聲發(fā)射技術(shù)在工程土體中的應(yīng)用

孫振國　李明寶　陳沖　張旭

摘 要：文章簡要闡述了有關(guān)聲發(fā)射的定義和原理，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，基于聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展及其在巖土工程中的應(yīng)用，綜述了聲發(fā)射技術(shù)在國內(nèi)外工程土體中應(yīng)用以及當(dāng)前聲發(fā)射技術(shù)在工程土體中的現(xiàn)狀和聲發(fā)射在當(dāng)前工程土體應(yīng)用中的局限性，最后概述了聲發(fā)射技術(shù)在工程土體應(yīng)用中的前景。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；力學(xué)試驗(yàn)；無損檢測

中圖分類號：TU11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0149-02

前言

近年來，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的推動(dòng)下，一種新的可靠的無損檢測技術(shù)-聲發(fā)射技術(shù)，以其特有的優(yōu)勢開始廣泛應(yīng)用于材料、化工、航天、土木工程等領(lǐng)域。但其在巖土工程領(lǐng)域多局限于對巖石的研究，對把聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于工程土體方面的研究較少。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，基于聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展及其在工程土體中的應(yīng)用，分析了聲發(fā)射技術(shù)在國內(nèi)外工程土體中應(yīng)用的發(fā)展以及當(dāng)前聲發(fā)射技術(shù)在工程土體中的應(yīng)用局限性，討論了聲發(fā)射技術(shù)在工程土體應(yīng)用中的前景。

1 聲發(fā)射檢測技術(shù)

聲發(fā)射的產(chǎn)生和荷載下材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，材料或結(jié)構(gòu)在受力變形或破壞過程中，所積蓄的應(yīng)變能以彈性波的形式釋放出來的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射也稱為應(yīng)力波發(fā)射。許多材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號都很微弱，人耳一般不能分辨出來，因此需要在靈敏的電子儀器的幫助下加以監(jiān)測。聲發(fā)射技術(shù)是指用聲發(fā)射儀得到聲發(fā)射信號并利用得到的聲發(fā)射信號經(jīng)過分析推斷材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部性質(zhì)變化來進(jìn)行安全評價(jià)的技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)基本原理是將聲發(fā)射源發(fā)出的彈性波，通過介質(zhì)傳到所檢測物體表面，引起檢測物體表面的物理震動(dòng)，然后利用耦合在物體表面上的陶瓷探頭，將聲發(fā)射源產(chǎn)生的應(yīng)力波轉(zhuǎn)換成電信號。電信號在放大器的放大與處理系統(tǒng)作用下，得到聲發(fā)射具有的特征參數(shù)，最終通過對這些特征參數(shù)以及電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出所預(yù)期的結(jié)果[1]。聲發(fā)射特性參數(shù)主要包括：（1）表示單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射能量（加速）釋放的相對累值的能量率。（2）事件信號第一次越過門檻至最大振幅所經(jīng)歷的時(shí)間間隔為上升時(shí)間；事件信號第一次越過門檻到最終降至門檻所經(jīng)歷的時(shí)間間隔為持續(xù)時(shí)間。

2 聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)50年代初Kaiser首次用聲發(fā)射技術(shù)研究金屬和合金的變形的聲發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于材料形變AE的不可逆效應(yīng)即Kaiser效應(yīng)[2]。20世紀(jì)50年至60年代間許多美國和日本學(xué)者進(jìn)過大量的試驗(yàn)研究將聲發(fā)射技術(shù)初步應(yīng)用于材料無損檢測領(lǐng)域[3]。70年代至90年代初隨著計(jì)算機(jī)的等技術(shù)的發(fā)展聲發(fā)射技術(shù)開始逐漸進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。90年代至今，聲發(fā)射技術(shù)被擴(kuò)展應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

從1973年起我國開始有關(guān)聲發(fā)射的研究工作，當(dāng)時(shí)我國斷裂力學(xué)正處在發(fā)展的高峰時(shí)期，聲發(fā)射技術(shù)得到很好的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的學(xué)者在聲發(fā)射的研究方面陷入了一種瓶頸，即以當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平學(xué)者們還不能準(zhǔn)確的分析研究聲發(fā)射的信號，同時(shí)加上學(xué)者們對能產(chǎn)生聲發(fā)射信號的源頭的性質(zhì)的認(rèn)識匱乏基礎(chǔ)的研究，使得聲發(fā)射技術(shù)沒有得到很大的發(fā)展。90年代以來，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號處理技術(shù)的快速發(fā)展的推動(dòng)下，聲發(fā)射技術(shù)在航天航空、巖土工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 聲發(fā)射技術(shù)在工程土體中的應(yīng)用

聲發(fā)射試驗(yàn)較為廣泛的應(yīng)用于巖石力學(xué)試驗(yàn)中，國內(nèi)外學(xué)者都曾進(jìn)行過大量巖石力學(xué)的試驗(yàn)，主要包括：壓縮應(yīng)力狀態(tài)、拉伸應(yīng)力狀態(tài)以及在受溫壓作用下的巖石聲發(fā)射特性；探究應(yīng)力水平與聲發(fā)射發(fā)生頻率之間的關(guān)系，損壞過程中的振幅與頻率分布變化，發(fā)生聲發(fā)射的位置，但對聲發(fā)射應(yīng)用于土工領(lǐng)域的研究較少。以美國的 R.M.Koerner 為代表學(xué)者們首先將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到土工領(lǐng)域。他們在20世紀(jì)70年代開始對土的聲發(fā)射特性及監(jiān)測做了一系列工作，作出了重要貢獻(xiàn)[4]。R.M.Koerner 等在1976年研究了無粘性土聲發(fā)射特性，并開始嘗試用聲發(fā)射探測土壩的穩(wěn)定性，得出用無聲發(fā)射機(jī)即聲發(fā)射率為零分時(shí)，代表穩(wěn)定；用中等程度聲發(fā)射即聲發(fā)射率介于10-500次/分時(shí)，代表緩慢變形；用大量聲發(fā)射即聲發(fā)射率大于500次/分時(shí)，代表不穩(wěn)定的定性穩(wěn)定判別方法[5]。國內(nèi)有關(guān)于利用聲發(fā)射對土工領(lǐng)域的研究報(bào)道較少，徐炳峰在1989年從位錯(cuò)和能量觀點(diǎn)導(dǎo)出土體位錯(cuò)點(diǎn)源以及應(yīng)變能改變量與聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系[6]；并于1995年通過對流土聲發(fā)射試驗(yàn)[7]發(fā)現(xiàn)在水源水頭增多、土體出現(xiàn)沸沙產(chǎn)生流土的情況下聲發(fā)射信號達(dá)到最強(qiáng)以及在隨著載荷不斷增加，臨界坡降出的聲發(fā)射前兆信號也不斷增強(qiáng)，從而證明用聲發(fā)射技術(shù)探測土體的滲流變形是可行的。

傳統(tǒng)的單軸壓縮和單軸劈裂試驗(yàn)只能得到土的常規(guī)物理指標(biāo)，而李國維[8]通過把傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)和聲發(fā)射技術(shù)聯(lián)系起來，用聲發(fā)射信號的特征明確反應(yīng)工程土體在單軸壓縮和單軸劈裂下的破壞形式，在聲發(fā)射信號參數(shù)和荷載參數(shù)之間建立對應(yīng)關(guān)系以此來研究土體的破壞規(guī)律。

三軸壓縮儀和單軸壓縮一樣只是測定土體的常規(guī)指標(biāo)，但譚峰屹[9]在對土體進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)過程中，在試驗(yàn)過程中利用聲發(fā)射檢測儀對試驗(yàn)過程進(jìn)行全程監(jiān)控，在對力學(xué)指標(biāo)的變化進(jìn)行記錄的同時(shí)，同步記錄聲發(fā)射信號指標(biāo)變化情況，然后將兩者指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，找出該土體在受力狀態(tài)下聲發(fā)射的活動(dòng)規(guī)律即試樣在達(dá)到強(qiáng)度峰值附近聲發(fā)射信號非常明顯，以及在破壞階段由于顆粒破碎和顆粒間的滑動(dòng)使得聲發(fā)射信號不斷加強(qiáng)，基于此原理可以形成一種對該土體工程間接檢測和監(jiān)測的新手段。

通過把聲發(fā)射檢測儀器采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行相關(guān)的分析和演算，同時(shí)利用聲發(fā)射信號特有的性質(zhì)從正面反推出產(chǎn)生聲發(fā)射信號的源頭即聲發(fā)射源的定位是當(dāng)前聲發(fā)射技術(shù)是否能夠繼續(xù)向前發(fā)展的核心問題。聲發(fā)射源的定位是對工程土體研究的基礎(chǔ)，因?yàn)楣こ掏馏w在荷載作用下的破壞是從內(nèi)部開始，如果能通過聲發(fā)射技術(shù)找到工程土體內(nèi)部破壞的開端，就為今后對土體結(jié)構(gòu)的使用和加固提供了實(shí)時(shí)的檢測和指導(dǎo)信息。本文中分析的前面專家或?qū)W者只是從試樣在外部作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號來對試樣的損傷進(jìn)行檢測評估，并沒有考慮到對聲發(fā)射源進(jìn)行定位探究來尋找工程土體在受載時(shí)內(nèi)部的“損傷區(qū)域”，探尋其損傷演化規(guī)律。聲發(fā)射源定位是將幾個(gè)聲發(fā)射陶瓷傳感器探頭按一定的幾何關(guān)系布置在固定區(qū)域，組成傳感器陣，通過檢測過程中傳感器檢測到的AE信號的特征參數(shù)來確定工程土體表面一定范圍內(nèi)內(nèi)部缺陷的位置。聲發(fā)射源的定位可以對實(shí)際工程土體中出現(xiàn)損傷的區(qū)域進(jìn)行很好的定位，從而及時(shí)的指導(dǎo)人們對工程中即將已經(jīng)出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行減小或者消除。endprint

4 聲發(fā)射技術(shù)在工程土體中的應(yīng)用前景

土工聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用可以說有著很廣闊的前景，除應(yīng)用于現(xiàn)場解決工程土體中的各種問題，例如：采用聲發(fā)射檢測技術(shù)來查找水壩泄漏源；用聲發(fā)射技術(shù)對建筑工程進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測評估之外，也可以被應(yīng)用于試驗(yàn)室內(nèi)對土體各種力學(xué)性狀的研究。聲發(fā)射技術(shù)雖已取得很大進(jìn)步，但對工程土體學(xué)來說仍然存在著一定的問題，作為一項(xiàng)剛開始引起人們重視的新技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)可能還要經(jīng)歷一段時(shí)間的探索才能逐步走上實(shí)用階段。但是，聲發(fā)射檢測技術(shù)揭示了土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化本質(zhì)， 尤其對土體內(nèi)部“損傷區(qū)域”的聲發(fā)射源精確定位來探尋其損傷發(fā)展規(guī)律，因而聲發(fā)射特性的進(jìn)一步研究必將使工程土體的研究向前大大邁進(jìn)一步。

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