測(cè)試讀書報(bào)告

PAGEPAGE7聲波測(cè)試技術(shù)在巖體測(cè)試中的應(yīng)用－測(cè)試?yán)碚撆c監(jiān)測(cè)技術(shù)讀書報(bào)告前言聲波在固體內(nèi)傳播過程中，通過聲波測(cè)試，可以獲取與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性態(tài)改變的相關(guān)聲波信息，從而了解結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)。早于三十年代，聲波測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在巖體力學(xué)中的到應(yīng)用。我國(guó)從五十年代開始應(yīng)用。當(dāng)時(shí)涉及的聲學(xué)參數(shù)主要是測(cè)量縱波波速。但是，聲波速度的分辨率不高，只限于讀取首波到達(dá)的時(shí)間，而對(duì)全波列沒有采集和分析，使得攜帶反映巖體特征的大量聲波信息沒有得到有效的利用。八十年代以來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字處理技術(shù)的進(jìn)展，及微處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已開發(fā)出多種微處理機(jī)和巖石聲波儀連機(jī)。模數(shù)轉(zhuǎn)換的聲學(xué)參數(shù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)的完成，為利用聲波頻譜分析巖體（或巖石）的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性態(tài)的改變，提供了一種簡(jiǎn)便快捷有效的手段。通過聲波采集和波列頻譜分析，可以獲取聲波傳播過程中，在時(shí)域和頻域內(nèi)的多項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)，提高了對(duì)巖體（巖石）檢測(cè)的分辨率和可靠性。一、聲波在巖體內(nèi)傳播的物理特性在巖體內(nèi)傳播的聲波物理特性，它與測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)射與吸收的特性、換能器的性能、耦合情況、測(cè)試條件等有關(guān)。當(dāng)這些條件固定后，它主要與巖體的結(jié)構(gòu)特征（如節(jié)理、層里、原生裂隙等的存在于分布）、孔隙率、礦物成分、殘余應(yīng)力等因素有關(guān)；也與巖體（或巖石）在受力作用下，微裂隙的擴(kuò)展和新裂隙的產(chǎn)生有關(guān)。當(dāng)聲波通過這些裂隙面（或結(jié)構(gòu)面），就引起聲波的反射、折射、繞射與散射等現(xiàn)象。使得波列的形態(tài)和路程發(fā)生了改變，相關(guān)的各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)也發(fā)生了變化。這就是應(yīng)用聲波技術(shù)研究巖體力學(xué)問題的物理基礎(chǔ)。1、影響聲波波速的因素當(dāng)聲學(xué)特征用時(shí)域方法表征時(shí)，可根據(jù)首波到達(dá)的時(shí)間來計(jì)算波速，并由動(dòng)力學(xué)理論建立在固體內(nèi)傳播的彈性波波速與個(gè)彈性參數(shù)之間的關(guān)系，在無限均質(zhì)彈性條件下為：；；式中：，－動(dòng)彈性模量，動(dòng)泊松比；，－縱波波速，橫波波速；以上各式表明，聲波在巖體中傳播速度與介質(zhì)的彈性（，），堅(jiān)硬密實(shí)程度及完整性（）等因素有密切的關(guān)系。2、聲波在裂隙內(nèi)的傳播特性聲波在裂隙內(nèi)的傳播特性與裂隙內(nèi)充填材料的特征、幾何尺寸、聲波頻率（波長(zhǎng)）、聲波在裂隙內(nèi)的反射次數(shù)等因素有關(guān)。聲波通過裂隙的傳播效果如下式關(guān)系：式中：－聲波入射時(shí)的振幅；－在裂隙內(nèi)聲波反射次數(shù)；萍換雪－聲波經(jīng)過在魂裂隙叔內(nèi)挑n靠次反射后的振堅(jiān)幅；拔勵(lì)慨，離－巖體的密度妹、縱波波速；萬－聲波的波長(zhǎng)赴；援，漫－裂隙內(nèi)介質(zhì)摧的密度、縱波者波速；型－裂隙的間距跨。澇上式表明，聲根波在巖體裂隙鵲面內(nèi)的傳播是臘十分復(fù)雜的。男由于巖體內(nèi)部?jī)€大量裂隙的存節(jié)在，聲波在巖際體內(nèi)傳播將發(fā)曾生如下變化：割（床1趴）造波速變慢，通俊過一條裂隙的滑時(shí)間由陡增加到擺；匹（寇2信）振幅減少（偶能量損耗），遭而且與裂隙內(nèi)堵介質(zhì)的聲阻抗賞（倒）有密切關(guān)系喬；側(cè)（漲3泥）波形變，在莫一條裂隙內(nèi)可稿能存砍在鑰n+舌1航個(gè)波在相互干綠涉，頻譜將變根得復(fù)雜；白（吐4窮）聲波傳播向后低頻（波長(zhǎng)較眠大）轉(zhuǎn)化，當(dāng)桌間距裕為波長(zhǎng)翁的柜10鋤%路時(shí)，聲波（幅則值悲）討80悠%蜂可能通過，接喚收到的低頻效攝果明顯增強(qiáng)。耳因此，聲波在都巖體內(nèi)的傳播滅過程的振幅與斷頻率的改變，娃對(duì)應(yīng)用聲波技繁術(shù)作為巖體檢福測(cè)具有重要的循意義，它與巖好體的結(jié)構(gòu)特征鍬及力學(xué)性態(tài)的歇改變密切相關(guān)四。因此，進(jìn)行制接收波列波形倆的采集與頻譜箭分析，就可以用獲取比用單純麗的聲波速度反抓映巖體狀況更滲多、更有效的起聲學(xué)參數(shù)，提桃高判釋的分辨慕率和可靠性。梅3撐、艦巖石聲波頻譜盞分析方法榜頻譜分析的基爪本原理是將接蜜收到的在時(shí)域腐內(nèi)的聲波波列負(fù)波形，通過快況速傅利葉變換閣（幅FF撐T也）變?yōu)轭l域內(nèi)確的振幅譜，就跡是將一個(gè)或一古列脈沖波形，險(xiǎn)分解為無數(shù)個(gè)秧不同頻率、不租同菠振幅、不同相開位的正弦波的姐疊加。波列在澤時(shí)域內(nèi)變化為遮，用時(shí)間間雄隔惑△評(píng)對(duì)吐進(jìn)行采樣?？赏降秒x散序列為站，肢1頭，鋪2左，貸3鑰，傅…肌…拆，賀N+1尤,嗽其傅利葉變換鎮(zhèn)為：植式中湖：駕N荒－采樣點(diǎn)數(shù)鳥；會(huì)△稠－采樣時(shí)間間務(wù)隔情；瞇d珍－頻域采樣間引隔；板－頻域第濫點(diǎn)的譜值。灑－為時(shí)域閑第門i渡點(diǎn)的振幅值；憶頻譜分析通過唱微處理機(jī)應(yīng)用燕現(xiàn)有淡的俱FF患T撕軟件來實(shí)現(xiàn)?；@a暗波形盟圖獸具拒薦嶺榆忌b墓頻譜圖猜圖烈1島鴿頻譜分析丘二倒、蕩巖體聲波探測(cè)掙的基本原理驢聲波在巖體內(nèi)診傳播時(shí)，除了枝與巖體的物理躁性質(zhì)有關(guān)外，柴還與巖體的應(yīng)迎力狀態(tài)有關(guān)，梁巖體中應(yīng)力越步高，波速越高雁。反之，巖體出中應(yīng)力越低，豆聲波波速冊(cè)低踩。劃因?yàn)樵谙锏乐芗龂鷰r體的穩(wěn)定什性與巖體的物虹理力學(xué)性質(zhì)、赤結(jié)構(gòu)面的發(fā)育工成都及應(yīng)力狀竟態(tài)有關(guān)附，所以可用巖惡體聲波速度的呈變化，反映巖營(yíng)體中結(jié)構(gòu)面、瓣強(qiáng)度及應(yīng)力狀殃況。值由于聲波測(cè)試爭(zhēng)的使用條件不借同，因此測(cè)試息方法也有很多餅種，有透射波梁法、反射波法懲、折射波法和密孔中測(cè)定法。錘孔中測(cè)定又分朽為單孔孔中測(cè)行定及雙孔孔中身測(cè)定兩種方法貢。而單孔孔中漸測(cè)定法的探頭航有單發(fā)單收和銳單發(fā)雙收兩種勁形式。膚單孔孔中測(cè)定槳的原理為在事扛先鉆好的測(cè)孔鴨中注滿水，以童水作為探頭和動(dòng)巖體見的耦合排劑，這樣在水撲與孔壁巖體的復(fù)分界面處將產(chǎn)歇生很大的速度呈差，因而有產(chǎn)核生折射波的可關(guān)能。當(dāng)探頭中協(xié)圓環(huán)形發(fā)射換可能器向多個(gè)方棋向發(fā)射超聲波填時(shí)（如煙圖賽2瘦所示），有一燒部分聲波沿鉆歲孔軸線經(jīng)水傳導(dǎo)播至接收換能蟻器，稱直達(dá)波愚；另一部分經(jīng)筍孔壁反射而達(dá)做到接收換能器此，稱反射波，吃反射波齒比直達(dá)波晚些真到達(dá)；第三部豬分聲波自發(fā)射狹換能器發(fā)出后絕以角度恐角入射到水中沾，然后進(jìn)入接易收換能器?？衷谶m當(dāng)選擇發(fā)堪射換能器和接類收換能器之間絹的最小間距萌情況下，即可碰保證滑行波先慮于直達(dá)波到達(dá)徐接收換能器。飯因?yàn)榛胁ㄊ瞧蜓貛r體傳播的怨，它的速度與革巖體的地質(zhì)因執(zhí)素有關(guān)，因而去可根據(jù)滑行波飼波速的變化，斤了解孔壁相應(yīng)歸巖體的地質(zhì)構(gòu)踐造和物理力學(xué)恥性質(zhì)。略圖鐘2舞欣單孔孔中測(cè)定掙工作原理示意柜圖禁1奪－直達(dá)波術(shù)搭駱2典－反射波刪殖監(jiān)3樹－甲折射波（滑行蒜波）她F滿－吩發(fā)射換能遵器壺S弱－掉接收換能鞋器銀欄－折射波的入賄射角歌滑行波在巖體章中傳播的時(shí)悉間填T請(qǐng)可直接由儀器辮讀出，滑行波渾傳播的距析離原L盟是設(shè)計(jì)探頭時(shí)婦就確定下來的賽，這樣滑行波靈的速度（巖體冠聲波波速渡）改V括可由公式蹦求出。妨圖裳3傅姻單孔晶－湖發(fā)雙收探頭工書作原理示意圖背F錫－發(fā)射換能靠器柏姿－接收換能轉(zhuǎn)器晚1斑朋－接收換能器酬2彩L蜘－由發(fā)射換能肝器到接收換能肝器位1睛和由接收換能裝器伴1箏到接收換能封器鐘2丟的距離曲單孔罵－隊(duì)發(fā)雙收式換能脅器可做雙收法聰和單收法兩種語(yǔ)測(cè)量，如嶄圖厭3代所示。當(dāng)采用傾單收法測(cè)量時(shí)態(tài)，由發(fā)射換能狗器階F旋到接收換能器迫，聲波傳播所遞經(jīng)過的距離虎為夸a+d+璃b穴，傳播時(shí)間為首；車由發(fā)射換能昨器廉F肚到接收換能器豎所經(jīng)歷的距離逃為婚a+d+e+竭c立，傳播時(shí)間為邪，其受中浙a祝、牢b舞、小c蛙為聲波在水中閃傳播的距離，詞因辰為戚a=b=導(dǎo)c禮，所以恥。嗓而丙d送和科e壯是聲波在巖壁誓中傳播的距離堵，其傳播時(shí)間炮為命和頌，所以，當(dāng)近型似認(rèn)法為巧e=d=忙L風(fēng)時(shí)，單收法測(cè)裕得的聲速（聰巖體聲波速度尊）弟為：吳稍宣曲或館叮遵上兩式中由儀服器中讀得，厭和肌為聲波兩次在向水中傳播的時(shí)留間，掏為聲波兩次在鉛水中傳播的時(shí)哨間，馬或章。公雙收法測(cè)量時(shí)喉，可將聲波在丸水中傳播的時(shí)帝間消除掉，而手在儀器中顯示但出來的僅是聲斬波在巖體中的嬌傳播時(shí)說間明T揮。突雙收法測(cè)試時(shí)頓，聲波傳播的琴距離等于單收憑法掙2簽傳播的距離減顫去單收渴法錦1施傳播的距離，僵即箭﹙算a+d+e+瞧c宴﹚﹣﹙棵a+d+b桌﹚﹦?dòng)芿剖﹦淚L盼雙收法測(cè)試聲痕波傳播的時(shí)間原為辣T匙=嫩，所以雙收法激測(cè)得得得巖體喬聲速恭。政在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中跌，一般采用雙習(xí)收法進(jìn)行測(cè)量必。尺三、聲波測(cè)試基應(yīng)用實(shí)例脫洞室圍巖松動(dòng)目圈的聲波測(cè)試鏟天然狀態(tài)下的良地殼巖層，處予于一種自然平協(xié)衡狀態(tài)。由于賽在巖體中開挖室洞室改變了巖鍋體的邊界條件覽，從而破壞了窩巖體的自然平嘆衡狀態(tài)，使得洲巖體中的自然欣應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變趴化，在洞室附寄近一定范圍內(nèi)惰圍巖形成三個(gè)嫌應(yīng)力分區(qū)，因櫻此洞室圍巖同辟時(shí)存在松動(dòng)區(qū)使、塑性區(qū)和天航然狀態(tài)區(qū)。有隆效的測(cè)量松動(dòng)領(lǐng)區(qū)的范圍是確序定圍巖荷載和疾襯砌支撐力的攝主要依據(jù)。謹(jǐn)此次以某一巷膏道洞室松動(dòng)區(qū)系的測(cè)試為例，燒測(cè)試儀器采用峰淮南工學(xué)院工挺程監(jiān)測(cè)中宇心捕GIY-該1束型工程檢測(cè)儀冰。洞室頂標(biāo)高瞞為藏-462m價(jià)，巷道頂板為遇中粒砂巖，泥薯質(zhì)膠結(jié)，疏松搖易風(fēng)化，節(jié)理亡不發(fā)育，側(cè)幫辮及底板為砂質(zhì)恐泥巖，節(jié)理十停分發(fā)育。硬具體測(cè)試采用恨一發(fā)一收夠做吼方式，鉆孔分均別分布在邊墻暈、頂拱和拱角圈等部位見咬圖餡4耀，然后人工錘懶擊激發(fā)聲頻應(yīng)禍力波，錘擊時(shí)不盡量減少錘擊窯接觸時(shí)間已克內(nèi)服震源產(chǎn)生的氧面波干擾。傳洪感器接收采自舒巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩信息，將被測(cè)羞震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸入剩儀器，經(jīng)程控戶放大后帶通濾亭波宵與瞞A顏／混D熱轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入浪電腦數(shù)據(jù)處理慎。鄰每測(cè)孔至少重膨復(fù)測(cè)試一次。注對(duì)于中粒砂巖庸和砂質(zhì)泥巖兩購(gòu)種不同巖性的瓦巖體，采用在瓜同一巖性激發(fā)穩(wěn)信號(hào)和測(cè)孔內(nèi)嫁接收信號(hào)的方館法，以減少巖惱石各向異性對(duì)日聲波的影響。往最后計(jì)算波速顏圖殼4涌煮松動(dòng)圈測(cè)試布付孔示意圖躁時(shí)，校正了儀含器的滯后延時(shí)評(píng)（華），并作出縱熱波波速、測(cè)點(diǎn)婆至洞壁面的距挨離關(guān)系曲線。龍即堤曲線（跨圖篩5繪）。雨圖愁5鈴贊各測(cè)孔鹽曲線圖箭分析稼圖造5尤，曲線的前部式波速較低，隨笛著孔深的增加堆，波速也增加斧，并逐漸趨于惑穩(wěn)定值，說明襯洞壁圍巖出現(xiàn)螞了塑性剛破壞區(qū)，各曲體線堤上孝A候點(diǎn)朽或匙B父點(diǎn)所對(duì)應(yīng)鞋的閑L甚值即為松動(dòng)區(qū)穿的厚度。孤巷道圍巖三分鉤帶典型的剩曲線為搞圖嗎6婆所示類型，圖司中彎C女點(diǎn)左側(cè)為圍巖察的松動(dòng)區(qū)戒，嚴(yán)C滲D肺區(qū)間為塑