Ultrahang hullámok terjedése különböző kőzetekben

Átírás

1 Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 215 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) oldalak: Ultrahang hullámok terjedése különböző kőzetekben Ultrasonic pulse velocity in different lithologies Bedzsula Milán Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Török Ákos BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, Kulcsszavak: ultrahang terjedési sebesség, longitudinális hullám keywords: ultrasonic pulse velocity, longitudinal wave ÖSSZEFOGLALÁS: A mérnökgeológia feladatok megoldásai során segítségünkre lehet az alkalmazott geofizika, mely a talajok, kőzetek műszeres vizsgálatával, azok különböző fizikai tulajdonságai alapján történő megismerésével, elkülönítésével foglalkozik. Vizsgálataink nagy részét roncsolásmentesen végezhetjük, pontos képet kapva az altalaj felépítéséről. Az egyik ilyen módszer a szeizmikus kutatás, amely a hullámok terjedési sebességének mérésén alapul. A mérések kalibrálásakor ismerni kell az egyes kőzetekben a terjedési sebességet. Ehhez kapcsolódóan a cikk kísérleti jelleggel bemutatja az ultrahang hullámok terjedési sebességének mérését. A laboratóriumi mérések során 31 db eltérő kőzettani jellegű próbatest vizsgálatára került sor A kőzetek fizikai jellemzésekor meghatároztuk a száraz-és nedves testsűrűségeket, látszólagos porozitást. Ezek mellett a fő cél az ultrahang terjedési sebességek meghatározása volt. A kapott eredményeket a testsűrűségi értékek és látszólagos porozitás függvényében ábrázolva összefüggések találhatók a testsűrűség, porozitás és ultrahang terjedésim sebesség között. Kulcsszavak: ultrahang terjedési sebesség, szeizmika, longitudinális hullám ABSTRACT: Application of geophysical methods in engineering geology is common, since it helps in describing physical parameters of rocks by using non-destructive tests. One widely used method is seismic survey. For the interpretation of seismic data it is necessary to know the pulse velocities in different lithologies. The paper presents laboratory experiments where ultrasonic pulse velocities were measured on 31 different lithologies. Besides pulse velocity testing, apparent densities, porosities of test specimens were also recorded. After data evaluation relationships were found in between these parameters. keywords: ultrasonic pulse velocity, seismic survey, longitudinal wave 1 BEVEZETÉS A mérnökgeológia feladatai közé tartozik a mérnöki létesítmények és a földtani környezet kölcsönhatásának feltárása, vizsgálata, elemzése. A vizsgálatok során segítségünkre lehet az alkalmazott geofizika, mely a talajok, kőzetek műszeres vizsgálatával, azok különböző fizikai tulajdonságai alapján történő megismerésével, elkülönítésével foglalkozik. A mérnöki feladatok nagy részében a talajok, kőzetek mechanikai viselődésének megismerése a cél, melyek a

2 Bedzsula - Török meghatározására a szeizmikus alkalmazások megfelelőek. Vizsgálataink nagy részét roncsolásmentesen végezhetjük, pontos képet kapva az altalaj felépítéséről. A mérések során a meghatározott talajok, vagy kőzetek fizikai jellemzőire, mechanikai viselkedésükre következtetni tudunk. A szeizmikus folyamatok megértéséhez szükségünk van a hullámfajták ismeretére, és a földrengéshullámok terjedésére. A négyfajta hullámtípus közül (P) primer longitudinális és (S) szekunder transzverzális hullámok legfontosabbak. (Völgyesi 22) 2 GEOFIZIKAI MÉRÉSI MÓDSZEREK MÉRNÖKGEOLÓGIAI FELHASZNÁLÁSA Geofizikai mérési módszerek a technika rohamos fejlődésének köszönhetően egyre növekvő mértékben alkalmazhatók a mérnökgeológia területén is. Leggyakrabban olajipari-, bányászati-, és mélyföldtani geológiai szolgáltatások, a modern szénhidrogén-, és mélyföldtani kutatás kihívásainak megoldásai tartoznak az alkalmazási területek közé. A mérnökgeológiában is felhasználható geofizikai mérési módszerek közé a következők tartoznak: szárazföldi szeizmika, víziszeizmika, elektromágneses, földradar-gpr, geoelektromos mérések. A módszerek alkalmazási területei a következők lehetnek: altalaj vizsgálatok, árvízvédelem, gátak vizsgálata, földtani rétegtani vizsgálatok, vízbázis kutatás, régészeti kutatások, eltemetett tárgyak kutatása, mederfelmérés, üregesedés vizsgálatok. (www1.) A geofizikai mérési módszerek alkalmazhatóságához, illetve az eredmények értelmezhetőségéhez vizsgálnunk kell a P-hullám terjedését a kőzetekben. Ezt legkönnyebben ultrahang terjedési sebességmérésekkel tehetjük meg, mivel az ultrahang is longitudinális nyomáshullám. Travertinek esetén összefüggés áll fenn az akusztikus tulajdonságaik és porozitásuk, illetve pórus típusaik között (Soete et al. 215). Gránit próbatestek esetén új fizikai paramétereket határoztak meg ultrahang terjedési vizsgálatokkal külföldi kutatók (Cerrillo et al. 214). Roncsolásmentes vizsgálatokkal becsülhető a nyomószilárdság építőkövek és téglák esetén. (Aliabdo et al. 212). 3 ULTRAHANG TERJEDÉSI SEBESSÉG VIZSGÁLATOK A laboratóriumi mérések során roncsolásmentes vizsgálatokat végeztünk kísérleti jelleggel, 31 db különböző kőzettani jellegű próbatesten. A kőzetek fizikai jellemzésekor meghatároztuk a száraz-és nedves testsűrűségeket. Utóbbihoz szükség volt vízfelvételi vizsgálatra is. A fő feladat az ultrahang terjedési sebességek meghatározása volt. A mérések két különböző kőzetfizikai állapotú, és két eltérő közvetítő közeg segítségével készültek. Így légszáraz és víztelített állapotban közvetítő közeg alkalmazásával és anélkül. A mérőműszer adó-és vevőfején közvetítő közegként plasztilint alkalmaztunk. 3.1 Vizsgált kőzetek bemutatása A laboratóriumi mérések során felhasznált kőzeteket a 1. ábra mutatja. A kőzetek megnevezését az 1. táblázat tartalmazza. 272

3 Ultrahang hullámok terjedése 1. ábra. A vizsgált 31 kőzetváltozat, megnevezésüket ld. 1. táblázat (studied 31 lithotypes, the descriptions are given in Table 1) 3.1 Mérési adatok A laboratóriumi vizsgálatok során mért adatokat az 1. táblázat összegzi. Jól megfigyelhető hogy a vizsgált kőzetek nem csak kőzettanilag térnek el, hanem az egyes főbb kőzettípusokon belül (pl. mészkő) is eltérő változatok azonosíthatók, amelyek jól elkülönülnek testsűrűségük és ultrahang terjedési sebességük alapján. 273

4 Bedzsula - Török 1. táblázat. Mérési adatok (test results) 4 EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE 4.1 Összefüggés a kőzetek testsűrűsége és ultrahang terjedési sebessége között Légszáraz állapotban vizsgálva a próbatesteket az ultrahang terjedési sebesség értékeinek nagysága összefügg a kőzetek száraz testsűrűségével. A 2. ábra alapján láthatjuk, hogy minél nagyobb a kőzet száraz testsűrűsége, általában annál nagyobb az ultrahang terjedési sebessége. A mérőberendezés adó- és vevőfején plasztilin alkalmazása esetén (2. a. ábra) nagyobb értékeket kaptam a terjedési sebességekre, mint plasztilin alkalmazása nélkül (2. b. ábra). Ez azzal magyarázható, hogy a plasztilin speciális anyagának köszönhetően eltömíti a kőzet felületén lévő pórusokat, ezáltal pontosabb mérési eredményeket kaphatunk.,,,,,,,,,, a. 2, Száraz testsűrűség [kg/m3] b. 2, Száraz testsűrűség [kg/m3] 2. ábra. A vizsgált kőzetek ultrahang terjedési sebessége a száraz testsűrűség függvényében, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity in studied rocks as a function of dry density, a: using plasticine, b: without using plasticine) 274

5 Ultrahang hullámok terjedése Víztelített állapotban vizsgálva a próbatesteket az ultrahang terjedési sebesség értékeinek nagysága összefügg a kőzetek nedves testsűrűségével. Minél nagyobb a kőzetek nedves testsűrűsége, annál nagyobb terjedési sebesség értékeket kaptam. Plasztilin alkalmazásakor ebben az esetben is nagyobbak az eredmények, mint plasztilin alkalmazása nélkül. A mérési eredményeket a 3. ábra szemlélteti.,,,,, 2, Nedves testsűrűség [kg/m3],,,,, 2, Nedves testsűrűség [kg/m3] 3. ábra. A vizsgált kőzetek ultrahang terjedési sebessége a nedves testsűrűség függvényében, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity in studied rocks as a function of saturated density, a: using plasticine, b: without using plasticine) 4.2 Összefüggés a minták pórusossága és ultrahang terjedési sebessége között A vizsgált 31 db kőzetet a vízfelvételük alapján növekvő sorrendbe rendezve látható, egy határozott trend. Ahogy az várható is volt, minél tömörebb és minél kevesebb pórussal rendelkezik egy kőzet annál kisebbre adódott a vízfelvétele. A sok pórussal rendelkező minták esetén mérhetők a legnagyobb vízfelvételi értékek. Megvizsgáltuk, hogy hogyan változik az ultrahang terjedés sebességének értéke a minták pórusosságának függvényében. Légszáraz állapotban plasztilin alkalmazása mellett és plasztilin alkalmazása nélkül kapott eredményeket a 4. ábra, a telített állapotban kapott értékeket az 5. ábra szemlélteti R² =,6148 R² =, ,5 %,5-3, % 3, -1,% 1,- % ábra. A vizsgált kőzetek ultrahang terjedési sebessége és minták pórusossága közötti kapcsolat légszáraz állapotban, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity in studied rocks as a function of porosity in dry conditions, a: using plasticine, b: without using plasticine) A 4-5. ábrák alapján plasztilin alkalmazása esetén nagyobb a korreláció a terjedési sebességnagyságok alakulása között, mint plasztilin alkalmazása nélkül

6 Bedzsula - Török R² =, R² =, ,5 %,5-3, % 3, -1,% 1,- % ábra. A vizsgált kőzetek ultrahang terjedési sebessége és minták pórusossága közötti kapcsolat telített állapotban, a: plasztilin alkalmazása,b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity in studied rocks as a function of porosity in saturated conditions, a: using plasticine, b: without using plasticine) A 4. és 5. ábrák alapján látható, hogy minél tömörebb, kevesebb pórussal rendelkezik a kőzet, annál nagyobb az ultrahang terjedési sebessége. A nagy vízfelvevő képességű kőzetek esetén kaptuk a legkisebb terjedési sebességi értékeket. Légszáraz és víztelített állapotban egyaránt a plasztilin alkalmazása mellett kapott értékek lettek a nagyobbak. 4.3 Összefüggés a minták felülete és ultrahang terjedési sebessége között A vizsgált sima és érdes felületű kőzeteket is összehasonlítottuk a vízfelvétel százalékos nagysága telített állapotát a légszáraz állapothoz képest viszonyítva. Ezt összevetettük az ultrahang terjedés sebességének értékeivel sima és érdes felületű kőzeteket elkülönítve. Légszáraz állapotban plasztilin alkalmazása mellett és plasztilin alkalmazása nélkül kapott eredményeket a 6. ábra, a telített állapotban kapott értékeket a 7. ábra szemlélteti sima felületű minták esetén R² =,674 R² =,713 -,5 %,5-3, % 3, -1,% 6. ábra. Sima felületű kőzetek ultrahang terjedési sebességének alakulása légszáraz állapotban, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity of smooth-surfaced rocks in dry conditions, a: using plasticine, b: without using plasticine)

7 Ultrahang hullámok terjedése R² =,7449 R² =,6979 -,5 %,5-3, % 3, -1,% 7. ábra. Sima felületű kőzetek ultrahang terjedési sebességének alakulása telített állapotban, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity of smooth-surfaced rocks in saturated conditions, a: using plasticine, b: without using plasticine) A 6-7. ábrákon látható, hogy minél tömörebb, kevesebb pórussal rendelkezik a kőzet, annál nagyobb az ultrahang terjedési sebessége. A nagyobb vízfelvevő képességű kőzetek esetén kaptam a legkisebb terjedési sebességi értékeket. Légszáraz és víztelített állapotban egyaránt átlagosan a plasztilin alkalmazása mellett kapott értékek lettek a nagyobbak, a plasztilin megfelelően kitölti a minta felületi pórusait. Légszáraz állapotban plasztilin alkalmazása mellett és plasztilin alkalmazása nélkül kapott eredményeket a 8. ábra, a telített állapotban kapott értékeket a 9. ábra szemlélteti érdes felületű minták esetén R² =,7534,5-3, % 3, -1,% R² =, ,- % 8. ábra. Érdes felületű kőzetek ultrahang terjedési sebességének alakulása légszáraz állapotban, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity of rough-surfaced rocks in dry conditions, a: using plasticine, b: without using plasticine) 277

8 Bedzsula - Török R² =,8249,5-3, % 3, -1,% 31. R² =, ,- % 9. ábra. Érdes felületű kőzetek ultrahang terjedési sebességének alakulása telített állapotban, a: plasztilin alkalmazása, b: plasztilin alkalmazása nélkül (ultrasonic pulse velocity of rough-surfaced rocks in saturated conditions, a: using plasticine, b: without using plasticine) Megállapítható, hogy a vizsgált kőzetek felülete és az ultrahang terjedési sebesség közötti összefüggések nagyban hasonlítanak a 4.2. fejezetben leírtakkal. Ez annak köszönhető, hogy a sima felületű kőzetek nagyobb tömörséggel, kevesebb pórussal, míg az érdes felületű minták sok pórussal rendelkeznek. A sima felületű próbatestek a gránit, tömött mészkő, márga, breccsa, az érdes felületűek pedig a riolittufa, forrásvízi és tömött mészkövek közül kerültek ki. 5 KÖVETKEZTETÉSEK A mérések alapján igazolható, hogy az ultrahang terjedési sebesség nagymértékben függ a közvetítő közegtől. A plasztilinnal végrehajtott mérések szinte minden esetben nagyobb ultrahang terjedési sebességet adtak litológiától független. A kísérleteink azt is igazolták, hogy a vizsgált kőzetekben nedves, víztelített állapotban az ultrahang gyorsabban terjed. Fontos észrevétel, hogy a kőzetfelület érdessége és egyenetlensége is jelentősen befolyásolja az ultrahang terjedési sebességet, de ennek pontos leírásához további mérések szükségesek. 6 FELHASZNÁLT IRODALOM Aliabdo A. A. E., Elmoaty A. E. M. A Reliability of using nondestructive tests to estimate compressive strength of building stones and bricks, Alexandria Engineering Journal, 51, Cerrillo C., Jiménez A., Rufo M., Paniagua J., Pachón F.T New contributions to granite characterization by ultrasonic testing. Ultrasonics, 54, Soete J., Kleipool L.M, Claes H., Claes S., Hamaekers H., Kele S., Özkul M., Foubert A., Reijmer J.J.G., Swennen R Acoustic properties in travertines and their relation to porosity and pore types. Marine and Petroleum Geology, 59, Völgyesi L. 22. Geofizika. Budapest www1. Letöltve: