聲發射系統

聲發射系統應用廣泛，在土木工程結構上的應用主要包括材料拉伸、壓縮與疲勞測試過程中的材料損傷與斷裂檢測、橋梁結構健康監測、巖石力學特性測試、隧道與礦山微振監測等。聲發射系統能監測裂縫及缺陷的發生、生長過程。

聲發射在巖石地應力測量方面的應用

地應力是指存在于地層中未受工程擾動的天然應力，也成巖體初始應力。它的準確測定對于采礦、水利工程、土木工程等各種地下和露天開挖工程以及巖爆研究都有著重要意義，但由于地應力狀態很難通過數學計算，需要通過特定測量方法測定。凱賽爾效應是指材料在重復加載過程中，如果沒有超過先前的max應力值，沒有或很少有聲發射信號產生，只有當加載應力超過先前max應力值，才有大量聲發射信號產生。

巖石具有顯著的凱賽爾效應，利用凱賽爾效應測量地應力，不失為一種經濟、實用的方法，因此該方法在巖石力學及工程領域中有廣闊的應用前景。按根據累計聲發射數與應力的關系曲線，取曲線的突變點作為凱賽爾點，該點所對應的應力即為原先所承受的max應力值。巖石凱賽爾效應具有不可逆性，從微觀破裂及力學角度來講，一般認為那是巖石破裂的因一部擴張及塑性變形的不可逆表現。巖體在先前應力的作用下，產生了很多微小的裂隙，其聲發射現象可以解釋為原有的裂隙進一步擴張和新裂紋產生的結果。

在三軸加載條件下，巖石的三維定位及聲學特性測試

巖石在壓力作用下的聲發射監測為巖石內部應力分布及破壞機理研究提供了非常重要的信息。在這種情況下所檢測到的彈性應力波來自于不用的聲發射源，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參數，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，故在加壓的過程中對這些參數進行實時測量對研究巖石沉降與壓實特性，壓實損傷機理、巖石空隙的流體特性及巖石的各項異性有重要的意義。為此，在壓力測試過程中對試件采用主動發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算彈性模量、泊松比等參數時獲得巖石力學動態變化特性的手段。

為了實現上述目的，美國物理聲學公司開發了基于聲發射系統的巖石力學特性聲學測試技術方法和軟件包。該系統由八通道聲發射和四通道超聲系統組成如圖7所示。布置在巖樣側面的四個傳感器用于三維定位，布置在頂端的三個傳感器和超聲板卡相連激發縱波或橫波信號，布置在底端的三個傳感器用于接收上面三個傳感器發射的縱波或橫波信號。聲發射系統除了聲發射通道以外，還有四個外參數通道，可把試驗機的載荷、位移等信號接入，分析聲發射信號、波速與載荷、位移之間的關系。

通過三軸加載過程的力學特性測試，不但可以動態監測裂紋的發展變化情況，而且可以對裂紋的位置及擴展方向進行三維定位，還可以跟蹤監測在不同壓力載荷下主要聲學與力學特性參數的動態變化情況。這些主要聲學與力學參數包括：

● 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

聲發射技術在巖土工程方面的應用

1、 聲發射技術在巖爆預報方面的應用

聲發射作為一種研究巖爆傾向的巖石在外載條件下的破壞機理，近年來被越來越多的學者重視。研究發現，有巖爆傾向的巖石在加卸載過程中的聲發射規律有助于了解巖爆巖石的動態失穩過程和特征，尤其是那些經常承受循環加載或動態載荷的巖體，非常有意義。

2、 巖體聲發射檢測在采場頂板安全分級中的應用

礦山采場頂板冒落是地下礦山開采過程中常見的災害，直接威脅井下工作人員和設備的安全，因此采場頂板安全等級劃分及安全管理被許多國家所重視，我國許多礦山巖石力學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，利用巖體聲發射參數等有關指標對采場頂板進行安全等級劃分，借此制定相應的安全措施與支護方法，為采場頂板安全管理提供了一條簡便途徑。

3、 聲發射監測在TBM隧道開挖過程中的應用

TBM隧道施工遇到的問題包括斷層破裂帶、巖爆、涌水、溶洞和膨脹巖等，在TBM開鑿過程中的聲發射監測，可用來研究引水隧洞橫斷面在應力調整過程中微破裂發生的位置、范圍及頻率等，用于支護參數優化設計、輔助分析巖體地應力、對脆性大理巖巖體力學性質及支護機理的深化研究，根據聲發射信號的強度、活度及發展變化規律，研究對隧道開挖過程的地質災害進行早期預警。

4、 聲發射山體滑坡監測的應用

山體滑坡是一種常見的自然災害。滑坡前山體巖石由于長年的風雨侵蝕與地質結構運動的作用，巖石本身應力分布不均勻，產生了大面積的應力不平衡層，巖石由于受到力的作用時發生破壞，主要表現為裂紋的產生、擴展及巖體斷裂。裂紋形成或擴展時，貯存的部分能量以應力波的形式釋放出來，產生聲發射，由此可通過監測聲發射的活動狀況對山體滑坡進行預警。實踐證明巖體聲發射監測技術與傳統的山體滑坡監測手段相比，在預測預報方面有很大的*性，可以更早地對山體滑坡進行預警。

5、 聲發射微振監測的應用

礦山開挖常會在局部范圍內產生微振現象，微振將由可能導致坍塌、巖爆、冒頂、滑坡。采用低頻聲發射傳感器將可對微振進行監測、定位、分析、判斷并實現對監測范圍內巖體結構穩定性的預警。