超声波测试在岩石试验中的应用分析

资源信息与工程

Ｖｏｌ．３３№４Ａｕｇｕｓｔ２０１８

超声波测试在岩石试验中的应用分析

刘　利

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙４１００００）

摘　要：在地质工程作业中，岩石弹性模量、泊松比、抗压强度是岩体稳定性评价与工程设计施工必须考虑的力学参数。在对参数测定时，超声波测试具有简单快捷、经济可靠的优势，可同时测定多项动态岩体力学参数。本文首先对岩土体超声波测试技术原理展开分析，探讨了超声波测试在岩石试验中的应用情况，最后就相关工程案例展开论述，以期可为类似项目提供参考。

关键词：超声波测试；岩石试验；物理力学参数；工程实例中图分类号：ＴＵ４５

文献标识码：Ａ

文章编号：２０９６－２３３９（２０１８）０４－００３９－０２

　　岩石中声波的传播特征是岩体物理性态的反映，也是评价岩体稳定性、完整性的重要依据。目前，在岩土体力学研究方面，超声波检测方法的应用越加广泛，通过取得相关超声波声学参数，可间接了解岩石或岩体的物理力学特性、结构特征，解决一系列岩土工程中的相关问题。

超声波测试在岩石试验中的应用提供了相应的理论基础。

目前，超声波测试应用最为广泛的是岩石力学参数的计算，早在上个世纪３０年代末，专家们就采用超声波对岩石弹性性质展开研究，２０世纪末我国学者林英松采用超声波测试法对三轴应力作用下砂岩、泥岩等干岩样进行了岩石力学参数的动静同步测试，并开展了相应的线性回归分析，为声学工具测定岩石力学静态参数提供了理论依据。近年来，超声波测试技术的应用越来越多，如：２００７年，杨圣奇等对不同尺度、不同粒径的大理岩块开展了超声波测试，分析了其声学特性参数的离散程度，并探讨了粒径对声学参数的影响；２０１１年，吴豪伟等利用超声波测试岩体和岩块中的波速，并以此对岩体完整性系数进行计算和评价。

２．２　超声波测试在岩石破裂方面的应用

在岩石力学研究中，岩石裂纹扩展是一大热点问题，其与岩石非线性变形、体积膨胀等密切相关，破裂存在不可逆性，因此必须了解其破裂过程方可认识岩石力学行为。

波速对微结构敏感，当结构内部的细微变化都会使波速发生改变。超声波测试在岩石试验中的应用目的主要有三个：内部孔隙和裂纹的缺陷检测、岩石物性变化的测试、岩体耐久性的测试。根据相关研究显示，岩石的应变松驰变化幅度与波速变化幅度相关，应力作用下裂纹非线性演化行为与荷载作用下岩石弹性性质密度相关。基于波速对岩石结构不同的响应，可将其用于完整岩石、破碎岩石的区分，在相关岩土工程设计施工中具有重要的应用价值。

１　岩土体超声波测试技术分析

岩土体超声波测试技术，是近年来发展起来的一种新型检测方法，它通过测定超声波穿透岩土体后的声波波速、衰减系数，获取相应的岩土体物理力学特性、结构特征，其方向感较强、指向性较好、穿透能力突出，同时设备轻便，使用方便经济。

超声波测试原理如下：通过人工方式在试样／结构内激发一定频率的弹性波，并以不同频率在试样／结构内部传播，最后采用仪器接收相关信号（包括超声波传播时间、振幅、波形、频率等），经分析后获得试样／结构的力学特性等。超声波测试系统框图见图１。

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２　超声波测试在岩石试验中的应用情况

超声波测试技术是岩土体物理力学研究的重要手段，现主要围绕超声波测试在岩石试验中的应用情况展开论述。

２．１　超声波测试在岩石力学参数方面的应用

岩石内声波的产生、传播、观测以及各种效应与岩石本身的关系，已形成一门新的学科———岩石声学，这也为

３　实例探析

３．１　试验概况

本次试验以某工程地质详勘所得的岩芯为试块，分为三级，共计１２块，Ｉ级岩样裂隙清晰，ＩＩ级岩样有胶结

作者简介：刘　利（１９６８－），男，湖南长沙人，本科，实验师，研究方向：岩土工程。

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第３３卷第４期２０１８年８月

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良好的微节理，ＩＩＩ级岩样结构松散，无明显节理、裂隙。试验采用超声波测试技术，利用人工激励的超声波脉冲信号穿透岩石试样，以此获得纵、横波在岩石试样中的传播速度，要求计时系统时间分辨率高于０．１μｓ，纵波、横波测试分别采用凡士林耦合、铝箔耦合。３．２　波速测定

本试验严格按照岩石试验规程进行纵、横波波速测试，具体如下：

（１）对岩样开展外观描述，做好岩样长度的测量与（２）开机预热３～５ｍｉｎ，将纵波与标定硬铝柱间加耦

标”读数法确定纵、横波换能器及仪器收发系统延迟时间，全部做好记录；

（３）在纵波换能器涂上耦合剂，与试块耦合，对接收（４）将岩样端面凡士林全部清理干净，将岩样夹放（５）计算岩样弹性参数：动弹性模量、动泊松比。本试验中各级岩样计算所得的动弹性模量（ＥＤ）、动

波形幅度进行调节，采用首波幅度等幅读数法获取各岩样纵波传播时间，计算纵波波速；

在两个横波换能器间，施以压力，采用“游标”读数法确定横波传播时间，计算横波波速；３．３　计算结果

记录，测量精度达０．０２ｍｍ；

合剂，分别测定纵、横波在硬铝柱中传播速度，采用“游

泊松比（μＤ）如表１所示。

ＩＩ级岩样

表１　Ｉ级岩样动弹性参数计算结果

岩样

密度ρ／（ｋｇ·ｍ）ＥＤ（×１０４ＭＰａ）

μＤ

－３

２６７２７．０５０．２４

１

２６８０７．９１０．２０

２

Ｉ级岩样

２７５７７．３５０．１８

３

２６３１６．６９０．１８

４

２７１５７．１２０．２０

１

２７１５７．３３０．２１

２

２７２５７．５８０．２２

３

２７４４８．４００．１５

４

０．９９－０．４４

２５５８

１

１．７５－０．２８

２４０８

２

ＩＩＩ级岩样

０．８５－０．５３

２４９９

３

３．００－０．２１

２５９２

４

３．４　结果分析

根据表中结果分析而控制，Ｉ、ＩＩ级岩样动弹性参数无异常，ＩＩＩ级岩样内部松散，造成纵、横波波速下降明显，计算时获得了负的泊松比，通过后续静力试验方法排除了主观操作失误。

现主要对纵、横波波速测定时观测发现的问题展开３．４．１　横波波速测试结果分析。

级２号岩样、ＩＩＩ级１号岩样主频分别为４７８Ｈｚ、３６Ｈｚ，前者为高频，后者为低频；（２）波形振幅显著降低。

经分析，主频显著减小是由于Ⅲ级围岩结构松散，在岩石颗粒界面上出现声学耦合“不匹配”现象，纵波无法通过折射的方式穿过孔隙实现直线传播，历程较长，高频不断过滤，最终所得以低频为主；波形振幅显著降低是由于岩样内部不同介质交界面上的反射系数使波形振幅减小，同时内部松散结构引起几何弥散效应，加上吸收机理最终造成波形振幅衰减。

本试验中，由于岩样存在的不同程度发育的节理、裂

隙影响测试结果，故而在岩样圆周每隔３０°取一个方位开展波速测定，共计１２个方位，实现对岩样内部缺陷的全方位测定，并以１２个测值的平均值为最终测量结果。

根据数据分析显示，ＩＩ级２、４号岩样横波波速受张裂隙影响巨大，不同方位测量结果变化巨大；ＩＩ级４号岩４００ｍ／ｓ，降幅达２７％，据分析显示此类围岩无明显节理裂隙，但是由于结构松散、风化严重，使得横波在内部传播时衰减较大，波速大幅下降。

根据各岩样纵波波速测试结果分析显示，Ｉ、ＩＩ级岩３．４．２　纵波波速测试结果

样波速值稳定在２５００ｍ／ｓ，远远低于前两类岩样均值３

４　结语

综上所述，超声波测试技术在岩石试验中已经得到了较广的应用，本文对超声波测试在岩石试验中的应用情况与相关试验展开论述，分析了岩样内部松散结构对波速、波形振幅等的影响，以便更加客观地认识声波在岩石中的传播特性。为进一步提高超声波测试技术应用水平，应加强高品质换能器开发、声波层析成像技术研究，为试验分析提供可靠技术支持。

参考文献：

［１］　魏建新，狄帮让．岩石柱塞样品超声横波速度测试精度分析［２］　杨圣奇，温　森，李良权．不同围压下断续预制裂纹粗晶大理

２００７（８）：１５７２－１５８７．

［Ｊ］．石油地球物理勘探，２０１２（６）：９１８－９２５．

样纵波波速无显著差异，表明裂隙、胶结良好的节理对纵波影响不大；ＩＩＩ级岩样纵波波速显著下降，表明岩样内部结构致密性对纵波影响较大，呈现为正相关关系。

根据ＩＩ级２号岩样、ＩＩＩ级１号岩样的纵波测试数据采集界面分析，发现两个显著变化：（１）主频显著减小，ＩＩ

岩变形和强度特性的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，

［３］　吴豪伟，蔡美峰．块体理论赤平解析法的节理裂隙岩体破坏

预测分析［Ｊ］．中国矿业，２０１１（３）：５７－６０．

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