声发射技术在工程土体中的应用

孙振国　李明宝　陈冲　张旭

摘 要：文章简要阐述了有关声发射的定义和原理，并结合国内外相关文献，基于声发射技术的发展及其在岩土工程中的应用，综述了声发射技术在国内外工程土体中应用以及当前声发射技术在工程土体中的现状和声发射在当前工程土体应用中的局限性，最后概述了声发射技术在工程土体应用中的前景。

关键词：声发射；力学试验；无损检测

中图分类号：TU11 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0149-02

前言

近年来，在经济发展和科学技术不断进步的推动下，一种新的可靠的无损检测技术-声发射技术，以其特有的优势开始广泛应用于材料、化工、航天、土木工程等领域。但其在岩土工程领域多局限于對岩石的研究，对把声发射技术应用于工程土体方面的研究较少。本文结合国内外相关文献，基于声发射技术的发展及其在工程土体中的应用，分析了声发射技术在国内外工程土体中应用的发展以及当前声发射技术在工程土体中的应用局限性，讨论了声发射技术在工程土体应用中的前景。

1 声发射检测技术

声发射的产生和荷载下材料的内部结构的变化密切相关，材料或结构在受力变形或破坏过程中，所积蓄的应变能以弹性波的形式释放出来的现象称为声发射也称为应力波发射。许多材料产生的声发射信号都很微弱，人耳一般不能分辨出来，因此需要在灵敏的电子仪器的帮助下加以监测。声发射技术是指用声发射仪得到声发射信号并利用得到的声发射信号经过分析推断材料和结构内部性质变化来进行安全评价的技术。声发射技术基本原理是将声发射源发出的弹性波，通过介质传到所检测物体表面，引起检测物体表面的物理震动，然后利用耦合在物体表面上的陶瓷探头，将声发射源产生的应力波转换成电信号。电信号在放大器的放大与处理系统作用下，得到声发射具有的特征参数，最终通过对这些特征参数以及电信号数据进行分析，得出所预期的结果[1]。声发射特性参数主要包括：（1）表示单位时间内声发射能量（加速）释放的相对累值的能量率。（2）事件信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间间隔为上升时间；事件信号第一次越过门槛到最终降至门槛所经历的时间间隔为持续时间。

2 声发射技术的发展

20世纪50年代初Kaiser首次用声发射技术研究金属和合金的变形的声发射现象，发现了关于材料形变AE的不可逆效应即Kaiser效应[2]。20世纪50年至60年代间许多美国和日本学者进过大量的试验研究将声发射技术初步应用于材料无损检测领域[3]。70年代至90年代初随着计算机的等技术的发展声发射技术开始逐渐进入一个新的发展阶段。90年代至今，声发射技术被扩展应用于各个领域。

从1973年起我国开始有关声发射的研究工作，当时我国断裂力学正处在发展的高峰时期，声发射技术得到很好的发展。20世纪80年代，当时的学者在声发射的研究方面陷入了一种瓶颈，即以当时的科学技术水平学者们还不能准确的分析研究声发射的信号，同时加上学者们对能产生声发射信号的源头的性质的认识匮乏基础的研究，使得声发射技术没有得到很大的发展。90年代以来，在计算机技术和信号处理技术的快速发展的推动下，声发射技术在航天航空、岩土工程等领域得到广泛应用。

3 声发射技术在工程土体中的应用

声发射试验较为广泛的应用于岩石力学试验中，国内外学者都曾进行过大量岩石力学的试验，主要包括：压缩应力状态、拉伸应力状态以及在受温压作用下的岩石声发射特性；探究应力水平与声发射发生频率之间的关系，损坏过程中的振幅与频率分布变化，发生声发射的位置，但对声发射应用于土工领域的研究较少。以美国的 R.M.Koerner 为代表学者们首先将声发射技术应用到土工领域。他们在20世纪70年代开始对土的声发射特性及监测做了一系列工作，作出了重要贡献[4]。R.M.Koerner 等在1976年研究了无粘性土声发射特性，并开始尝试用声发射探测土坝的稳定性，得出用无声发射机即声发射率为零分时，代表稳定；用中等程度声发射即声发射率介于10-500次/分时，代表缓慢变形；用大量声发射即声发射率大于500次/分时，代表不稳定的定性稳定判别方法[5]。国内有关于利用声发射对土工领域的研究报道较少，徐炳峰在1989年从位错和能量观点导出土体位错点源以及应变能改变量与声发射参数的关系[6]；并于1995年通过对流土声发射试验[7]发现在水源水头增多、土体出现沸沙产生流土的情况下声发射信号达到最强以及在随着载荷不断增加，临界坡降出的声发射前兆信号也不断增强，从而证明用声发射技术探测土体的渗流变形是可行的。

传统的单轴压缩和单轴劈裂试验只能得到土的常规物理指标，而李国维[8]通过把传统的土工试验和声发射技术联系起来，用声发射信号的特征明确反应工程土体在单轴压缩和单轴劈裂下的破坏形式，在声发射信号参数和荷载参数之间建立对应关系以此来研究土体的破坏规律。

三轴压缩仪和单轴压缩一样只是测定土体的常规指标，但谭峰屹[9]在对土体进行常规三轴压缩试验过程中，在试验过程中利用声发射检测仪对试验过程进行全程监控，在对力学指标的变化进行记录的同时，同步记录声发射信号指标变化情况，然后将两者指标进行综合分析，找出该土体在受力状态下声发射的活动规律即试样在达到强度峰值附近声发射信号非常明显，以及在破坏阶段由于颗粒破碎和颗粒间的滑动使得声发射信号不断加强，基于此原理可以形成一种对该土体工程间接检测和监测的新手段。

通过把声发射检测仪器采集到的声发射信号进行相关的分析和演算，同时利用声发射信号特有的性质从正面反推出产生声发射信号的源头即声发射源的定位是当前声发射技术是否能够继续向前发展的核心问题。声发射源的定位是对工程土体研究的基础，因为工程土体在荷载作用下的破坏是从内部开始，如果能通过声发射技术找到工程土体内部破坏的开端，就为今后对土体结构的使用和加固提供了实时的检测和指导信息。本文中分析的前面专家或学者只是从试样在外部作用下产生的声发射信号来对试样的损伤进行检测评估，并没有考虑到对声发射源进行定位探究来寻找工程土体在受载时内部的“损伤区域”，探寻其损伤演化规律。声发射源定位是将几个声发射陶瓷传感器探头按一定的几何关系布置在固定区域，组成传感器阵，通过检测过程中传感器检测到的AE信号的特征参数来确定工程土体表面一定范围内内部缺陷的位置。声发射源的定位可以对实际工程土体中出现损伤的区域进行很好的定位，从而及时的指导人们对工程中即将已经出现的安全隐患进行减小或者消除。endprint

4 声发射技术在工程土体中的应用前景

土工声发射技术的应用可以说有着很广阔的前景，除应用于现场解决工程土体中的各种问题，例如：采用声发射检测技术来查找水坝泄漏源；用声发射技术对建筑工程进行实时的检测评估之外，也可以被应用于试验室内对土体各种力学性状的研究。声发射技术虽已取得很大进步，但对工程土体学来说仍然存在着一定的问题，作为一项刚开始引起人们重视的新技术，声发射技术可能还要经历一段时间的探索才能逐步走上实用阶段。但是，声发射检测技术揭示了土的内部结构的变化本质， 尤其对土体内部“损伤区域”的声发射源精确定位来探寻其损伤发展规律，因而声发射特性的进一步研究必将使工程土体的研究向前大大迈进一步。

参考文献：

[1]董小雷.声发射技术在板材塑性加工中的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，1994：25-35.

[2]腾山邦久，冯夏庭译.声发射（AE）技术的应用[M].冶金工业出版社，1996：88-95.

[3]耿荣生.声发射技术发展现状-学会成立20周年回顾[J].无损检测，1998，20（6）：151-154.

[4]R.M.Koerner，A.E.Lord，Jr..Acoustic Emission in Medium Plasticity Clay Silt.Journal of the Soil Mecanicas and Foundations Division，Proceedings of the American Society of Civil Engineering， Vol.98，NO.SM1，1972.

[5]R.M.Koerner，A.E.Lord，Jr..Acoustic Emission Monitoring of Earth D

am Stability.Water Power &Dam Construction 1976，26：72-77.

[6]徐炳峰.声发射技术在土工中的应用[D].南京：河海大学，1989.

[7]徐炳峰.土流土声发射监测试验研究[J].大坝观测与土工测试，

1995，19（1）：32-36.

[8]李国维.粘性土拉裂的声发射检测[C].中国土木工程学会第七届土力学及地基工程学术会议论文集.西安：中国建筑工业出版社，

1994.75-79.

[9]譚峰屹.钙质砂声发射试验研究[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2007.endprint