基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
岩石破坏过程中的声发射分布规律及其分形特征
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基于声波参数的岩体爆破损伤区检测方法
基于声波参数的岩体爆破损伤区检测方法岩石基础开挖是大型水电工程建设中的重要环节之一,钻孔爆破是目前岩石开挖的主要手段。
在利用炸药的能量对被开挖岩体进行破碎的同时,将对保留岩体产生不可避免的损伤。
工程实践中,开展爆破开挖损伤现场检测和并进行准确判定,是进行爆破损伤控制的前提,而基于声波测试的岩体开挖爆破损伤区检测,是国家标准和行业规范推荐的主要现场检测方法。
论文以白鹤滩水电站坝肩槽开挖爆破损伤现场检测为背景,结合理论分析和室内试验,分析了边坡岩体开挖爆破损伤机理,建立了岩体损伤的纵波上升时间变化率判据、提出了基于纵波上升时间的损伤区检测方法,研发了新型声波换能器,发展了基于声波参数的岩体爆破损伤区检测方法。
论文取得的主要研究成果如下：揭示了岩石开挖爆破损伤区微裂纹分区扩展机制。
研究微裂纹的激活、扩展机理,是理解岩体宏观损伤规律的必要基础。
爆炸荷载在岩石介质中激发的应力场,使得岩石中的应力状态会按照时间顺序,先后处于以下几个阶段：径向应力与环向应力均为压应力的压剪应力状态,径向应力为压应力、环向应力为拉应力的拉剪应力状态,径向应力与环向应力均为拉应力的拉剪应力状态。
当距离爆破孔较近时,压剪应力状态控制了岩石中微裂纹的扩展；随着距离的增大,微裂纹的扩展主要由拉剪应力状态控制。
提出了基于纵波上升时间变化率的岩体爆破损伤区检测方法。
理论分析和室内试验表明,测试孔孔壁与声波换能器之间的距离对测得的纵波速度结果影响较大,并足以影响纵波速度测试结果的准确性,而测得的纵波上升时间则基本不受该距离的影响。
相对纵波速度变化率而言,纵波上升时间变化率对所测岩体物理力学特性的变化更加敏感。
通过对比分析,建立了基于纵波上升时间变化率的爆破损伤判据,较为合理的变化率为≥10%。
而且,采用纵波上升时间变化率来判别爆破损伤区,较采用传统的纵波速度变化率而言,所测得数据的稳定性及可靠性更好。
研发了可以应用纵波振幅进行损伤区检测的声波换能器。
用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制
用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制Ξ河北理工学院资源工程系 徐东强ΞΞ 单晓云 张艳博摘 要:文中介绍了利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式;用不同孔隙率的阜平大理岩进行了双轴压缩试验,模拟了双向受力状态下的岩爆,研究了其破坏过程中的声发射特征,并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。
关键词:声发射 损伤力学 岩爆1 前言地壳中的岩体本身存在着一个极其复杂的自然应力场。
采掘活动会引起自然应力场的变化,使岩体中的应力重新分布。
在某些条件下,积聚在岩体中的弹性应变能一旦超过岩体的弹性临界状态就会引起岩石的非线性变形,剧烈时可产生岩爆。
岩体在变形破坏过程中会产生应力波和声波,我们称为声发射。
声发射的发生是由于错位的累计而形成的裂纹、晶格错动、或从原有的缺陷发生的脆性破裂及其向外扩张传播,以及由此而引起的内部结构上的变化所释放的能量等等。
研究岩石变形破坏过程中的声发射特性,对于探讨岩体突发失稳的机制及其防治、预报岩爆具有重要作用。
损伤是指在外载荷环境的作用下,由于细观结构的缺陷(如微裂纹、微孔洞等)引起的材料或结构的劣化过程。
损伤力学则是研究含损伤介质的材料性质以及在变形过程中损伤的演化发展直到破坏的力学过程的学科。
损伤力学是近20年来发展起来的一门新的学科,它是材料结构变形与破坏理论的重要组成部分。
损伤力学的研究不仅限于金属材料方面,而且逐渐被引进到岩石、混凝土类材料的强度及结构关系的研究。
几十年来,材料损伤性质的研究发展迅速,在微观、细观及宏观的基础上进行了大量的工作。
有关细观损伤的成核机理、演化规律、细观损伤对宏观力学性质的影响等是当前损伤研究的主要问题。
通过声发射的产生机理和损伤力学的研究内容,我们有理由认为声发射活动与岩石内部的损伤状态之间存在一定的关系,本文通过阜平大理岩双向加载声发射实验和双向受力岩石损伤分析,研究了岩爆的发生机制和岩爆的预报。
2 损伤变量与声发射关系在连续损伤力学中损伤变量D是这样定义的:材料损伤形成的微孔洞、微裂纹面积与材料损伤前总承载面积之比,其表达式为: D=S nS(1)式中,S—原始无损伤时材料面积;・82・ΞΞΞ徐东强 副教授 河北唐山 063009河北省自然科学基金资助项目S n—损伤面积。
地基岩石微损伤过程的测试研究_刘立
地基岩石微损伤过程的测试研究刘 立,王泽云,刘保县(西华大学建筑与土木工程学院,四川成都610039)=摘 要> 实验表明,声测波形与频度揭示了岩石内部损伤的萌生与演化特征,并对不同岩石的损伤演化过程及特性作了比较实验,得到了有益的结果。
=关键词> 岩石; 损伤; 声发射测试=中图分类号>T U 455 =文献标识码>A =文章编号>1007-8983(2003)SO-0117-02岩石的破坏与失稳起源于受载条件下的岩石内部损伤萌生与演化。
当损伤扩展贯通到一定程度时,常会引起地基基础、岩体工程、地下工程、边坡工程及矿山巷道、采场的过大变形与倒塌,造成严重后果。
研究岩石的损伤不少学者进行了有益的探索[1-3],取得了明显的成果,本文在实验研究的基础上,利用声发射测试技术对岩石损伤的全过程进行了观测试验研究,获得了相关的结果。
1 实验试件试件取自某地基层状岩体的灰岩、砂岩和泥岩等岩样,将其切割,打磨成50mm @50mm @100mm 试件,误差<?1mm,打磨平整,以利于换能接触面密切接触,提高拾取效率。
图1 测试系统2 实验系统构成为拾取岩样在微损伤时的声发射信号,实验仪器来采用了:¹低噪声高性能专用测量放大器,其频率范围为1Hz~200kHz,增益为-30~+100dB,能有效获取小信号并将其放大。
º高灵敏度宽频带压电式换能器B&K4369。
最高测量频率达1015kHz,可满足对微弱信号的灵敏度及频率灌输要求[4]。
»带通波波器B&K 1617,有多个子波段可供选择,并具有多级滤波带宽,可方便地调节至关注的频段或欲滤除的干扰杂波段范围。
¼快速高精度波形记录仪B&K2308。
具有特轻质笔头及高性能伺服控制电路,可实现对不同波形和幅度的信号记录,并可以线性或对数方式进行瞬时曲线描绘。
½高性能专用碰记录仪B&K7006,具有双通道展缩器,可实现扩展微弱信号和压缩信号的高动态记录,信噪比>70dBb 并配以高速数据采集分析系统,最高采样频率可达500kHz/通道。
基于声发射技术的材料断裂与监测
基于声发射技术的材料断裂与监测材料断裂是指在外力作用下，材料发生失效的过程。
对于工程中的材料或结构来说，断裂可能导致严重的后果，因此及时准确地监测和诊断材料的断裂状况至关重要。
声发射技术是一种基于材料内部发生的微小应力释放所产生的声波信号来监测材料断裂的非破坏性检测方法。
一、声发射技术简介声发射技术最早应用于地质学领域，用于监测地壳运动和地震活动。
随着科学技术的发展，声发射技术得到了广泛应用。
该技术通过在被测材料表面或内部采集声波信号，并结合信号的频谱、幅值、波形等特征，可以实时地监测材料的断裂活动。
二、声发射监测的原理声发射监测的原理是基于材料内部的微小应力释放。
当材料受到外力作用时，内部应力会产生变化，当应力超过材料的破坏强度时，材料会发生断裂。
在断裂瞬间，材料内部会释放出声波信号。
这些声波信号被传感器采集并转化为电信号，经过信号处理后反映了材料断裂的位置、瞬时幅值、频率等信息。
三、声发射监测的应用领域1. 材料工程和结构工程：声发射技术可以用于检测金属、混凝土、陶瓷等材料的断裂情况，对于预防工程事故具有重要作用。
2. 岩土工程：通过声发射监测可以实时地监测岩石和土壤的断裂活动，预测地质灾害风险，提高工程安全性。
3. 材料研究：声发射技术可以用于材料的断裂破坏机理研究，为新材料的研发提供参考和指导。
四、声发射监测的优势声发射监测作为一种非破坏性检测方法，具有以下优势：1. 实时性：声发射监测可以实时地监测材料的断裂活动，及时掌握材料破坏状态，为防止事故的发生提供重要依据。
2. 灵敏度高：声发射技术可以检测到微小裂纹的形成和扩展，对于材料破坏的预测具有较高的灵敏度。
3. 非破坏性：声发射监测不会对被测材料造成破坏，能够有效保护被测材料的完整性。
4. 数据量大：声发射监测可以采集大量的数据，利用数据分析技术可以解析材料断裂的规律，为预测材料寿命提供科学依据。
五、声发射监测的挑战与发展趋势声发射监测技术虽然已经在多个领域得到应用，但仍然面临一些挑战。
我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展
为了控制软岩隧道大变形，可以采用多种技术和方法。首先，合理选择施工 方法和工艺，如采用台阶法、CRD法等较为稳定的施工方法，避免采用反台阶法 等易引起不均匀沉降的施工方法。其次，对支护结构进行优化设计，提高其承载 能力和稳定性，以减小隧道的变形量。此外，还可以采用二次衬砌、加固岩体等 方法来增强隧道的稳定性。在施工过程中，对隧道变形进行实时监测，及时采取 措施进行加固和补救，以防止变形进一步扩大。
在软岩大变形灾害的控制策略方面，主要有以下几种措施： 1）加固处理： 对已经出现大变形的岩体进行加固处理，如注浆加固、钢板加固等； 2）排水疏 干：对地下水进行处理，降低地下水压力，疏干积水； 3）釆取支护措施：采用 各种支护措施，如锚杆支护、喷射混凝土支护等，以增强岩体的稳定性； 4）釆 取预防措施：加强地质勘察、监测等工作，及时发现并处理潜在的安全隐患。
在实际工程中，需要综合考虑软岩隧道的地质条件、施工环境、技术经济等 因素，选择合适的控制技术。加强施工管理和现场监管，确保各项技术措施得到 有效落实。例如，在某市地铁建设中，针对所经区域软土地层较多的问题，采用 了高强度钢构拱架支护、水平旋喷加固等技术措施，有效控制了隧道施工过程中 的大变形问题。
近年来，国内外学者对软岩隧道大变形力学行为与控制技术进行了广泛而深 入的研究。通过理论分析、数值模拟和现场试验等多种手段，不断深化对软岩隧 道大变形力学行为的认识，探索更加有效的控制方法和技术。例如，基于弹塑性 理论和非线性有限元方法，对软岩隧道大变形进行数值模拟和分析，为实际工程 提供有益的参考；结合现代监测技术，实现软岩隧道施工过程中的实时监测和预 警，及时采取措施控制变形。
支护技术介绍
针对软岩大变形巷道的底臌问题，常用的支护技术包括：
1、支架支护：根据巷道的实际情况，选择合适的支架形式（如U型钢支架、 钢筋混凝土支架等）进行支撑。同时，可在支架与围岩之间铺设缓冲材料，以减 小支架对围岩的应力。
基于声发射的高松矿田白云岩破坏特征分析
裂； 岩石 （ 体） 沿微 观 裂 隙整 体 滑动 或 已有破 裂 面 的滑
动； 岩石体内既存磁场 的磁性效应 。对个 旧高松 矿 田白云岩 的研 究 表 明 ， 试 样 内微裂 隙 的产 生 和 已有
裂 隙 的扩 展 、 断裂 是产 生声 发射 现象 的 主要 因素 ， 岩 石 的宏 观破 裂是 其微 破裂 的发 展 和积 累 。
田白云岩 作 了单 轴 压 缩 试 验 ， 研 究 了 岩石 试 样 在 加 载 过程 中的声 发射 活动 规律 ， 阐述 了岩 石 的破坏 机理 。
目前 对 岩石声 发 射 机 制 的研 究 ， 主要 包 括 以 下 四
芦塘 坝矿 段 １ ５ ４ ０ ｍ 中段 ， 共 采集 样 品 ６件 ， 样 品大 小 ３ ０ ｃ ｍ× ３ ０ ｅ ｍ×１ ５ ｃ ｍ， 样 品 整 体 完 整 性较 差 ， 具 有 明
石破坏全过程 力学特征和 声发射特征 ，在 此基础上分析石 灰岩 的破 坏机 理。试验研 究表 明 ：白云岩在 加载
初 期有声发射活动 ，为原有微 裂隙闭合过程 中挤 压破 坏产 生；弹性阶段 的 中期 ，声发射事件 比较稳 定 ；后 期 和塑性阶段的前期 声发 射事件 明显 增加 ，此 时原 有 裂纹扩展 是 造成 岩石 声发 射 活动 和体 积 变化 的 主要
内部 的性 态 变化 。因 此 ， 开 展 单 轴 受 压 岩石 破 坏 全 过 程声 发射 特征 研 究 ， 深 刻 揭 示 岩 石 破 裂过 程 与 声 发 射
参 数 之 间的关 系 ， 有 助 于我 们 进 一 步认 识 岩 石 的破 坏
２ 岩石单轴压缩测试 系统及试样制备
． １ 试样 特征 机理 ， 提出合理的岩石破坏 的前兆判据。本文运用 岩 ２ 石声 发 射 参 数 动 态 测 试 系 统 Ｉ ６ Ｊ ， 对 个 旧锡 矿 高 松矿 室 内声发 射试 验所 用岩 样取 自个 旧锡 矿 高松 矿 田
声发射与微震监测定位技术的研究进展
声发射与微震监测定位技术的研究进展声发射与微震监测定位技术是一种用于监测结构物或岩体中的裂纹、破坏和泄漏等问题的非破坏性测试方法。
声发射技术可以通过监听结构物中的超声波信号来监测可能出现的破坏现象，而微震监测定位技术则是通过检测地下微震信号来定位地下的异常活动。
这两种技术的研究进展如下。
声发射技术的研究进展：1.监测范围扩大：声发射技术最初主要应用于金属材料和混凝土等结构物的监测，但近年来已逐渐扩大到了岩石、岩层和土体等更广泛的领域。
2.信号处理优化：研究者们通过改进信号处理算法和技术，提高了对声发射信号的识别和分类能力，从而提高了监测的准确性和可靠性。
3.嵌入式监测：采用嵌入式技术，将声发射传感器安装在结构物的内部，实现对结构物长期在线的监测和预警。
这种技术能够提早发现潜在的潜在破坏问题，为维修和保养提供便利。
4.发展远程监测：通过无线传输技术和互联网的发展，研究者们已经开始利用远程监测平台对声发射信号进行实时观测和分析，实现了对分布广泛的结构物的长期监测。
微震监测定位技术的研究进展：1.定位精度提高：研究者们通过改进定位算法和传感器布置方式，提高了地下微震信号的定位精度。
现在的微震监测定位技术可以实现对地下微震事件的三维定位。
2.目标识别和分类：通过对地下微震信号的特征参数进行分析，研究者们已经实现了对不同类型的地下微震事件进行识别和分类，例如定位地震、洪水和岩体破裂等。
3.监测深度提高：通过改进传感器的灵敏度和信号放大技术，研究者们已经实现了对深层地下微震信号的监测。
现在的微震监测技术可以监测到几百米甚至上千米深度的地下微震事件。
4.同步监测网络：通过部署多个微震监测站点，并采用同步监测网络的方式，研究者们可以实现对区域内微震事件的协同监测和定位，提高监测的准确性和可靠性。
声发射与微震监测定位技术的研究进展主要包括监测范围的扩大、信号处理优化、嵌入式监测和远程监测，以及微震监测定位技术中定位精度的提高、目标识别和分类、监测深度提高和同步监测网络的发展。
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(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004； 2. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)
摘要：应用声发射及其定位技术，采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不
同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程。实验结果表明，在岩石弹性变形阶段，声发射事件定位位置为岩样内部
巴西 劈裂
花岗片麻岩 大理岩
φ100×50 φ100×50
三点 弯曲
花岗岩
70×90×700
注：巴西劈裂岩样尺寸单位为 mm×mm。
3 960 5 270 3 980
(a)
(b)
图 1 裂纹扩展过程声发射实验定位结果 Fig.1 Testing result of AE events location during crack
动具有突跳特性，这主要与岩石均质程度相关。声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置，
这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义。
关键词：岩石力学；声发射；岩石破裂过程；巴西实验；单轴加载
中图分类号：TU 452
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)05–0990–06
1引言
岩石内部微裂纹的初始、扩展是造成岩石破裂 失稳问题的直接因素，诸多岩石工程结构的破坏均 与裂纹初始、扩展相关。近年来，随着岩石力学的 迅速发展，在岩石失稳研究方面，针对岩石微细观 裂纹演化、破坏方面的研究尤为突出[1～11]。仵彦卿 等[1]应用 X 射线及 CT 方法研究了岩石内部裂纹扩 展过程，并描述了岩石 CT 尺度的破裂阶段。L. X. Wu 等[2，3]对岩石破裂过程进行了大量的红外热像研 究，但其实验的岩样尺寸相对比较小，且实验条件 相对比较苛刻。刘冬梅等[9]利用实时全息干涉法、 高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接 的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压 砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩岩样的裂纹扩展与变 形破坏过程。唐春安等[10，11]应用数值模拟研究了各 种条件下岩石裂纹演化过程及裂纹相互作用机制， 但未能从实验角度出发加以验证。
propagation process
给出了最终的定位结果及反映声发射活动特征曲 线，以供参考。 4.1 单轴压缩条件下岩石声发射事件定位
通过对岩样定位结果和实际破坏形式的比较发 现，声发射事件定位很好地反映岩样的实际破坏形 态，而且比较准确地对岩样裂纹的初始、扩展进行 定位(见图 1)。但此定位算法依靠时差进行定位，只 能反映裂纹初始及稳定扩展过程；在裂纹贯通瞬间， 其时差变化不明显，因此其不能反映裂纹扩展的非 稳定扩展及贯通过程。 4.2 三点弯曲声发射事件定位
(1) 加载系统：采用液压式压力实验机(NYL– 500 型，最大荷载 5 000 kN)进行加载，压力机的加 载速率控制在 5～8 kN/s。
(2) 声发射监测系统。 (3) 数据采集系统：采用应力传感器和动态应 变仪对岩石所加荷载和纵向变形进行量测。为消除 压力机压头对声发射事件的影响，在压头与试件接 触部分采用橡胶材料进行隔离。
尽管对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果， 但由于受到观测手段和方法的限制，不能对岩石内 部裂纹初始位置、演化过程进行实时监测，应用声 发射及其定位方法实时观测及定量分析裂纹初始和 扩展过程的研究更少。本文应用声发射及其定位技 术，系统实验研究了不同加载条件、不同岩样以及 不同尺寸岩石破裂失稳过程，直观反映了岩石内部 裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演 化过程，并分析了随应力变化其声发射活动规律。
收稿日期：2007–11–26；修回日期：2008–02–17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574022，50674025，50504005)；国家重大技术研究发展规划项目(2007CB209405) 作者简介：赵兴东(1975–)，男，博士，1997 年毕业于焦作工学院矿井建设专业，现任讲师，主要从事岩石破裂失稳与控制方面的教学与研究工作。 E-mail：zhaoxingdong@
2 声发射仪器简介及其定位原理
实验所采用的声发射仪器是由加拿大 ESG 公 司生产的，该仪器是一个综合的、全波形采集处理 系统，同时，很多源参数(能量、震级等参数)也被 实时计算。此声发射仪器具有 8 个数据采集通道， 整个声发射系统的采样频率设为 10 MHz，其门槛 值设定为 80 mV。所采用的声发射传感器为 Nano30
第 27 卷 第 5 期
赵兴东，等. 基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
• 991 •
characteristics of rock components. AE location results also directly reflect the spatial position，direction and spatial curved face of crack propagation in the rock samples，which provides very significant evidences for the study of rock failure mechanism. Key words：rock mechanics；acoustic emission；rock failure process；Brazilian testing；uniaxial loading
实验 方法
岩样编号
Байду номын сангаас
岩样尺寸 /(mm×mm×mm)
P 波波速 /(m·s－1)
花岗片麻岩
3 790
砂岩
4 910
单轴 压缩
大理岩 黑岩 花岗岩 1 红岩
花岗岩 2
70×70×150
70×70×75 70×70×100 70×70×150 70×70×200
5 820 3 630 3 810 3 650 3 710 3 970 3 790 3 940
Abstract：Acoustic emission(AE) and its location technique are utilized to study the failure process of different sized rock samples under different loading conditions(uniaxial loading，Brazilian splitting testing and three-point bending loading). From experimental results，the position of AE events corresponds to the position of stress concentration during the elastic loading step. With the increase of external loading，AE instrument can exactly locate the position of crack initiation and propagation；and AE location events can reflect the stable crack propagation process. The AE location result of Brazilian splitting testing indicates that，the position of initial crack is generated randomly，and the initial crack is the primary factor inducing rock instability. The failure modes of
的应力集中位置；随着加载的进行，声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向，并直观地反映出其内
部裂纹稳定扩展过程。从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出，初始裂纹产生的位置具有随机特性，且
初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素。岩样尺寸影响其破坏模式，受加载过程裂纹初始时序不同影响其
声发射活动规律表现不一致；不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性，其中砂岩在加载过程其声发射活
STUDY ON ROCK FAILURE PROCESS BASED ON ACOUSTIC EMISSION AND ITS LOCATION TECHNIQUE
ZHAO Xingdong1，2，LI Yuanhui1，LIU Jianpo1，ZHANG Jianyong1，ZHU Wancheng1
型(频域：125 Hz～750 kHz)；前置放大器型号为 1220A–AST(增益为 40 dB)；后置放大器的增益为 0～20 dB。整个声发射系统能够实现声波信号的采 集、空间定位、波形处理及事件发生时间确定，同 时本系统还可以对整个实验过程中，所发生的声发 射事件总数进行统计，并确定岩样内部裂纹破坏的 空间位置。声发射事件定位主要是通过不同位置的 传感器拾取 P(S)波到达时间差，应用盖格尔算法[12] 反演声发射源位置来反演岩石破裂源位置，进而实 现声发射事件的定位。声发射仪器及其定位原理详 见赵兴东等[13～15]的研究。