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聲發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，在土木工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用主要包括材料拉伸、壓縮與疲勞測(cè)試過(guò)程中的材料損傷與斷裂檢測(cè)、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、巖石力學(xué)特性測(cè)試、隧道與礦山微振監(jiān)測(cè)等。聲發(fā)射系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)裂縫及缺陷的發(fā)生、生長(zhǎng)過(guò)程。

聲發(fā)射在巖石地應(yīng)力測(cè)量方面的應(yīng)用

地應(yīng)力是指存在于地層中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也成巖體初始應(yīng)力。它的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于采礦、水利工程、土木工程等各種地下和露天開(kāi)挖工程以及巖爆研究都有著重要意義，但由于地應(yīng)力狀態(tài)很難通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，需要通過(guò)特定測(cè)量方法測(cè)定。凱賽爾效應(yīng)是指材料在重復(fù)加載過(guò)程中，如果沒(méi)有超過(guò)先前的max應(yīng)力值，沒(méi)有或很少有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，只有當(dāng)加載應(yīng)力超過(guò)先前max應(yīng)力值，才有大量聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。

巖石具有顯著的凱賽爾效應(yīng)，利用凱賽爾效應(yīng)測(cè)量地應(yīng)力，不失為一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法，因此該方法在巖石力學(xué)及工程領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。按根據(jù)累計(jì)聲發(fā)射數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系曲線，取曲線的突變點(diǎn)作為凱賽爾點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為原先所承受的max應(yīng)力值。巖石凱賽爾效應(yīng)具有不可逆性，從微觀破裂及力學(xué)角度來(lái)講，一般認(rèn)為那是巖石破裂的因一部擴(kuò)張及塑性變形的不可逆表現(xiàn)。巖體在先前應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生了很多微小的裂隙，其聲發(fā)射現(xiàn)象可以解釋為原有的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張和新裂紋產(chǎn)生的結(jié)果。

在三軸加載條件下，巖石的三維定位及聲學(xué)特性測(cè)試

巖石在壓力作用下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)為巖石內(nèi)部應(yīng)力分布及破壞機(jī)理研究提供了非常重要的信息。在這種情況下所檢測(cè)到的彈性應(yīng)力波來(lái)自于不用的聲發(fā)射源，如巖石材料晶粒的微破裂、晶粒邊界滑移、摩擦、空隙破壞、剪切斷裂等。應(yīng)力波成分既有壓縮波，也有剪切波。由于在高壓、高溫條件下巖石的力學(xué)參數(shù)，如楊氏模量、剪切模量、體積彈性模量及泊松比等，將隨壓力與溫度變化，故在加壓的過(guò)程中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)研究巖石沉降與壓實(shí)特性，壓實(shí)損傷機(jī)理、巖石空隙的流體特性及巖石的各項(xiàng)異性有重要的意義。為此，在壓力測(cè)試過(guò)程中對(duì)試件采用主動(dòng)發(fā)射與接收縱波或橫波的方式獲得縱波和橫波在不同壓力下的速度并由此計(jì)算彈性模量、泊松比等參數(shù)時(shí)獲得巖石力學(xué)動(dòng)態(tài)變化特性的手段。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，美國(guó)物理聲學(xué)公司開(kāi)發(fā)了基于聲發(fā)射系統(tǒng)的巖石力學(xué)特性聲學(xué)測(cè)試技術(shù)方法和軟件包。該系統(tǒng)由八通道聲發(fā)射和四通道超聲系統(tǒng)組成如圖7所示。布置在巖樣側(cè)面的四個(gè)傳感器用于三維定位，布置在頂端的三個(gè)傳感器和超聲板卡相連激發(fā)縱波或橫波信號(hào)，布置在底端的三個(gè)傳感器用于接收上面三個(gè)傳感器發(fā)射的縱波或橫波信號(hào)。聲發(fā)射系統(tǒng)除了聲發(fā)射通道以外，還有四個(gè)外參數(shù)通道，可把試驗(yàn)機(jī)的載荷、位移等信號(hào)接入，分析聲發(fā)射信號(hào)、波速與載荷、位移之間的關(guān)系。

通過(guò)三軸加載過(guò)程的力學(xué)特性測(cè)試，不但可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裂紋的發(fā)展變化情況，而且可以對(duì)裂紋的位置及擴(kuò)展方向進(jìn)行三維定位，還可以跟蹤監(jiān)測(cè)在不同壓力載荷下主要聲學(xué)與力學(xué)特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況。這些主要聲學(xué)與力學(xué)參數(shù)包括：

● Vl–縱波速度
● Vs–橫波速度
● E –楊氏模量
● G –剛性模量
● K –體積模量
● μ –泊松比
● λ –萊姆常數(shù)

聲發(fā)射技術(shù)在巖土工程方面的應(yīng)用

1、 聲發(fā)射技術(shù)在巖爆預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用

聲發(fā)射作為一種研究巖爆傾向的巖石在外載條件下的破壞機(jī)理，近年來(lái)被越來(lái)越多的學(xué)者重視。研究發(fā)現(xiàn)，有巖爆傾向的巖石在加卸載過(guò)程中的聲發(fā)射規(guī)律有助于了解巖爆巖石的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程和特征，尤其是那些經(jīng)常承受循環(huán)加載或動(dòng)態(tài)載荷的巖體，非常有意義。

2、 巖體聲發(fā)射檢測(cè)在采場(chǎng)頂板安全分級(jí)中的應(yīng)用

礦山采場(chǎng)頂板冒落是地下礦山開(kāi)采過(guò)程中常見(jiàn)的災(zāi)害，直接威脅井下工作人員和設(shè)備的安全，因此采場(chǎng)頂板安全等級(jí)劃分及安全管理被許多國(guó)家所重視，我國(guó)許多礦山巖石力學(xué)科研人員和礦山管理人員在該方面做了許多積極而有意義的工作。其中，利用巖體聲發(fā)射參數(shù)等有關(guān)指標(biāo)對(duì)采場(chǎng)頂板進(jìn)行安全等級(jí)劃分，借此制定相應(yīng)的安全措施與支護(hù)方法，為采場(chǎng)頂板安全管理提供了一條簡(jiǎn)便途徑。

3、 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)在TBM隧道開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)用

TBM隧道施工遇到的問(wèn)題包括斷層破裂帶、巖爆、涌水、溶洞和膨脹巖等，在TBM開(kāi)鑿過(guò)程中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，可用來(lái)研究引水隧洞橫斷面在應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中微破裂發(fā)生的位置、范圍及頻率等，用于支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輔助分析巖體地應(yīng)力、對(duì)脆性大理巖巖體力學(xué)性質(zhì)及支護(hù)機(jī)理的深化研究，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度、活度及發(fā)展變化規(guī)律，研究對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期預(yù)警。

4、 聲發(fā)射山體滑坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

山體滑坡是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害。滑坡前山體巖石由于長(zhǎng)年的風(fēng)雨侵蝕與地質(zhì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的作用，巖石本身應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生了大面積的應(yīng)力不平衡層，巖石由于受到力的作用時(shí)發(fā)生破壞，主要表現(xiàn)為裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及巖體斷裂。裂紋形成或擴(kuò)展時(shí)，貯存的部分能量以應(yīng)力波的形式釋放出來(lái)，產(chǎn)生聲發(fā)射，由此可通過(guò)監(jiān)測(cè)聲發(fā)射的活動(dòng)狀況對(duì)山體滑坡進(jìn)行預(yù)警。實(shí)踐證明巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的山體滑坡監(jiān)測(cè)手段相比，在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面有很大的優(yōu)越性，可以更早地對(duì)山體滑坡進(jìn)行預(yù)警。

5、 聲發(fā)射微振監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

礦山開(kāi)挖常會(huì)在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生微振現(xiàn)象，微振將由可能導(dǎo)致坍塌、巖爆、冒頂、滑坡。采用低頻聲發(fā)射傳感器將可對(duì)微振進(jìn)行監(jiān)測(cè)、定位、分析、判斷并實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)警。