淺談巖石超聲波測試技術

范瑞迪

（廣東省物料實驗檢測中心，廣東 廣州 510080）

1 聲學測試原理

聲波測試是彈性波測試方法中的一種，當外力對彈性介質的某一部分產生初始擾動時，由于介質的彈性，這種擾動將由一個介質點傳播到另一個質點，如此連續下去，即出現彈性波。彈性波是一種擾動的傳播，是一種機械波即機械能在介質中的傳播。由物理學知：F＝L/T。頻率的單位是赫茲（Hz），即每秒鐘振動的次數，空氣中的彈性波當其頻率為20～2 000 Hz時，通常稱為聲波，人耳能感知，當其頻率低于20 Hz時，稱為次聲波，而高于2 000 Hz時，則稱為超聲波，聲波測試技術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—壓型變而產生的彈性波常稱為縱波Vp，在固體中由于切變而產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。

單軸壓力和波速之間有著一定的對應規律，即隨著巖石所受應力的增加，波速也相應地增加，當受力過大、達到破壞時，波速有減少的規律。巖石試件超聲波波速測定結果表明：凡是抗壓強度高的巖體（巖石），其波速也大。這是由于巖石的抗壓強度是由其結構面的性質決定的。通過對不同巖石分組測試速度后，再測定抗壓強度，可看出巖石的抗壓強度和波速之間大體上為一線性關系。

縱波和橫波波速與巖石介質的彈性模量之間有著對應的數理關系：縱波反應巖石拉伸和壓縮形變，只受法向控制，表征巖石強度及變形特征；橫波則反應巖石的剪切形變特征，可以反應巖石的彈性特征。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不同、巖性及成巖年代不同、結構和破碎程度不同和抗壓強度不同，因而巖石超聲波特性會有很大差異，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構、強度、反應狀態，并作出巖石穩定和工程地質變化評價。

2 現場測試方法

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，開動機器，讀出縱波初至時間Tp和橫波初至時間Ts，將已測得縱波速度Vp代入經驗公式：R石＝12.3Vp2.67，即可求出巖石抗壓強度。

用超聲波對巖石進行強度檢驗有許多優點：試驗費用低、試驗速度快、對巖石沒有損壞（無破損試驗），有很好的代表性，但試驗的可靠程度不好。因此，采用超聲波測定巖石的強度，其最佳方法是聲波測試法與其他試驗方法相結合，以綜合試驗比較同類巖石的質量。

3 應用實例

某水庫樞紐工程位于廣州從化，距市區43 km，水庫大壩為混凝土砌石重力壩，建壩石料為石灰巖，設計壩高88 m，壩頂長226 m，總庫容量3.55億m3，壩后電站總裝機容量12 000 kW，是一座以農業灌溉為主，兼有發電、工礦和城市生活供水及向下游補水等綜合效益的大型水利工程，該水庫工程目前正在建設中。應用超聲波測試技術，對此水庫壩基巖石分別進行了超聲波測試和單軸抗壓強度試驗。

根據R石＝12.3Vp2.67經驗公式，由聲波值推算的強度值見表1。

表1 聲波值推算強度值

由表1可見，根據R石＝12.3Vp2.67經驗公式推算的強度值與單軸抗壓強度實測值有較大的偏差，考慮到聲波測試強度值的特點，對聲波波速和抗壓強度值進行回歸分析，其結果見表2。

由相關系數可見，3種回歸方程的相關性都比較好。建立了回歸方程以后，提高了聲波測試巖石強度值的可靠性，再利用它的測試速度快、費用低、無破損等優點，可以及時、準確地推算出巖石的抗壓強度值，這對指導工程施工有重大的意義。超聲波檢測技術不僅可測定巖石的強度值，還可以測定基巖的疏松、裂縫、孔洞等缺陷，當測試發現這些缺陷后，即可對這些部位進行固結灌漿，使巖石裂隙充填固結、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、穩定性和抗壓強度。

表2 各類回歸方程的比較

4 結束語

總之，在現代無損檢測技術中，超聲波檢測技術是一種令人矚目的新技術。其試驗方法已被列入有關的技術規程之中，使超聲波檢測技術逐步走上了標準化、規范化的道路，在非破損檢測強度探傷、測縫等應用方面有很大的推廣使用價值，在漁洞水庫工程基巖測試中，為工程提供了準確數據。

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

2 何匯.常規超聲波檢測技術初步（續）［J］.無損探傷，2001（04）