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超声波检测技术在岩体物性测试中的应用

【摘要】超声波检测技术是根据超声波在岩石介质中传播中产生的折射、

透射等现象和特殊波,来判定岩体结构特性。本文通过阐述声波检测技术的工作

原理,超声波在岩体的传播规律,论述了超声波检测技术在岩体物性中的应用。

【关键词】超声波检测技术;岩体物性;应用

0.前言

岩体原有的应力平衡在才开过程往往因为破坏而被打破,应力经过重新分

布,形成新的平衡。如果对重新分布的应力没有较好的把握,会对工程工作带来

危害,如:在高地应力地区修筑地下洞室时,常遇到坚硬岩层中的岩爆现象和软

弱岩层中的流变现象。因此研究岩体特性及应力变化规律对确保安全施工具有重

要意义。

1.波速法

波速法检测通过研究岩体弹性参量、应力状态等因素和波速的关系,检测岩

体额特性和结构。根据波速法求得弹性模量,通过分析弹性模量可了解岩体物性

及力学指标。

1.1波速法检测的原理

(1)岩体弹性参量与波速之间的关系。介质的波速能有效的反应物体的形

变,岩体内的超声波的纵横波分别代表了岩体的不同形变,横波反映横向剪切形

变,纵波反映了岩体的拉伸或压缩,并且横向、纵向变形的比值对其影响较小。

纵波与横波速度的比值反映了岩体的完整性,若比值较大,横向则易于膨胀,介

质较为脆弱。但由于同一波长的纵波、横波受测试条件,岩体传播条件的影响,

应根据具体情况而定。在各向同性岩体中根据纵、横波速,能够求得岩体的弹性

参量。

动弹性模量E=(v:纵波波速,v:横波波速)(公式一)

从上述(公式一)、(公式二)可知,超声波的岩体传播速度与p的开方成

反比,与动弹性模量Ed的开方成正比。由于气体和液体内部μ=0,通过(公式

二)可知,vs=0,因此横波不能在这两种介质中传播。纵波速度随着岩体饱和

度的增加,受土股价影响逐渐减弱。Ed很难反映土体特性。由于土中横波特性

不受含水量的影响,因此多用横波波速vs和μ=pv2s划分高饱和度土层的地层

及土层性质。

泊松比是指物体横向应变与纵向应变的比值,也叫横向变形系数,能准确的

反映反映土体变形特性。根据实测波速确定泊松比的方法称为动泊松比。介质的

泊松比值的变化范围为0~0.5;流体泊松比值为0.5;大多岩石泊松比在0.25左

右;刚性岩石泊松比值为0.05,由于土的饱和度和土层深度成正比,土层的泊松

比也随着土层深度增加而增大。

静弹性模量E=0.25E

岩体准抗压强度R=R()(v,v:现场实测岩体、岩体试块的纵、横波

速)。

岩石的抗压强度和结构面的性质,决定了岩体的抗压强度,并且通过实践验

证,岩石抗压强度和波速间为线性关系。

(2)波速和岩土性质的关系。根据纵、横波的波速比值可大致判断断层、

破碎带的分布范围、岩石特性。如vp/vs在1.7左右,vp较高时,未风化基岩

可能性较大;如vp较低,砂石或卵石可能性较大;如vp/vs较高,但vp比

较小可判断为经常在水位以上的粘性土壤;当纵波值和水的波速(1450m/s),而

波速比值较高,大概为软粘土存在。泊松比是反应岩石质量的重要指标,如

σ=0.25左右,岩石质量较好;σ=0.35左右时,岩石风化现象较为严重。

(3)岩体应力与波速的关系。根据对岩石式样单轴压应力作用下的观测,

岩体应力和波速的关系如图1,但两者之间的内在联系和物理机制尚未有研究结

果。

图1声波—应力的关系曲线

(4)岩体密度与波速的关系。p对动弹性模量的影响最大,当岩体裂隙减

小,密度增大时,Ed将迅速上升导致声速增大,进而波速也增大。

1.2波速法主要应用

波速法检测的应用主要在以下方面:

(1)根据图1声速—应力关系曲线,通过岩体钻孔测得不同深度的声速值,

与曲线上声速相比较,可以准确的把握岩体应力分布状态。

(2)岩层顶板裂隙检测。通过在一条穿过裂隙的侧线布置发射和接收探头

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