第三课时-岩体声波测试

无损检测技术本章主要内容1声波测试技术及其应用2声发射技术及其应用1声波探测技术及其应用弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参数、结构面、物理力学参数、应力状态、风化程度和含水量等有关，具有如下规律：(1)弹性模量降低时，岩体声波速度也相应的下降。(2)岩石越致密，岩体声速越高。(3)结构面的存在，使得声速降低，并形成各向异性。(4)岩体风化程度大则声速低。(5)压应力方向上声波速度高。(6)孔隙率n大，则波速低。(7)密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用一、声波探测仪器设备岩体声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的仪器有发射换能器、接收换能器和声波仪。1．声波换能器1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用一发双收换能器1—引出电缆2—发射振子3—联合体4—接收振子15—接收振子21声波探测技术及其应用FS1FS2ttlvBC段混凝土的声速1声波探测技术及其应用换能器的性能指标扩散角品质因数频带宽度sinKD2cmlbZQZZ0mffQ1声波探测技术及其应用2.声波仪声波仪的主要部件是发射机和接收机，发射机的作用是向探头输出一定频率的声脉冲，接收机的功能是将接收探头收到的微小信号放大，并在示波器上显示或以数字的形式显示。1声波探测技术及其应用二、测试技术1．换能器的布置方法(1)穿透法。发射探头和接收探头放置在介质相对两个面上，根据声波穿透介质后波速和能量的变化来判断介质的质量。1声波探测技术及其应用(2)反射法它是换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播到介质的底面后，被反射回来再由换能器接收，根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介质内部的缺陷和材料性质的方法。结构混凝土厚度检测，基桩完整性检测。1声波探测技术(3)剖面法又称沿面法，发射换能器发射纵波通过一定角度入射到介质中，被转换成面波，通过对其特性的测定来判断介质的缺陷和材料的性能。若发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔时，即为单孔测井。1声波探测技术2．测试要求（注意事项）(1)测试地点的选择。(2)对测孔的要求。(3)表面处理。(4)耦合剂。(5)探测频率的选择。测试岩石、混凝土类介质时，频率一般为20kHz±，最高不超过100kHz。1声波探测技术及其应用三、声波测试在岩体中的应用1.围岩松弛带测试1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用2．利用弹性波测试评价岩体强度和完整性程度测定岩块及一定区域内岩体的波速，计算岩体的完整性系数或称龟裂系数：Cm是岩体分类中常用指标之一，也用于评价岩体完整性:Cm0.75完整Cm=0.75~0.55较完整Cm=0.55~0.35较破碎Cm=0.35~0.15破碎Cm0.15极破碎2cmmVVC1声波探测技术及其应用3．岩体力学参数测定通过测定岩体纵横波速度，根据岩体纵横波速与弹性模量、泊松比的关系计算出弹性模量和泊松比。通过测出现场岩体和室内试块的弹性波波速及抗压和抗拉强度，可估算岩体的抗压和抗拉强度：5.15.1mttmmccmCC22mttmmccmCC1声波探测技术及其应用4.测定张开裂隙的延伸深度1声波探测技术及其应用5．声波测井作用：查明地层层位，构造和破碎带情况，基岩风化程度和风化深度，各地层的物理力学参数等.探测方法：“单孔高差同步法”。注意：发射和接收接触器之间的净距离l应满足．岩水pBApvlllvl1声波探测技术及其应用结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速、衰减等）之间的相关关系是超声脉冲检测混凝土强度方法的基础。1.超声波检测主要是测量超声波在混凝土当中的传播速度；2.超声波在介质中传播时，遇到不同界面，将产生反射、折射、绕射、衰减等现象，从而使传播的声时、波形、频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况；定义工作原理四、声波测试在混凝土结构中的应用1．检测混凝土强度超声波探伤仪超声波测厚仪声时距离声速波形压电效应)21)(1()1(Ev计算公式对于混凝土，其密度和泊松比通常不会随其强度而明显变化。如果已知超声波传播的速度，可以利用上式推断混凝土的弹性模量，再通过混凝土弹性模量与混凝土强度的关系，就可以对混凝土的强度性能做出评价。（1）测区超声波传播速度v=l/tm其中tm=（t1+t2+t3)/3式中：v为测区声速值，l为超声测距，t为声时值。当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时，声速值应作修正，即vu=βv其中：β为超声测试面修正系数。在混凝土浇灌顶面及底面测试时，β=1.034。在混凝土侧面测试时，β=1.0。（2）由试验量测的声速，按fcu—v曲线求得混凝土强度换算值。利用超声声速对混凝土强度进行大致判断的参考数据声速（m/s）45003500~45003000~35002000~30002000混凝土质量优好不佳或有问题差很差数据处理3.2.4.5.1.检测过程无损于材料和结构构件的性能；重复或复核检测方便，检测方法具有良好的重复性；具有检测混凝土均匀性和内部缺陷的功能，可以将混凝土的强度评定和内部缺陷评定有机的结合；直接在结构物上进行检测并推定其实际的强度；在有些情况下，其他非破损检测方法无法获取混凝土的质量和强度信息，超声法有其特殊性。特点1、开始测试前，利用标准棒对仪器进行校准。2、通常在50~100kHz范围内选择超声波发射频率。3、测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合（防止空气进入），并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。4、一般尽可能选择在构件的侧面选择测区，避免浇筑面的不平整。5、每一试件上相邻测区间距不大于2m。6、每个测区内应在相对测试面上对应布置三个测点，相对面上对应的辐射和接受换能器应在同一轴线上。7、必须要对超声检测结果进行标定，也即是必须预先建立超声声速与混凝土强度的关系。8、超声法一般不单独用来检测混凝土的强度。注意事项例题采用超声法进行构件混凝土密实性检测，经过计算得到的声速数据如下表1所示，请根据表2所提供的λ1值分析判断是否存在异常测点？如果有请将它们一一找出来。测点声速(km/s)测点声速(km/s)测点声速(km/s)14.5694.55174.5324.47104.49184.6234.45114.46194.5244.49124.23204.2554.63134.32214.3264.54144.49224.5674.57154.48234.4784.48164.51244.45混凝土强度非破损检测方法的比较检测方法简便与操作性准确性检测范围检测速度检测成本回弹法很好一般较宽快很低超声法好较差一般快低超声回弹综合法较好较好较宽较快低钻芯法较差好很宽慢高拔出法一般较好宽中等较高1声波探测技术及其应用纵波速度经验修正系数反射纵波走时被检测介质厚度pvkthtkvhp2．结构混凝土厚度检测利用波在两种介质界面上的反射效应测量介质厚度。采用反射纵波在介质中传播的时间来检测混凝土结构的厚度的计算公式为1声波探测技术及其应用3．混凝土中空洞的检测对于混凝土内部大于10cm的空洞，可以通过测量声波传播时间的突然变化来判定它的存在，并计算出空洞的尺寸，计算空洞半径的公式为式中——直达声路长度；——有空洞处与无空洞处声波传播时间。采用平行网格测点，可判定空洞形状、大小和所在部位.cdtt,l122cdttlRlR21声波探测技术及其应用4．混凝土裂缝检测(1)直接检测1声波探测技术及其应用(2)沿面检测首先在裂缝附近完好的表面处，选择一定长度作为校准距离，设这段距离为2d，在这段距离的两端放置换能器，测出声波通过2d的时间为t0。然后把发射和接收换能器放置于裂缝的两侧，并使两个探头至裂缝的距离均为d，测得此处的声波传播时间t1，若裂缝与表面正交，则有裂缝深度为12021ttdh20221224)(4tdthd1声波探测技术及其应用5.深孔法检验混凝土质量一般用来检验浇注在地下的大体积构件，如钻孔灌注桩等。在浇注混凝土时埋设测管，测试时将发射和接收换能器分别放入两根管内，管中充满流动性的油类或水作为耦合剂。两管之间的距离最大不应超过1.5m，以1m以内较为适宜，管径应略大于换能器的外径，管子截面积总和应小于桩截面积的1％。以免削弱桩基础，测管需固定在钢筋骨架上。由于管内径限定了换能器的尺寸，所以必须选择截面较小的环形式换能器。1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用收1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用1声波探测技术及其应用五、声波测试在桩基完整性检测中的应用在灌注桩施工过程中，会产生夹层、空洞、离析以及横断面缩小和扩大甚至桩身断裂，影响桩基的承载力，将对上部结构产生不利影响，因此需及时了解桩的质量情况。桩完整性测试也称低应变桩基动测。六、超声检测影响因素⑴耦合状态：所谓“耦合”，是指让超声波探头和被测混凝土表面密切接触，尽量避免能量损失。对于平面探头，虽然探头面和混凝土测试面都是平的，但是实际上混凝土和探头表面都有无数肉眼无法观察到的凹凸，里面存在空气，如果直接进行测试会导致超声能量被这些表面的凹凸部位中的空气吸收衰减，大大影响超声穿透能力，因此必须采用黄油、凡士林等糊状物来填补混凝土测试面与探头接触面之间的空隙，形成良好的耦合。对于柱状径向探头，采用水进行耦合，因此柱状径向探头具有水密性的指标要求，0.4MPa下不允许漏水。六、超声检测影响因素⑵钢筋：超声波在钢中的传播速度(纵波声速一般为5.9km/s左右)大大高于混凝土(纵波声速一般为4.0km/s～5.0km/s)，如果在超声传播路径上或其周围存在钢筋，则会有部分或者大部分超声信号沿着钢筋传播而且比在混凝土中传播的信号先到达接收探头，从而导致检测到的声时值偏小，这叫做“视声时”，即实验观察到的声时，它是受到干扰的不准确的声时。这样会导致计算出来的声速偏大，增加检测方风险。⑶水分：水分填充了混凝土中的孔隙，混凝土孔隙中的空气被水取代，由于水的超声波速度和阻抗比空气大得多，和空气相比，超声波在水中传播的速度大，衰减小，因此如果混凝土中的缺陷被水分填充，将会造成超声传播的“水短路”，导致缺陷判别的困难。2声发射技术及其应用材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，或材料内部缺陷及潜在缺陷在外部条件作用下改变状态时，以弹性波形式释放出能量的现象称为声发射。声发射信号的强度、频率等各项特性指标等随着声发射源的类型、状态及材料性质的不同而不同，也随着外力的作用形式及强弱的变化而变化，因此，声发射特性是材料性质和状态的一个表征。2声发射技术及其应用声发射检测技术就是利用材料受力时的声发射特性，对其内部破坏状态及受力历史进行判断的方法，它不仅能对材料内部缺陷进行检测，而且还能反映材料内部缺陷形成、发展和失稳破坏的整个动态过程。声发射技术在混凝土检测中主要用于裂缝的发生发展及位置的确定；在岩体检测中，研究岩石的损伤机理和断裂特性，测定岩体地应力，检测矿井和洞空的安全，以及预报岩爆的产生等。2声发射技术及其应用一、基本原理声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电换能器在试件表面接收并记录这些信号，输入仪器进行分析和处理。处理和分析声发射信号的特性参数有计数率、能量和能量率，以及频谱、波形以及多信号的时差等。若记录每一个声发射事件，就叫AE事件计数。单位时间AE事件计数称为AE事件计数率，事件计数累积称AE事件总数。通常设置门槛电压，只有当输入信号超过该电压时，才能作为声发射事件被记录下来。显然，对声信号的各种计数描述着重于信号出现的频率，而较少反映信号的幅度。2声发射技术及其应用煤2声发射技术及其应用混凝土的声发射试验结果2声发射技术及其应用2声发射技术及其应用声发射检测仪器应具有如下性能：(1)具