《岩体声波测试》课件

岩体声波测试岩体声波测试先进工程地质勘察技术课程概述1基础理论声波传播机理2测试方法单孔、跨孔与表面法3数据分析声波参数处理技术4工程应用隧道、边坡评估案例学习目标掌握基本原理理解声波测试物理基础熟悉测试方法操作仪器设备能力数据处理能力解读测试结果工程应用能力解决实际工程问题第一章声波测试基础基本概念声波定义与特性传播特性岩体中的波传播规律波种类型纵波、横波等波参数速度、频率、波长声波的基本概念

1.1声波定义传播介质能量传递机械扰动传播现象需弹性体作为载体粒子振动不位移声波在岩体中的传播特性

1.2弹性变形能量衰减1应力扰动传递几何扩散吸收2速度变化散射反射43受介质特性影响界面分界面现象纵波和横波

1.3纵波波横波波速度差异PS振动方向与传播方向平振动方向垂直于传播方纵波传播速度大于横波行向波动方程

1.4位移方程描述介质中粒子运动应力应变关系-弹性体变形与应力关联纵波波动方程二阶偏微分方程横波波动方程描述剪切变形传播特性声波参数速度、频率、

1.5波长参数符号单位意义速度传播快慢v m/s频率波动周期数f Hz波长相邻波峰距离λm关系式三者关系v=fλ-声波在界面的反射与折射

1.6入射角反射角=1反射角度关系斯涅尔定律2折射角度关系能量分配3反射折射能量比相位变化4硬界面反射相位变化第二章岩体声波测试原理发射声波1产生机械振动波传播2通过岩体介质接收信号3转换为电信号数据分析4推断岩体特性声波测试的基本原理

2.1产生声波1振动源激发传播2波在岩体中扩散接收3探头捕获信号信号处理4波形分析计算声波测试仪器组成

2.2主机系统发射系统控制数据采集处理产生激励信号12连接系统43接收系统电缆与供电设备捕获传感器信号发射与接收换能器

2.3发射换能器接收换能器电能转化为机械波机械波转为电信号多种频率选择高灵敏度设计方向性特征频响特性平坦声波信号的产生与接收

2.4电脉冲激励高压电信号输入压电效应电能转换为振动波传播穿过岩体介质信号接收振动转换为电信号声波测试方法分类

2.5单孔法跨孔法表面法同一钻孔内测试不同钻孔间测试岩体表面测试单孔测试法

2.61测量原理2探头结构同一钻孔内声波传播发射接收组合探头3测试参数4应用范围速度、波形衰减岩体分层、裂隙识别跨孔测试法

2.7测量原理声波跨孔传播孔距设计取决于岩体特性测试参数波速、波幅变化优势岩体横向变化特征表面测试法

2.8激励方式接收方式测距要求锤击或专用激振器表面接收传感器阵列点距需精确测量第三章岩体声波测试设备主机系统换能器附属设备数据采集处理核心不同类型与规格连接件与辅助工具声波测试仪主机

3.1发射模块接收模块产生激励脉冲信号信号放大与采集12显示控制43数据处理参数设置与显示信号分析与存储换能器类型及选择

3.2类型频率范围适用环境灵敏度干孔型无水钻孔中等20-100kHz水孔型水充填孔高10-80kHz表面型岩体表面低5-50kHz干孔测井换能器

3.31结构特点2耦合方式弹簧压紧装置机械压力直接接触3使用条件4频率特性干燥无水钻孔较高频率响应水孔测井换能器

3.4结构特点耦合方式使用条件密封防水设计水介质声波传导水充填钻孔环境压电换能器

3.5工作原理1压电效应能量转换材料选择2压电陶瓷或石英结构设计3背衬、匹配层结构性能参数4灵敏度、频响、方向性测试系统配置

3.6基础配置1主机标准换能器+标准配置2基础多种探头+专业配置3标准分析软件+研究配置4专业定制模块+第四章岩体声波测试方法测前准备设备检查与校准测点布置科学合理测线设计现场测试操作规范与质控数据记录完整准确信息记录测试前的准备工作

4.1设备检查系统校准现场踏勘电量、功能、配件时间零点、增益调整环境条件确认测点布置与测线设计

4.2工程需求分析地质条件评估1明确测试目标岩性与构造特征2测线方向选择测点密度确定43考虑岩体各向异性基于精度要求单孔测试操作流程

4.3探头组装换能器连接检查下放定位测深控制精确参数设置增益、采样率调整数据采集信号质量确认跨孔测试操作流程

4.4同步校准1发射接收时间同步探头定位2同深度精确定位发射接收3多次重复采样上下移动4按间距逐点测试表面测试操作流程

4.5表面处理清理确保良好接触换能器布置按设计间距固定耦合剂应用确保声波有效传导多点测试按测线逐点进行数据采集与记录

4.6记录项目内容重要性基本信息时间地点人员高测点坐标空间位置关系高设备参数型号、设置中环境条件温度、湿度中现场测试注意事项

4.7安全第

一、设备保护、数据备份、环境适应第五章声波数据处理与分析信号预处理初至波确定频谱分析滤波、增益调整时间精确识别频域特征提取声波信号预处理

5.1噪声滤除信号增强基线校正叠加平均带通滤波处理增益与归一化零漂移补偿多次采样提高信噪比初至波时的确定

5.21阈值法设定振幅阈值识别2能量比法窗口能量突变检测3相关法波形匹配识别4人工拾取专业判读干预声波速度计算方法

5.3测量路程发射接收距离测量时间初至波到达时间计算速度距离除以时间修正校准考虑系统延时波形分析技术

5.4波形特征波形对比模式识别振幅、相位、周期相邻测点变化特征典型波形特征提取频谱分析方法

5.5快速傅里叶变换功率谱密度1时域转频域分析能量分布特征2频域特征识别频谱参数提取43岩性频谱指纹主频、带宽确定声波衰减分析

5.6衰减系数计算1波幅距离关系几何扩散分析2能量空间分布规律介质吸收评估3材料内能量损耗散射损失估计4非均质体内能量分散各向异性分析

5.7不同方向速度差异、层状结构影响、节理系统效应第六章岩体参数反演动力学参数静力学参数岩体评价弹性模量计算经验公式转换质量分级标准岩体动力学参数计算

6.1参数名称计算公式单位动弹性模量E=ρVp²1+μ1-GPa2μ/1-μ动泊松比μ=Vp²--2Vs²/2Vp²-2Vs²动剪切模量G=ρVs²GPa体积模量K=ρVp²-4Vs²/3GPa岩体静力学参数估算

6.2经验关系式影响因素精度控制动静关系经验公式岩性、风化度参数确定需对比验证应力水平影响不同岩性系数差异大Es=a×Ed+b岩体完整性评价

6.3波速指标速度比1相对波速比值实测与理论速度比2波形特征衰减特性43波形完整性指标频率衰减指标岩体分类与评级

6.4类岩体I1完整高强度类岩体II2较完整中强度类岩体III3破碎低强度类岩体IV4极破碎极低强度岩体损伤度评估

6.50完好岩体无损伤基准值

0.3轻微损伤波速降低30%

0.6中度损伤波速降低60%

0.9严重损伤波速降低90%岩体应力状态分析

6.61声波速度与应力关系压力增加波速提高2声波各向异性与主应力方向性揭示应力场3临界应力识别破裂前波速变化特征4卸荷效应评估开挖后应力释放第七章工程应用案例隧道工程边坡工程地下工程超前预报与质量评估稳定性评价应用围岩稳定性监测隧道工程中的应用

7.1掌子面超前探测前方地质条件预报围岩分类与支护支护方案优化开挖扰动区评估松动圈范围确定支护效果检验注浆加固评价边坡工程中的应用

7.2边坡结构探测1内部结构识别风化带厚度确定2风化深度评估脆弱结构面探测3潜在滑动面确定边坡监测4变形破坏前兆识别地下洞室工程中的应用

7.3洞室布置优化开挖设计依据支护参数确定施工质量控制基于岩体质量评价岩爆预测与评估锚固区岩体特性开挖与支护验收采矿工程中的应用

7.4矿体边界划分爆破效果评价顶板稳定性监测矿岩界面精确确定爆后岩体破碎度采空区安全评估水利水电工程中的应用

7.5坝基完整性评价1地基质量分析帷幕灌浆效果检验2防渗处理效果岩溶发育程度评估3溶洞与岩溶通道库岸稳定性分析4浸水软化影响声波测试在岩体工程中的局限性

7.6分辨率限制小尺度缺陷难识别环境干扰敏感施工噪声影响大参数转换不确定性动静参数关系复杂非均质体解释难度地质条件复杂区域第八章新技术与发展趋势全波形分析、三维成像、无线传感、智能解释全波形声波测井技术

8.11技术特点完整波形记录分析2信息获取波、波、斯通利波P S3数据处理多波成分分离技术4应用优势岩体特性全面评价声波成像技术

8.2层析成像波形反演多点交叉射线重建物性参数空间分布12精度提升43三维可视化算法优化与多尺度分析立体结构直观展示声波测试与其他方法的结合应用

8.3与电法结合与地震法结合与钻探结合与监测系统结合电阻率与波速互补多尺度综合解释点线面结合验证实时动态评估。