岩土工程测试技术课件__第九章.ppt

9 地下工程无损检测技术与声发射技术

无损检测技术是检测声学中的比较典型的应用它具有简单、快速、易行等特点,是检测工程质量的有效方法。声波是波动中机械波的一种形式,波动是物质运动的一种形式,振动是产生波动的根源。声波的频率在十余赫到万余赫的范围内,可以引起听觉,称为可闻声波;更低频率的机械波称为次声波;更高频率的机械波称为超声波。声波是弹性波的一种,若视岩土和混凝土介质为弹性体,则声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。

弹性介质内某一点运动时,可以得出拉密运动方程,如果不考虑重力一类体积力的作用,该方程可以表示为:
固体介质在一般情况下除了产生体积变形外,还将产生切变形,因此,将激起纵波和横波。它们以不同的速度在介质中传播。此外,在固体自由表面下的介质中还会出现表面波。因此,由拉密运动方程出发,可以导出纵波与横波的波动方程,下面讨论这两种波的传播速度。
1、纵波:质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。
设:
则拉密运动方程可写成:
上式为无限弹性介质中纵波的波动方程, 即为纵波的传播速度。
2、横波:质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。则拉密运动方程可写成:
上式为无限弹性介质中横波的波动方程, 即为横波的传播速度。
3、表面波: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称为表面波注意表面波与纵波和横波传播介质区别:面波在层状介质中传播,而纵波和横波在均匀介质中传播。面波在介质中的传播速度为:
4、波速度比较:
纵波和横波:
由波速的表达式可知,弹性介质的性质及种类不同,弹性常数及密度也不同,因此,弹性波在介质中的传播速度也不同。这样,我们用人工(爆破、锤击)发生弹性波,并设法用接收仪表测定其波速,利用各种波的的速度差异,可以帮助在记录中识别各种波,同时还可以用来判别岩体的特性及状态(如坚硬或松软、裂隙与完整)以及混凝土桩基的完整性和承载力等,这就是工程上经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。

从前面讨论可知,固体中有两种弹性波传播。当任何一种波入射到两种介质的分界面上时(如岩体中的节理、裂隙和断层等;岩石与混凝土的界面;基桩的桩底、桩身的夹泥层、断裂、扩颈
和缩裂等),将会产生反射和透射,这是因为波动方程要满足界面上质点位移连续和应力连续条件。我们通过下图可知反射和透射的特点。
通过斯奈尔定律(亦称反射与投射定律)可知:
在桩基质量检测时,满足一个特殊的边界条件,即桩顶锤击时,平面波垂直入射,当弹性波从桩顶向下不传播时,碰到弹性性质突然变化的界面时,不产生波的转换,仅有反射波和透射波的存在,而不存在反射横波和透射横波,即
故得反射系数为:
反射系数的物理意义是弹性波垂直入射到反射界面上后被反射回去能量的大小,说明界面上能量的分配问题。反射系数的大小取决于上下介质的波阻抗差。波阻抗越大,反射系数越大,反射波的振幅也越大;反之,反射波的振幅就小,当上下介质的波阻抗相等时,则不产生反射。

岩体声波探测就是声波发射、传播及接收显示,其相应的仪器有发射、接收换能器和声波仪。换能器的作用就是使其他形式的能量转换成声波的能量和使声波的能量转换成其他易于检测的能量。电能的运用最为方便,目前应用最广泛的便是电能和超声能量相互转换的电声换能器。

换能器是声电能量的转换器件,俗称“探头”,发射换能器是将声波仪发射机输出的具有一定功率的电信号转换成声信号,发射到岩体中,发射声波利用的是逆压电效应。接收声波利用的是正压电效应。由于实测中对换能器和频率频带、工作方式的要求不同,因此做成了具有不同结构和不同振动方式的压电换能器。,具有轻便和灵敏度高等特点。。
增压式换能器的构造
1—螺栓;2—连接件;3—连接套筒;4—后法兰盘;5—接线柱;6—电极引线;
7—压电陶瓷片;8—增压管;9—玻璃钢;10—前法兰盘
试件纵向用换能器
1—外壳;2—陶瓷片;3—螺栓;4—电缆;5—电缆屏蔽层;6—垫片;7—螺栓
试件横向用换能器
1—电缆;2—螺栓;3—垫片;4—螺栓电缆;5—上盖;6—陶瓷片;7—底壳