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岩体声波检测方法

一、岩体声波检测技术的进展

       我国岩体声波检测技术应用研究，是在上世纪六十年代中期开始的。它的起步借鉴了金属超声检测和水声探测技术，从仪器研发、换能器的仿制到研制，现场原位检测及室内试件测试方法研究，经历了六十个春秋，是在一代科技工作者多学科群体的努力下完成的；

       到今天，检测仪器由第一代电子管式、第二代晶体管式、第三代小规模集成电路式，发展到今天的第四代，即由声波发射电路、大规模集成电路的数据采集系统、计算机嵌入式主板、操作系统软件、信号分析处理软件等组成，成为具有一定智能分析功能的声波检测分析仪，换能器多达十余个品种；

       由纵波测试应用发展到横波测试；由声学参量声时的应用，发展到波幅、频率的应用。

       目前，声波检测技术纳入了不同行业的多个规程、规范，说明该项技术的发展成熟程度。

二、岩体声波的检测方法

     由检测对象和目的有不同的声波检测方法。大类分为：

一、透射法

      透射法是发射换能器发射的声波，经被测岩体（或岩石）传播后，由接收换能器接收的各种测试方法。

   1.对测法

     工程场地的岩体如需检测内部结构、缺陷、完整性、力学性能，而又有外露的两个检测面，可采用对测法，如图1。对测法多用于岩石试块、地下洞室、隧道、金属矿山的矿柱等的纵波声速测试。岩石样品的横波声速测试方法见图2，横波测试要用横波换能器，采用多层平整的铝箔进行横波的耦合。

     岩石试件的测试使用对测法。用纵波换能器测取纵波声速；用横波换能器测取横波声速，横波测试不可使用黄油、凡士林一类耦合剂，应使用多层平整的铝箔来耦合，才能使发射换能器的横波传入岩石，再由岩石传给接收换能器。

   2.平测法

       当只有一个检测面时，如隧道边墙、边坡、待浇铸混凝土的坝基岩体表面等，可采用平面测试法，如图3。但是，图3的测试存在一个问题，即换能器的间距是边到边的距离L1？还是换能器轴线间的距离L2？实际两者都不是，而是L2与L1之间的距离。在并不需要测试的情况下，考虑到换能器辐射面的直径在40mm左右,平测法的测距一般又约500mm左右，笔者认为对于非匀质的岩体取哪一个距离，问题都不大，也就是带来一点系统误差而已，不必过于计较，但距离的选测方法要统一。

  3.时距曲线法测纵波声速

     如果我们一定要测量岩体声速，可用图4所示的时距测试法。发射换能器T固定不动，接收换能器R 依次移动距离L，测量三到五个点，通过二元线性回归，如图4取△L及△t可计算出声速：

    上述计算可由二元线性回归，直接计算出声速。

    4.时距曲线法测横波声速

       测试方法如图5，它是利用朗芝万换能器T的径向振动，在岩体表面产生向侧面传播的纵波，而换能器轴向振动在岩体表面产生向侧面传播的横波。当发收距拉大到一定距离后，纵波与横波开始分离，如图中的接收换能器R6 ，不仅观测到横波还看到面波。图5是在混凝土模型上测试的结果，可见，纵波同相轴PP，的斜率计算的纵波声速VP ＝4500m/s 、横波的同相轴SS，的斜率计算算的横波声速VS =2670m/s、面波的同相轴RR，的斜率计算的面波声速VR＝2460m/s。说明时距曲线法测量横波声速是有效的。

  5.锤击大距离测试

     实践证实，声波检测即便使用10kHz换能器用于岩体表面平测法，其测试距离也是很有限的，特别是裂隙发育的岩体。于是兴起采用锤击作振源，用压电换能器和声波仪接收采集信号，如图6其测试距离L可达1m—50m。

下面给出一个用锤击测试隧道洞壁岩体声速的工程检测实例，如图7（引自工程兵某部的研究报告）。由图中可见纵波声速的变化与地质剖面中的地质结构描述有着较好的对应关系；同样岩体完整性系数KV 也能反映岩体的构造是否发育。

二、跨孔测试法

       跨孔测试法，是在两个相距一定距离的钻孔中，分别放入发射振源（可以是发射换能器、电火花振源、锤击振源）和接收换能器（或检波器）如图8。具体方法有等高同步提升测试法，见图8(a)；斜测法如图8(b)及扇面测试法如图8(c)。 

       跨孔测试用于勘查深部岩体破碎带、岩溶、滑坡的滑带(床)的发育程度、埋深、规模，用于评价岩体的稳定性，和寻求与制订施工设计或治理方案。扇面测试可以用阴影法确定软弱构造的部位、规模；当今计算机技术、数据处理技术的发展，扇面测试已用于声波层析成像测试(CT)的数据采集方式，从而可以探明岩体的结构、覆盖层下灰岩的起伏和溶洞的分布，提供直观的二维地质剖面图像。

  1.等高同步法——划分地层

     图9是跨孔声波透射等高同步测试法对第四系地层的检测结果。从中可见上部及下部的轻亚黏土声时约3ms左右，中间的淤泥质黏土声时长达4.5ms 可以明确的加以划分。此外，对1.0—5.5m地质取芯将轻亚黏土误划分为淤泥质亚黏土进行了修正，其他部位的检测结果基本与钻孔取芯的地质划分一致，但声波的划分要更加细致。

     斜测法多用于检测水平层的异常体，使用较少。

2.斜测法多用于检测水平层的异常体，使用较少。

   斜测法多用于检测水平层的异常体，在桩基声波透射法中使用较多，常和等高同步。但需要测试时注意，每次测试深度的一致性，否则容易产生测试结果的误判甚至错判。

3.扇面测试法声波层析成像

   测试方法如图11所示的扇面测试观测系统，即先固定一点发射，依次如T1、T2、T3……Tn，在另一钻孔的R1、R2、R3……Rn依次接收，即可测取n×n组声时值，然后将这些声时值由声波层析成像软件处理（详见第十一章  声波CT技术）即获取图12（a）二维成像图，从该图作出的地质解释如图12（b），可见第四系地层下的基岩起伏，以及溶洞分布。

三、地面 —— 孔中测井

       在地面的钻孔旁，用大锤敲击地面上的垫板，孔中用三分量检波器(或压电换能器)接收，可以测取地层的纵波声速；在孔旁垫厚的木板，木板上压重物W，再分别敲击木板两端，使木板在地表上挫动以激励横波，测取接收到的波形见图13虚线圆圈内的两组波形，它们的相位互差1800，反映的是两次不同方向敲击木板激振的接收横波波形。这是目前测取地层横波声速有效而简单的方法。当地层的纵、横波声速均测取后，即可用于计算地层动力学参数弹性模量E、剪切模量G、泊松比。也可从由孔口至孔底各个测点纵波或横波声速来划分地层的水平向的速度分层，或弹性力学参数的分层；也可以对滑坡体进行检测，掌握滑床(带)部位、物理性状。

四、折射法-单孔一发双收声波测井

       图14是一发双收换能器外形图片。图15是一发双收换能器原理图，其中发射换能器T近似是一个点振源，故总有一条声线满足以第一临界角入射至孔壁，这时折射入岩体声波折射角为90°，于是声波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R1及相距为L+△L的R2接收，其声时分别为t1及t2。声速VP 有     

1. 单孔一发双收声波测井用于：

(1) 岩体风化壳风化程度的划分和强度评价；

(2) 深部地层的构造、软弱结构面、破碎带的埋深及发育勘查；

(3) 岩体灌浆补强 效果的检验等。

                                                                       

一发双收声波测井必须注意的问题：

      一发双收声波测井接收换能器R1，在接收到沿孔壁滑行折射波的同时，还能接收到由井液中直接传播的声波。因此，必须保证滑行波的走时t1小于井液中传播的声时t w，才能保证正确的测试。由于岩体的声速大于井液的声速，所以，只要加大发射换能器与接收换能器R1之间的距离L(L称源距)即可达此目的。通过计算可计算出小的源距Lmin有下列关系：

式中   D――钻孔直径

d――换能器外径

Cw――井液声速

Cm――岩体纵波声速的低值。

说明：当一发双收换能器的直径及源距确定后，它能正确进行测试的钻孔孔径也就限制在一定范围之内。因此，万不能拿到一个一发双收换能器，在任何孔径的钻孔中测试，应按上式核算一下孔径是否适应

应用实例——岩体风化层划分、评价

以长江三峡水利枢纽，三斗坪坝线对花岗岩风化壳进行单孔一发双收声波测井检测的实例加以说明，见图16。从中可以看到：

（1）剧强风化层声速波动激烈，平均声速在3000m/s反映了岩体由于裂隙极其发育，风化严重，造成声速波动，且声速较低；

（2）弱风化层的声速波动，但不太激烈，平均声速4500m/s反映风化不太严重；

（3）微风化层声速略为有小的波动，平均声速5800m/s。从中可见单孔一发双收声波测，划分岩体风化层是很为有效的。

水电工程、大型工程等对工程场地岩体风化壳的划分评价，合理的决定岩体开挖深度有着巨大经经济与社会效益。

此外，在图15中还可以看到检测出了岩体构造带，由于裂隙密集，引起声速下降且波动。

应用实例——施工质量的检测

当工程场地岩体破碎，又无法避开不用；或对地质灾害体的碎裂部位，往往要采用打孔注浆来提供岩体的整体稳定性。图17①是采用单孔一发双收声波测井在岩体灌浆前后，对观测孔进行测试的对比结果。

由图中的时差-孔深曲线可见，在注浆28d后，接收2与接收1的时差△t提高了14% 到2%，说明注浆后提高了岩体的声速。要知道单孔测试只能检测到沿孔壁一个波长范围的声速，上述声速的提高，说明灌浆范围已达观测孔的孔壁，证实了注浆效果。 

顺便提及，注浆效果采用跨孔法检测效果还会好，但需多打一个孔

五、反射波法

       岩体结构的非均匀性，比混凝土要严重的多。岩体中的结理、层理、裂隙、岩脉分布规律的随机性极强，它们将岩体切割成不连续体，在一定范围内存在若干反射界面，造成高频声波的穿透困难，故反射法在岩体中的应用推迟到上世纪的九十年代初期，才有试验的结果，所用的激振频率应当很低（频率约数百到数千赫兹），激振能量应很大，采用锤击振源。成功的试验记录见图18（引自铁道科学研究院铁建所钟世航科研报告）。由图中可见：由多道反射波记录同相轴预报的溶洞，与开挖后观察的结果的一致性较好

六、岩体“管波”勘探

      岩体充水的裸眼孔中，激励纵波，将在岩体孔壁由折射的PP波、PS波合成伪瑞利波R’（Stoncly wave）如图19。该伪瑞雷波的有效范围在一个波长范围,如图19。又可称其为管波。管波有一个重要特性，频率在30kHz以下，其传播速度是孔中液体的0.9—1.0倍，且衰减很小。其测试方法如图20，发射换能器T与接收换能器R由孔口按一定测点间距同步下移，测取存储全部波列。显然，在管波有效范围内如存在波阻抗界面，将产生反射，如图21。

                                                      

       管波测试如图22，可见不仅对岩溶发育带有明显的反射同相轴，孔底和土层与基岩的界面也有反射同相轴。先开拓管波测试应用的是广东地质物探工程勘查院（饶其荣、李学文）于2005年完成的科研任务，主要是为了探明地质覆盖层下基岩勘探孔旁的不良地质体（溶洞、裂隙发育带），选择基桩持力层，图23是引用们的研究报告实例。

岩体声波检测的信号理

我国的声波检测仪已普遍实现数字化，先于国际。数字化的实现，信号处理也就提到议事日程。目前，在下面几个方面应用了信号处理，并开发相应信号处理软件供检测应用。

1. 为研究应用声波信号的频率特性，FFT频谱分析普遍用于声波检测，均备有FFT软件供用户使用；

2. 高、低、通数字滤波软件，用于滤除不同的干扰信号；

3. 多点平滑滤点。将数字序列中的第i点信号(i=0、1、2、3、……N)与相邻的i+n个信号幅度相加除以i+n的值做为i点的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

4. 叠加处理。将n次(n任选)发射、接收到数字信号序列逐点依依相加，使波幅增强，以便提高信噪比，消除随机噪音。

上述信号处理软件，多已装入仪器，可以方便地调用。

重大特殊工程声波检测实例  长江三峡链子崖隐伏裂缝的声波检测

长江西陵峡链子崖危岩体存在12组50余条裂缝，出露宽约2m，深不可测。其中8＃及9＃裂缝，北端隐伏于覆盖层下，是否延伸与12＃缝贯通，成为查明岩体结构、确定岩崩方量和制定治理方案的关键。为此，在上述裂缝延伸关键部位，布两钻孔，孔距21m，深150m，孔内无水。由原地质矿产部方法技术研究所（吴庆曾、展建设）采用跨孔声波测试如图24，用以查明裂缝的延伸及倾向。

现场测试采取由孔口逐点向下测试，各测点的波列排列如图25，其特点是声时逐点加长，至17m后不再接收到有效信号。推理：覆盖层下岩体存在裂缝，声波系由上部覆盖层绕射。后经室内模型试验证实，上述结论正确。从而为链子崖的治理，提供依据，受到好评。

危岩锚固钻孔内裂缝及裂缝密集带声波检测

长江三峡链子崖五万方危岩体防治工程，采用锚索加固处理，锚固孔30 — 40m不等，深达64.2m。危岩体主要以栖霞灰岩为主，裂隙发育且为张性，局部成破碎软弱带。锚固施工需掌握上述裂缝和（ρ1q）软弱结构面在锚固孔中的位置，分布及几何尺寸。原地质矿产部技术方法研究(展建设、曹修定)所承担此项特种检测任务，研制一发一收干耦合换能器，在不能存留井液的水平干孔中，完成了共2670m的测试，指导了锚固施工。图26是其中三个钻孔的声速—孔深曲线，其中视声速低于1000m/s(图中粗实线部份)的低速孔段均为裂隙及裂隙密集带。声波检测可以细致的提供岩体的裂隙发育和裂隙的细微的分布，指导了岩体锚固的正确施工，是其他物探方法无法实现的。