声发射技术在岩土工程中的应用

黄薇

摘 要：声发射作为一种新兴的无损检测技术，由于具有实时、方便、覆盖面广等优点而被广泛的运用在岩土工程中。本文主要简单介绍了声发射技术，并就声发射技术在岩土工程中的应用进行了探讨。

关键词：声发射；岩土；工程；应用

随着科学技术的迅速发展，声发射技术在国内很多领域中都得到了普遍的运用，近些年尤其在岩土工程中的运用更是越来越多。声发射技术在岩土工程的发展史中发挥了不可替代的作用。而在当前这样一种新形势下，更要强化声发射技术的发展与应用，以便将其更好的运用在岩土工程中，推动岩土工程的大跨步发展。

1 声发射技术概述

1.1 声发射简介

声发射（AcousticEmission，简称AE）即物体在外力的影响下，在一瞬间释放了较大的弹性能量，最终导致出现了瞬态应力波的物理现象。大部分的固体材料在发生塑性变形与断裂时都会出现声发射现象，要是所释放的应变能大到了一定的程度，人耳都能听得见，但是很多材料的声发射信号不够强，这时就要借助仪器加以检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术，而此技术就是声发射技术。

1.2 声发射技术的特点

声发射技术属于动态检测方法。

这种技术能实现静态结构的检测，也能实地检测受力围岩；

可以检测一定范围中的特大以及形态复杂的岩体构件；

因为声发射技术普遍存在于固体材料中，声发射技术适用于大多数岩土工程。

1.3 岩体声发射技术的基本原理

因为受到外力的作用，固体材料内部缺陷或质地不均部分出现应力集中，最终导致出现微破裂，累积的应变能也在一霎那释放。因为应变能的释放而出现的应力波即为声发射，大部分的岩体都是非均质的，都具有节理和裂隙等问题，因此，当其受力破坏时都会出现声发射，接收由岩体内部发源点传至其界面的声发射，并分析其信号特征的技术，叫岩体声发射技术。

2 声发射技术在岩土工程中的应用

2.1 运用于采场稳定性监测

采场的稳定性跟矿山的安全生产息息相关，矿岩出现部分冒落、矿柱忽然失稳，都会导致矿山伤亡事故。根据相关权威资料显示，这一类的伤亡事故已经占到了我国矿山伤亡事故的四成以上。所以，监测和预报这类事故，具有重大的社会意义和经济意义。

2.2 边坡工程中声发射技术的使用

很多矿山和公路工程中都存在边坡工程，边坡工程的稳定性意义重大。

（1）岸坡因为地质条件比较复杂，稳定性不好。这些边坡工程往往河谷深切，岸坡高陡，临河高度在1000m以上，甚至高達2000～3000m，岸坡坡度在40°～60°之间；地壳的内外动力作用强，地震烈度高，地应力高，河谷变化剧烈，岸坡频频发生崩塌、滑坡以及滑坡堵江事故，岸坡岩体松弛破碎，稳定性不好。

（2）工程边坡高且陡，一般规模较大，稳定性不好。边坡的开挖高度往往在几百米这样，坡度往往达到了70°～80°，开挖体积往往从几十万到几百万立方米，开挖水平深度也达到了几十米甚至上百米，稳定性不良。

（3）边坡工程因为产生复杂的效应，作用机制目前还不是很清楚，很难有效的控制工程。比方说会发生爆破开挖、锚固支护和防渗排水等耦合作用。跟一般的工程边坡比较，岩土工程的边坡会受到地震、降水、水工建筑物泄洪雾化水等工程的作用，工作机理和作用效应比较复杂，又因为国内在超高和特高工程边坡治理方面尚不够成熟，难以有效的实现稳定控制。

（4）边坡工程具有较高的安全控制标准，需要花费较多的投资，所需工期长。岩土工程的作用效应比较复杂，所以在安全控制方面的标准较高；因为岩土工程常常是地处高山峡谷，施工场地比较狭窄，施工起来比较困难；边坡开挖较高，开挖与支护的工程量都比较大；再者，所需建设交通道路辅助设施工程量大，边坡工程开支花费巨大，工程边坡的治理会直接对工程建设周期造成影响。

（5）基坑支护监测中的声发射信号分析。声发射信号从时域形态上可以分成突发型和连续型两种基本类型，处理起来比较困难。突发型信号就是在时域上可分离的波形。比方说断续的裂纹扩展。当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来，如流体泄漏信号。突发信号参数包括：波击计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差等；连续信号参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压。声发射信号处理分析是实现声发射源定性识别、定位判断和定量评价。AE信号处理面临的最大难题，首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。不同的AE源机制，可以产生完全不同的AE信号。其次：AE信号传输途径的影响。AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果。声发射信号在材料或结构中经多次反射、衰减以及波形转换后，其波形将发生很大畸变。声源发出的声波可以经多种路径到达传感器，因此，所探测到的声信号波形是不同路径到达传感器声波的叠加，使信号趋于复杂。此外，由于传感器本身的"振铃"效应，从而导致输出信号更加复杂。

（6）声发射源的定位技术

声发射源定位是开展声发射检测的重要工作，是检测和评定声发射的一项重要指标，其准确程度反映了声源检测位置与实际出现的活动缺陷位置的吻合程度。目前，定位方法主要可以分为时差定位法、区域定位法和智能定位法。时差定位法是根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器的时间差，经波速、传感器间距等参数的测量和算法运算，确定声源的精确位置，是一种精确而复杂的定位方法。区域定位是根据声发射信号的传感器个数和相对时差时序来判定声发射源所处的区域，是一种快速、简便而粗略的定位方法。区域定位法对传感器布置位置无特殊要求，但要求检测强区域内源信号至少被一个传感器接收到。传感器位置布置灵活，检测范围大，但检测的声源的位置表示一定区域，具有不确定性。

2.3 利用声发射凯塞效应量测地应力

在各类地下岩石工程中，为了合理地评价岩体及岩体工程的稳定性，必须确定岩体中的初始应力状态，以及由于工程开挖后而在岩体中产生的次生应力和诱导应力。如今测定地应力的方法有很多，如液压盒法、扁千斤顶法、钻孔应力解除法、水压致裂法等，然而这些方法工艺复杂，费时费钱，测量结果具有不确定性，是一项比较困难的工作。从而，也就在一定程度上限制了现场岩体应力量测工作的推广使用，特别是一些中小型工程困难就更多。采用声发射技术是从地层中取出岩芯（岩样），将岩芯在实验室进行再次加载，根据其声发射时的应力状态推算出地应力。将岩体应力量测从现场搬进实验室，可以经济有效地进行量测工作，而且还可以简捷方便地获得大量实测数据，提高测量数据的可靠性。所以，用声发射凯塞效应量测地应力简便、快速、经济，已经越来越多地受到人们重视。

凯塞效应就是材料在重复加载时受到或超过先前所承受的最大应力时，其声发射现象显著增加，而当未达到过去所承受的最大应力水平时，声发射现象不发生或很少发生的现象。确定了先前所受的最大应力也就确定了地应力。

综上所述，声发射技术进一步完善和提高了现有机型的功能和可靠性，开发了适合各种工程检测声发射信号数据分析与处理软件包；将声发射检测技术的应用领域进一步拓展了，被广泛运用在桥梁和建筑等领域。

参考文献：

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