浅谈岩石超声波测试技术

2011-01-31范瑞迪

科学之友 2011年10期

范瑞迪

（广东省物料实验检测中心，广东广州 510080）

1 声学测试原理

声波测试是弹性波测试方法中的一种，当外力对弹性介质的某一部分产生初始扰动时，由于介质的弹性，这种扰动将由一个介质点传播到另一个质点，如此连续下去，即出现弹性波。弹性波是一种扰动的传播，是一种机械波即机械能在介质中的传播。由物理学知：F＝L/T。频率的单位是赫兹（Hz），即每秒钟振动的次数，空气中的弹性波当其频率为20～2 000 Hz时，通常称为声波，人耳能感知，当其频率低于20 Hz时，称为次声波，而高于2 000 Hz时，则称为超声波，声波测试技术中常把声波和超声波泛称为声波。

在固体、液体、气体中，由于拉—压型变而产生的弹性波常称为纵波Vp，在固体中由于切变而产生的弹性波称为横波Vs。

Vp＝E（1－μ）/ρ（1＋μ）（1－2μ）

Vs＝E/2ρ（1＋μ）

由此可知，Vp与Vs均与岩体的弹性模量E、泊桑比μ、密度ρ有关。

单轴压力和波速之间有着一定的对应规律，即随着岩石所受应力的增加，波速也相应地增加，当受力过大、达到破坏时，波速有减少的规律。岩石试件超声波波速测定结果表明：凡是抗压强度高的岩体（岩石），其波速也大。这是由于岩石的抗压强度是由其结构面的性质决定的。通过对不同岩石分组测试速度后，再测定抗压强度，可看出岩石的抗压强度和波速之间大体上为一线性关系。

纵波和横波波速与岩石介质的弹性模量之间有着对应的数理关系：纵波反应岩石拉伸和压缩形变，只受法向控制，表征岩石强度及变形特征；横波则反应岩石的剪切形变特征，可以反应岩石的弹性特征。岩石的纵横波波速比（Vp/Vs）表征岩石的完整程度，也就是岩石泊桑比μ的变化特征。这就是利用声波波速来判断岩石弹性参量的物理前提。

总之，由于岩石的受力状态不同、岩性及成岩年代不同、结构和破碎程度不同和抗压强度不同，因而岩石超声波特性会有很大差异，使我们有可能利用测量波带的变化，对比和分析超声波波形，研究能量的衰减等超声波特性来确定岩石的结构、强度、反应状态，并作出岩石稳定和工程地质变化评价。

2 现场测试方法

2.1 岩石试件

岩性和尺寸与建筑石料相同。岩石新鲜清洁、平整，有一组相对平面基本平行，无裂纹、空穴、锈斑疵病。

2.2 操作方法

在一相对较好的平面上，涂上凡士林或黄油，将发射换能器和接收换能器紧帖在其表面上，成对穿状。用钢尺精确量出两换能器接触面的直线距离 L，开动机器，读出纵波初至时间Tp和横波初至时间Ts，将已测得纵波速度Vp代入经验公式：R石＝12.3Vp2.67，即可求出岩石抗压强度。

用超声波对岩石进行强度检验有许多优点：试验费用低、试验速度快、对岩石没有损坏（无破损试验），有很好的代表性，但试验的可靠程度不好。因此，采用超声波测定岩石的强度，其最佳方法是声波测试法与其他试验方法相结合，以综合试验比较同类岩石的质量。

3 应用实例

某水库枢纽工程位于广州从化，距市区43 km，水库大坝为混凝土砌石重力坝，建坝石料为石灰岩，设计坝高88 m，坝顶长226 m，总库容量3.55亿m3，坝后电站总装机容量12 000 kW，是一座以农业灌溉为主，兼有发电、工矿和城市生活供水及向下游补水等综合效益的大型水利工程，该水库工程目前正在建设中。应用超声波测试技术，对此水库坝基岩石分别进行了超声波测试和单轴抗压强度试验。

根据R石＝12.3Vp2.67经验公式，由声波值推算的强度值见表1。

表1 声波值推算强度值

由表1可见，根据R石＝12.3Vp2.67经验公式推算的强度值与单轴抗压强度实测值有较大的偏差，考虑到声波测试强度值的特点，对声波波速和抗压强度值进行回归分析，其结果见表2。

由相关系数可见，3种回归方程的相关性都比较好。建立了回归方程以后，提高了声波测试岩石强度值的可靠性，再利用它的测试速度快、费用低、无破损等优点，可以及时、准确地推算出岩石的抗压强度值，这对指导工程施工有重大的意义。超声波检测技术不仅可测定岩石的强度值，还可以测定基岩的疏松、裂缝、孔洞等缺陷，当测试发现这些缺陷后，即可对这些部位进行固结灌浆，使岩石裂隙充填固结、堵塞裂隙，使弹性模量增高，降低渗透率，提高隔水性能，提高岩石的完整性、稳定性和抗压强度。