1)dh(i=1,2,…,n)3）．激发：距钻孔口距离为dx处埋设一厚木板，用大锤分别锤击木板的两端，产生正、反向的剪切波。4）．接收：采用三分量检波器，在钻孔的不同深度hi处分别记录正、反向剪切波的波形，检查记录波形的完整性及可判读性。5）．将孔内检波器移至下一测点，重复以上步骤。6.3单孔法8资料分析分析的核心部分是确定由激发点至波动信号接收点之间的传播时间。除了有些数字化仪器可以直接读出传播时间之外，均需进行下列分析。1）．确定激发波形的起始点，也即波动起始时间；2）．在接收波形中确定剪切波的起始点。由于弹性波在土体内(相当于弹性介质内)传播，可形成压缩波和剪切波，前者速度vp远大于后者vs，但波形较小。分析难点是从中找出剪切波到达的起点。当深度超过30m时，压缩波不易显示，其首波可视作剪切波。但操作时，应按各地土层情况，由浅部记录至深层记录逐点分析后才能确定。剪切波速由（6-3）式计算。6.3单孔法9成果整理——各种场地参数的计算6.3单孔法6.3单孔法6.3单孔法6.3单孔法波速测试成果图：6.3单孔法10场地评价1）．场地土分类6.3单孔法2）．场地分类根据覆盖层厚度、平均波速分类6.3单孔法根据场地土类型、覆盖层厚度分类6.3单孔法根据场地指数分类根据场地卓越周期分类6.4单孔声波法1基本原理当发射探头发出声波脉冲后，通过钻孔内液体传至孔壁，激发出P波和剪切波(S波)，在孔壁产生折射，沿孔壁传播。利用声波在孔壁折射的原理，测出发射探头与接收探头之间的传播时间Δt，即可获得相距Δd的探头之间土层的剪切波速：6.4单孔声波法2测试设备此法不再需要地表激发装置。而发射探头与接收探头用一柔性连接索，以一固定距离(通常1～1.5m)相连接，并将电缆线延伸至孔口与记录仪表连接。此类设备除了具有自动显示波传播时间以及波速的功能以外，还有储存器和输出装置，可以输出波形、波速结果及深度与波速关系图。3现场布置只需现场打一钻孔，泥浆护壁，保证在测试期间不坍孔。6.4单孔声波法4测试步骤在预先确定的测试深度放置探头，测点位置应在两个探头间距的中点。但需注意，两个探头应在同一土层中，不宜跨越土层分界线，尤其是土性相差悬殊者。每一个测点得到3个测试记录。经检查比对无异常时，即可储存，再移至下一个测点。单孔声波测试在岩溶、节理较发育的灰岩内测试速度往往偏低，造成人为的对完整指数计算偏低，进而对岩体质量等级分类划分较为保守，原因是声波在不光滑岩壁上产生绕射所致。为了消除这种影响，在灰岩地区测试出的波速值应加一个调整系数，这个系数应建立在大量钻孔勘察实际数据和钻孔声波测试数据数理统计基础上。6.5跨孔法1基本原理跨孔法的原理仍然是直达波原理。利用相隔一定间距的两个平行钻孔，一个孔放置发射换能器，另一个放置接收换能器，接收信号。2测试设备激发装置采用一发一收或一发二收换能器。6.5跨孔法3现场布置在测试点打2～3个垂直的互相平行的钻孔，一个为激发孔，其他为接收孔。孔距选择与土性有关。对于松软土地区，激发孔与接收孔之间的距离不宜超过4m，不然接收到的波形较难分析。如果激发能量大一些，孔距可适当放大。钻孔垂直度的保证，是取得真实波速值的基础，因此，对钻孔进行倾斜度的测试是必要的。4孔内测点布置原则与单孔法相似。6.5跨孔法5测试步骤1）．将激发器与接收器同时分别放入两个孔内至预定的测点标高，并予以固定。2）．调试仪器至正常状态。3）．驱动激发器，检查接收信号是否正常，如正常即予以储存。由接收到的信号算得剪切波在土中的传播时间。4）．初步验算vs值，检验是否在合理范围之内。如一切正常，继续进行下一点测试。6.6硐室围岩松动圈的声波测试1目的和意义由于在岩体中开挖硐室改变了岩体的边界条件，破坏了岩体的相对平衡状态，使岩体中的天然应力场发生变化，在硐室围岩中形成新的重分布应力场。应用声波法可直接测定岩体松动圈范围，从而可对山岩压力的计算和衬砌类型及其设计方案提供可靠资料。硐体围岩松动圈的测试是声波工程地质测试中较有成效的测试方法之一。2基本原理硐室围岩处于高应力作用区其波速相对较大，而在应力松驰的低应力区中的岩体其波速相对降低。就是根据这个原理，对硐室围岩进行声波波速测试。结合工程地质条件对测得的岩体纵波波速进行分析，确定围岩是否松动，松动范围如何。3主要仪器设备声波仪一台；增压式或圆管式换能器，接收器和发射器各1个；标有长度刻度的测量杆；注水设备；止水设备。4试验准备1）．选择有代表性的不同硐段，横剖面方向打一组40mm的钻孔，分布在边墙、顶拱和拱角等部位。每个测点可打2-3个测孔。测孔深度一般应深入到岩体的天然应力区内一段距离。2）．向试孔内注水，注满试孔为止。5试验步骤测量钻孔孔口之间的距离。钻孔注水，做为探头与岩体间的耦合剂；根据岩体地质情况和岩性决定采用的换能器频率；开机预热；设置仪器参数，如激发方式、通道号、采样频率、延迟时间等；设置测试参数，如钻孔深度、孔口、孔底坐标、起始测试深度、移动间隔等；零时校正；把接收和发