同济大学土木工程4声波测试技术与声发射监测技术.pptx

2024/4/8 周一1土木工程2024/4/8 周一2土木工程4-0 4-0 概述概述弹性波：弹性波：振动在弹性介质中的传播，形成了弹性波振动在弹性介质中的传播，形成了弹性波声波是弹性波的一种声波是弹性波的一种声波的概念声波的概念（2020000HZ）声波是介质中振动的质点，将振动的能量传递给给周围的质点，声波是介质中振动的质点，将振动的能量传递给给周围的质点，引起周围质点的振动，从而以波动的形式将声能向外传播。引起周围质点的振动，从而以波动的形式将声能向外传播。声波测试的应用依据：声波测试的应用依据：目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时目前所用的声波测试方法，以测量声波在介质中传播的时间和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为间和在介质中传播一定距离后脉冲（或振幅）的衰减值为依据依据.2024/4/8 周一3土木工程声波测试技术：声波测试技术：岩体声波探测技术是以人工的方法，向介质岩体声波探测技术是以人工的方法，向介质(岩石岩石和岩体和岩体)辐射声波，观察声波在介质中传播的情况辐射声波，观察声波在介质中传播的情况和特性。由于介质的物理性质不同，其传播速度和特性。由于介质的物理性质不同，其传播速度等参数也不相同。应用这个基本原理，作为分析等参数也不相同。应用这个基本原理，作为分析或测定岩体的物理性质和力学性质的依据。或测定岩体的物理性质和力学性质的依据。特点特点属于无损检测的方法。属于无损检测的方法。4-0 4-0 概述概述2024/4/8 周一4土木工程应用：应用：1 1利用声波参数，对工程岩体进行分类、分级；利用声波参数，对工程岩体进行分类、分级；2 2评价地下工程围岩的稳定性；评价地下工程围岩的稳定性；3 3工程地质勘探钻孔及孔间地质剖面分层，确定风化层工程地质勘探钻孔及孔间地质剖面分层，确定风化层厚度；厚度；4 4岩石和岩体的物理力学性质的测定；岩石和岩体的物理力学性质的测定；5 5岩体中存在缺陷的探测；岩体中存在缺陷的探测；6 6工程岩体施工及加固措施效果的检测。工程岩体施工及加固措施效果的检测。4-0 4-0 概述概述2024/4/8 周一5土木工程波动方程：拉密运动方程波动方程：拉密运动方程4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一6土木工程拉密运动方程的推导拉密运动方程的推导X方向的平衡方程：方向的平衡方程：X方向上利用牛顿第二定律方向上利用牛顿第二定律4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一7土木工程拉密运动方程的推导拉密运动方程的推导三个方向的运动方程：三个方向的运动方程：弹性介质本身的特性弹性介质本身的特性4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一8土木工程拉密运动方程的推导拉密运动方程的推导三个方向的运动方程：三个方向的运动方程：代入整理可得代入整理可得4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一9土木工程1 1）纵波传播速度推导）纵波传播速度推导定义：质点振动方向与波的传播方向一致。定义：质点振动方向与波的传播方向一致。纵波波速纵波波速4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一10土木工程2）横波传播速度推导）横波传播速度推导定义：沿质点振动方向与波的传播方向垂直。定义：沿质点振动方向与波的传播方向垂直。4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律横波波速横波波速2024/4/8 周一11土木工程3 表面波表面波定义：沿介质表面和交界面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波（也定义：沿介质表面和交界面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波（也称瑞利波，称瑞利波，R R波）。波）。注意面波与纵波和横波传播介质区别：注意面波与纵波和横波传播介质区别：R R波在层状介质中传播。而纵波波在层状介质中传播。而纵波和横波是在均匀介质中传播。和横波是在均匀介质中传播。R R波波速估算：波波速估算：4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一12土木工程三种波波速的关系三种波波速的关系4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一13土木工程4 波速度比较波速度比较纵波和横波纵波和横波注意：注意：利用各种波的速度差异，可以利用各种波的速度差异，可以帮助帮助在记录中识别各种波。在记录中识别各种波。实际应用时，由于实际应用时，由于S S波发生和接受均较困难，故一般多利用波发生和接受均较困难，故一般多利用P P波波进行测试（但不是绝对的）。进行测试（但不是绝对的）。对多数岩石，泊松比约为对多数岩石，泊松比约为0.25,0.25,纵波速度大于横波速度，故纵波又称纵波速度大于横波速度，故纵波又称P P波（波（PrimaryPrimary，初至波）；横波又称，初至波）；横波又称S S波（波（SecondarySecondary，次至波）。，次至波）。4-1 4-1 声波的传播规律声波的传播规律2024/4/8 周一14土木工程4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术1 1 声波的利用：声波的利用：波速、振幅、频率、波形等；目前利波速、振幅、频率、波形等；目前利用最多的是波速，特别是纵波波速。用最多的是波速，特别是纵波波速。2 2 弹性参数：弹性参数：2024/4/8 周一15土木工程2 2 影响岩体（石）波速的主要因素：影响岩体（石）波速的主要因素：(1)(1)岩石越致密，岩体声速越高。岩石越致密，岩体声速越高。(2)(2)结构面的存在，使得声速降低。使声波在岩体中传播时结构面的存在，使得声速降低。使声波在岩体中传播时存在各向异性。存在各向异性。(4)(4)岩体风化程度大，破碎，裂隙发育，则声速低。岩体风化程度大，破碎，裂隙发育，则声速低。(5)(5)应力的关系：压应力方向上声波速度高。应力的关系：压应力方向上声波速度高。(6)(6)孔隙率孔隙率n n大，则波速低；密度高、单轴抗压强度大的岩大，则波速低；密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。体波速高。4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一16土木工程3 3 声波探测仪器设备和使用声波探测仪器设备和使用岩体声波探测是声波发射、传播及接受显示的过程岩体声波探测是声波发射、传播及接受显示的过程,声波探声波探测仪由测仪由发射换能器、接收换能器和声波仪组成。发射换能器、接收换能器和声波仪组成。4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一17土木工程3 3 声波探测仪器设备和使用声波探测仪器设备和使用（1 1）换能器的布置方法：）换能器的布置方法：穿透法穿透法室内实验室内实验现场测试现场测试:双孔孔间穿透法双孔孔间穿透法4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一18土木工程反射法反射法T R界面1界面2界面3深 度 时 间 目的物反射法反射法4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一19土木工程剖面法：剖面法：4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一20土木工程5 5 声波测试的应用声波测试的应用:地质工程地质工程 岩土工程岩土工程 结构工程结构工程 1 1 地质工程：地质工程：1 1）围岩松弛带的测试围岩松弛带的测试4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术岩体完整岩体完整,节理裂隙节理裂隙,可可认为未有松驰带。认为未有松驰带。波速与孔深的关系波速与孔深的关系洞壁出现应力集中现象洞壁出现应力集中现象,岩岩体保持完整。体保持完整。松弛带松弛带 应力上升应力上升 原始应力带原始应力带应力集中现象不明显应力集中现象不明显,近洞近洞壁岩体完整性降低壁岩体完整性降低,存在松驰存在松驰带带2024/4/8 周一21土木工程1 地质工程：地质工程：2）评价完整性程度，估算岩体强度。评价完整性程度，估算岩体强度。4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术Cm0.750.75Cm0.45Cm0.45完整性好完整性较好完整性差据完整性系数进行岩体质量分级据完整性系数进行岩体质量分级n工程岩体分级标准 GB50218-94n公路隧道围岩分类规范(JTJ026090)2024/4/8 周一22土木工程1 地质工程：地质工程：2）评价完整性程度，估算岩体强度。评价完整性程度，估算岩体强度。4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术n试块强度试块强度声波测试声波测试岩体强度岩体强度2024/4/8 周一23土木工程1 地质工程：地质工程：3）声波测井声波测井4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一24土木工程2 岩土工程：岩土工程：1）岩土体力学参数确定岩土体力学参数确定4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一25土木工程2 岩土工程：岩土工程：1）岩土体力学参数确定岩土体力学参数确定4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一26土木工程2 岩土工程：岩土工程：2）桩基完整性检测桩基完整性检测4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术反射法2024/4/8 周一27土木工程TSP系列隧洞地震探测仪超前探测原理示意图 最大探测距离达最大探测距离达500m，有效探测距离有效探测距离150m，最高分辨率最高分辨率1m。2 岩土工程：岩土工程：3）隧洞内超前探测隧洞内超前探测4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一28土木工程经验公式经验公式3 结构工程：结构工程：1）混凝土厚度检测混凝土厚度检测4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术2024/4/8 周一29土木工程4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术3 结构工程：结构工程：2）混凝土空洞检测混凝土空洞检测经验公式经验公式2024/4/8 周一30土木工程直接检测直接检测 沿面检测沿面检测4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术 3 结构工程结构工程 3）混凝土裂缝检测混凝土裂缝检测2024/4/8 周一31土木工程4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术 3 结构工程：结构工程：3）混凝土裂缝检测混凝土裂缝检测2024/4/8 周一32土木工程4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术 3 结构工程：结构工程：3）混凝土裂缝检测混凝土裂缝检测2024/4/8 周一33土木工程4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术 3 结构工程：结构工程：3）混凝土裂缝检测混凝土裂缝检测贯穿裂隙的探测贯穿裂隙的探测2024/4/8 周一34土木工程4-2 4-2 声波探测技术声波探测技术 3 结构工程：结构工程：4）深孔法混凝土裂缝检测深孔法混凝土裂缝检测