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技术与应用

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利用纵波探头测量横波速度的试验

发布日期:2015-11-21 10:30    浏览次数:

 1 引言

超声波测试在岩石力学领域得到广泛的应用。通过测试纵、横波在岩石内传播速度可以确定动态杨氏模量、泊松比等参数;根据岩体和岩块中超声波速度的差异能够判断岩体的完整性[1,2]。不过,岩石并不是完全线弹性体,力学性质复杂,超声波速度以及由此得到的动态参数的含义,需要根据具体情况确认[3~6]。采用直透法测量横波时,岩石内也存在纵波,纵波幅值较小且先于横波达到,确定横波的初至时间(起波点)具有相当大的困难;而且横波是剪切波,探头与测试表面之间需要用铝箔或锡箔作耦合并施加接触应力,对测试表面要求较高,且测试波形随接触压力变化更增加了横波测试的难度。因此,规程[7]的条文说明要求“测试人员必须是受过专门训练、具有丰富经验的专业人员”。本文通过对大尺度岩块超声波速度的测量,提出利用纵波探头测量横波的设想。纵波探头利用润滑脂耦合不需要接触应力,对测试表面要求低,测试方便。
2 直透法测量结果
试样为产于河南省辉县的角闪斜长片麻岩块,呈深灰白色,中粒粒状变晶结构,片麻状构造,主要矿物为斜长石、角闪石,其次为石英、黑云母及辉石,密度为2 700 kg/m3;尺寸在42 cm×25 cm×12 cm 左右,以Ll,Mm,Ss 表示岩块的长、中和短三个方向。文[6]测试了四个岩块三个方向的超声波速度,并从同一岩块的三个方向各加工4 个岩样,总计12 个岩样,测量了其纵波、横波速度。在试验重复4 次的情况下,无论是岩样还是岩块,超声波速度离散性都是较小的,其平均值如表1 所示。
纵波传播速度与物体的大小有关[8],如杆件中纵波传播速度是E / ρ 小于无限介中的速度E(1− v) / ρ (1+ v)(1− 2v) ,但横波传播速度与物体的大小无关,都是G / ρ 。表1 中岩块和岩样的横波速度大致相当,而纵波速度是岩块的大于岩样的,约大3%~5%。这可以理解为,纵波传播途径中的岩石材料在大尺度的岩块中受制约较大,因而波速稍有增加。对岩块和岩样而言,都是纵波速度随方向变化较大,依Ll,Ss,Mm 减小,差别在10%以上,而横波速度随方向变化较小。无论是岩块还是岩样,Mm 方向的动态模量比另两个方向低20%左右,表现出明显的方向性。而Mm 方向岩块的动态泊松比低达0.006,岩样的动态泊松比成为负值。不过,试样在轴向压缩时侧面只能膨胀,并不会收缩。对 Ll,Mm,Ss 三个方向的岩样在RMT-150B试验机上进行单轴压缩试验压缩曲线见图1。三个岩样的强度不等,变形模量不等,但平均模量大致相同。与表1 对照可以发现,动态参数与岩样的强度、杨氏模量没有相关性。由于超声波是在载荷为零的状态下测量的,岩石内的裂隙不能闭合,因而速度偏低。岩样经过初期缩裂隙闭合之后,其轴向压缩的平均模量都可以增加到70 GPa 左右,而动态模量仅在50 GPa 左右。
3 纵波探头平测法的结果
对上述岩块,以各个面中心线为基准,以7.5 cm为间距作出图2 所示网络,利用纵波探头进行平测,即两个探头平行地放在同一平面上(图3),表2 给出了在一个岩块上测得的速度的部分数据。速度是以探头中心点之间的距离150 mm 或300 mm 计算的。与表1 相对比可以看出,测量结果与该岩石的横波速度相当。
如图 3 所示,在纵波发射探头对岩块产生一个脉冲之后,在脉冲方向产生一个压缩波即纵波,在其垂直方向将产生一个剪切波即横波。该横波引起的质点振动方向垂直于岩块的表面,可以由纵波探头接收。在测试距离较近或者岩石非常致密(如纵波速度为5 500 m/s 的细晶大理岩)时,接收的波形中有时也含有幅值较低的纵波成份。但只要选用较高频率的换能器(探头),增加衰减比率,就能过滤掉纵波成份,得到单一的横波信号。同样,如果将纵波发射探头置于图3 的T 处,接收探头更换为横波的,也可检测切变振动确定纵波的速度,数值为4 557m/s,与表1 中Ll 方向的纵波速度相当。不过,横波探头需要相当的接触应力,测量表面必须具有较好的平整度,该方式并没有任何的实际价值。
在 L 端面测得的、沿Mm 方向传播的横波速度在2 770 m/s 左右,从另一岩块测得的数据在2 820m/s 左右,明显偏低。测试距离为150 mm。这与岩石块的非均质性有关,并不是测量误差。从表1 可以看出,沿Mm 方向岩石的纵波速度较低,而图3测量的横波是由纵波产生的,速度也就相应较低。纵波传播速度与物体大小有关,而横波传播速度与物体大小无关。因此,图3 的测试方式尽管存在自由表面,但所测波速的可靠性并不受到影响。不过,测量距离为150 mm 时的波速均大于测量距离为300 mm 时(1-5 两点之间)的数值。其主要原因是,探头端面是直径为20 mm 的圆,并不是一个点。探头实际接收的初至振动,其传播距离要小于中心点的距离,以探头中心点的距离计算波速会得到较大的数值。测量距离越小产生的误差也就越大。如果利用探头内侧距离计算则将小于横波速度。
4 结论
(1) 角闪斜长片麻岩的矿物构造以及超声波速度、强度、破坏形式具有明显的方向性,而平均模量随方向变化不很显著。轴向压缩初期出现的非线性变形表明其内部存在裂隙,裂隙闭合后的平均模量表示了岩石材料的力学性质。裂隙使超声波速度降低,动态模量完全可以低于静态的平均模量。
(2) 横波探头与测试表面之间用铝箔或锡箔作耦合并施加接触应力,测试表面需要较高的平整度。由于存在先于横波达到的纵波,确定初至时间相当困难。对具有较大平面的岩块,可以利用纵波探头测定横波速度,对测试表面的质量要求较低。
(3) 将纵波探头平行放置同一平面上,利用润滑脂耦合,发射探头对岩块施加法向脉冲后产生一个压缩波即纵波,在其垂直方向产生剪切波即横波。该横波引起的质点振动方向垂直于岩块表面,可以由纵波探头接收。由于探头并不是一个点,以两探头中心点距离计算将得到横波传播速度的上限值,而以探头内侧距离计算则得到其下限值。