淺談巖石超聲波測試技術(shù)

范瑞迪

（廣東省物料實(shí)驗(yàn)檢測中心，廣東 廣州 510080）

1 聲學(xué)測試原理

聲波測試是彈性波測試方法中的一種，當(dāng)外力對彈性介質(zhì)的某一部分產(chǎn)生初始擾動(dòng)時(shí)，由于介質(zhì)的彈性，這種擾動(dòng)將由一個(gè)介質(zhì)點(diǎn)傳播到另一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，如此連續(xù)下去，即出現(xiàn)彈性波。彈性波是一種擾動(dòng)的傳播，是一種機(jī)械波即機(jī)械能在介質(zhì)中的傳播。由物理學(xué)知：F＝L/T。頻率的單位是赫茲（Hz），即每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，空氣中的彈性波當(dāng)其頻率為20～2 000 Hz時(shí)，通常稱為聲波，人耳能感知，當(dāng)其頻率低于20 Hz時(shí)，稱為次聲波，而高于2 000 Hz時(shí)，則稱為超聲波，聲波測試技術(shù)中常把聲波和超聲波泛稱為聲波。

在固體、液體、氣體中，由于拉—壓型變而產(chǎn)生的彈性波常稱為縱波Vp，在固體中由于切變而產(chǎn)生的彈性波稱為橫波Vs。

Vp＝E（1－μ）/ρ（1＋μ）（1－2μ）

Vs＝E/2ρ（1＋μ）

由此可知，Vp與Vs均與巖體的彈性模量E、泊桑比μ、密度ρ有關(guān)。

單軸壓力和波速之間有著一定的對應(yīng)規(guī)律，即隨著巖石所受應(yīng)力的增加，波速也相應(yīng)地增加，當(dāng)受力過大、達(dá)到破壞時(shí)，波速有減少的規(guī)律。巖石試件超聲波波速測定結(jié)果表明：凡是抗壓強(qiáng)度高的巖體（巖石），其波速也大。這是由于巖石的抗壓強(qiáng)度是由其結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)決定的。通過對不同巖石分組測試速度后，再測定抗壓強(qiáng)度，可看出巖石的抗壓強(qiáng)度和波速之間大體上為一線性關(guān)系。

縱波和橫波波速與巖石介質(zhì)的彈性模量之間有著對應(yīng)的數(shù)理關(guān)系：縱波反應(yīng)巖石拉伸和壓縮形變，只受法向控制，表征巖石強(qiáng)度及變形特征；橫波則反應(yīng)巖石的剪切形變特征，可以反應(yīng)巖石的彈性特征。巖石的縱橫波波速比（Vp/Vs）表征巖石的完整程度，也就是巖石泊桑比μ的變化特征。這就是利用聲波波速來判斷巖石彈性參量的物理前提。

總之，由于巖石的受力狀態(tài)不同、巖性及成巖年代不同、結(jié)構(gòu)和破碎程度不同和抗壓強(qiáng)度不同，因而巖石超聲波特性會(huì)有很大差異，使我們有可能利用測量波帶的變化，對比和分析超聲波波形，研究能量的衰減等超聲波特性來確定巖石的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、反應(yīng)狀態(tài)，并作出巖石穩(wěn)定和工程地質(zhì)變化評價(jià)。

2 現(xiàn)場測試方法

2.1 巖石試件

巖性和尺寸與建筑石料相同。巖石新鮮清潔、平整，有一組相對平面基本平行，無裂紋、空穴、銹斑疵病。

2.2 操作方法

在一相對較好的平面上，涂上凡士林或黃油，將發(fā)射換能器和接收換能器緊帖在其表面上，成對穿狀。用鋼尺精確量出兩換能器接觸面的直線距離 L，開動(dòng)機(jī)器，讀出縱波初至?xí)r間Tp和橫波初至?xí)r間Ts，將已測得縱波速度Vp代入經(jīng)驗(yàn)公式：R石＝12.3Vp2.67，即可求出巖石抗壓強(qiáng)度。

用超聲波對巖石進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)有許多優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)費(fèi)用低、試驗(yàn)速度快、對巖石沒有損壞（無破損試驗(yàn)），有很好的代表性，但試驗(yàn)的可靠程度不好。因此，采用超聲波測定巖石的強(qiáng)度，其最佳方法是聲波測試法與其他試驗(yàn)方法相結(jié)合，以綜合試驗(yàn)比較同類巖石的質(zhì)量。

3 應(yīng)用實(shí)例

某水庫樞紐工程位于廣州從化，距市區(qū)43 km，水庫大壩為混凝土砌石重力壩，建壩石料為石灰?guī)r，設(shè)計(jì)壩高88 m，壩頂長226 m，總庫容量3.55億m3，壩后電站總裝機(jī)容量12 000 kW，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有發(fā)電、工礦和城市生活供水及向下游補(bǔ)水等綜合效益的大型水利工程，該水庫工程目前正在建設(shè)中。應(yīng)用超聲波測試技術(shù)，對此水庫壩基巖石分別進(jìn)行了超聲波測試和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

根據(jù)R石＝12.3Vp2.67經(jīng)驗(yàn)公式，由聲波值推算的強(qiáng)度值見表1。

表1 聲波值推算強(qiáng)度值

由表1可見，根據(jù)R石＝12.3Vp2.67經(jīng)驗(yàn)公式推算的強(qiáng)度值與單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)測值有較大的偏差，考慮到聲波測試強(qiáng)度值的特點(diǎn)，對聲波波速和抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果見表2。

由相關(guān)系數(shù)可見，3種回歸方程的相關(guān)性都比較好。建立了回歸方程以后，提高了聲波測試巖石強(qiáng)度值的可靠性，再利用它的測試速度快、費(fèi)用低、無破損等優(yōu)點(diǎn)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地推算出巖石的抗壓強(qiáng)度值，這對指導(dǎo)工程施工有重大的意義。超聲波檢測技術(shù)不僅可測定巖石的強(qiáng)度值，還可以測定基巖的疏松、裂縫、孔洞等缺陷，當(dāng)測試發(fā)現(xiàn)這些缺陷后，即可對這些部位進(jìn)行固結(jié)灌漿，使巖石裂隙充填固結(jié)、堵塞裂隙，使彈性模量增高，降低滲透率，提高隔水性能，提高巖石的完整性、穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度。

表2 各類回歸方程的比較

4 結(jié)束語

總之，在現(xiàn)代無損檢測技術(shù)中，超聲波檢測技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)。其試驗(yàn)方法已被列入有關(guān)的技術(shù)規(guī)程之中，使超聲波檢測技術(shù)逐步走上了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的道路，在非破損檢測強(qiáng)度探傷、測縫等應(yīng)用方面有很大的推廣使用價(jià)值，在漁洞水庫工程基巖測試中，為工程提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1 陳敏、徐志勝、趙旺達(dá).超聲法檢測地基的研究［J］.珠江現(xiàn)代建設(shè)，2008（01）

2 何匯.常規(guī)超聲波檢測技術(shù)初步（續(xù)）［J］.無損探傷，2001（04）