[科普中国]-弹性波勘探测试

弹性波勘探测试是指利用弹性波在岩体传播中质点振动的特征，研究岩体特性的一种测试方法，又称弹性波测试。弹性波测试技术的应用范围较广，在水利工程地质勘察中采用的方法有:声波测试、地震波测试及地微震测试等。

简介利用弹性波在岩体传播中质点振动的特征，研究岩体特性的一种测试方法，又称弹性波测试。弹性波测试技术的应用范围较广，在水利工程地质勘察中采用的方法有:声波测试、地震波测试及地微震测试等1。

声波测试,利用频率较高(如6.3 ~500 kHz)的声被和超声被仪，对岩体进行测试的方法。主要工作内容是纵、横波波速的测定，对声被振幅与频率的测试与应用也已逐步开展。由于声波测试具有分辨力强和计时精度高的特点，已广泛用于室内岩样和现场小测段(从几厘米到十几米)范围内岩(土)体物理力学(如纵波和横波速度等)的测定，并可计算得出动弹性模量、动剪切模量及泊松比等;也广泛用于岩体工程地质分类、洞室围岩应力松弛范围的确定，混凝士构件的探伤、体积混凝土的质量评价，坝基质量检测、固结灌浆与防渗灌浆效果的检测，岩体或矿柱稳定性的评价及地基建基面的确定等。

地震波测试,在地表、平硐、竖井及钻孔中，利用地震被纵、横波，透射波(CT技术)和面波，探测岩土物理力学性质的技术方法。如在地表或平硐中，对大测段范围(从几米到几十米)的岩(土)体，从宏观上了解其特性，进行纵波、横波和面彼的测试;在钻孔中为了解各种岩层垂直和水平方向的;岩体物理力学参数和岩体的完整性，进行单孔的纵波、横波测井和钻孔之间的跨孔法测试(包括地展波层析成像)。工程中应用于岩体质最评价、边坡岩体稳定性分析及岩体内部构造探测等。

地微震测试,利用高灵敏度的仪器监测岩(E)体微小位称的一种技术方法。为了预测地下T程可能发生冒顶或岩体坍塌等事故，保证施工安全，早在20世纪30年代末40年代初，一些国家就开始研究应用地微震测试技术。在工程勘察中,多用于监测边坡(滑坡)的稳定、地下硐室困岩稳定，预测岩爆的发生及测定建筑物基础的卓越周期等2。

勘探原理地震勘探，是用人工方法激发地震被(地壳的弹性振动)，并且研究它们在地壳内传播的情祝，来达到探查地壳地质结构的目的。地震波由震源激发后向各方传播在存在密度差异的不同岩性地层的分界面上可能发生反射和折射,然后返回地面，引起地面的振动。我们将专门的仪器设备(地震仪、检波器等)安置在地面上记录地震的振动(地震记录),通过分析解释地震记录的特点(传播时间、振动的振幅、相位及频率等),就能确定地层的埋藏深度、岩石的组成成分和物理力学性质。地震勘探依据的是弹性被传播原理。弹性波理论分析表明.R波具有如下特点:在地震波形记录中振幅和被组周期最大频率最小能量最强;在不均匀介质中R波相速度(VR)具有频散特性此点是弹性波频率勘探的理论基础;由p波初直到R波初至之间的,1/3处为S波组初至，且VR与VS具有很好的相关性其相关式为:VR=VS-(0.871.12μ)/(1 pμ);式中:μ为泊松比;此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用;R波在多道接受中具有很好的直线性。即一致的波震同相轴;质点运动轨迹为逆转椭圆且在垂直平面内运动;R被是沿地表传播的,且其能量主要集中在距地表-一个波长(λ\R)尺度范围内。依据上述特性通过测定不同频率的弹性波频率速度VR即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。

工作方法应用弹性波频率进行现场测试时一般采用多道检波器接收以利于弹性被的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加,以脉神信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲振动信号后经数据采集频谱分析后，把各个频率的R被分离出来并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。

当选取两道检波数据进行反演处理时应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差，其间距0x应满足(λR/3)~AR即在一个波长内采样点数要小于在间距Ox内的采样点数的3倍，而大于在间距0x内的采样点数的1倍，该采集滤被原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。

存在问题虽然弹性波频率探测技术在工程中的应用已很广泛，但实际工作中还存在以下问题:

关于实测弹性波频率频散曲线的“Z”字型现象从理论模型的解析中还不能精确地解释此现象。因为理论的频散曲线。在介质分界面处只出现折点对此还需深入研究和数值模拟计算;

对于弹性波频率勘探深度的确定，国内外大多采用半波长作为R波的勘探深度此关系是一经验公式但在实际工作中应根据场地地质条件、探测对象以及孔旁测试对比结果等作适当调整;

测试深度相对较浅一般情况下可靠的测量深度为20~30m,最深不过50~60m。当测试深度加大时震源信号就必须具有足够的低频信号，尚难满足此要求。

由于低频时的R波值很少使得下部频散曲线的点相对稀少,所以对解释精度影响较大。就该问题由原来的算术坐标系改为波长为对数的单对数坐标系,可使低频段频散点稀少问题得以改观。根据不同的勘测目的和要求,对产生R被的震源需作必要的改进和研究,以适应勘察的需要。如用锤子作震源时其低频值为10~20Hz 左右,而用砂袋作震源时低频值为3~10Hz左右。弹性被频率勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法，具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点,但对弹性波频率勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓使之在生产实践中不断总结、完善和提高3。

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学