聲發(fā)射技術在工程土體中的應用

孫振國　李明寶　陳沖　張旭

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

關鍵詞：聲發(fā)射；力學試驗；無損檢測

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

前言

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

1 聲發(fā)射檢測技術

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，材料或結(jié)構(gòu)在受力變形或破壞過程中，所積蓄的應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)變化來進行安全評價的技術。聲發(fā)射技術基本原理是將聲發(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，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)進行分析，得出所預期的結(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)歷的時間間隔為上升時間；事件信號第一次越過門檻到最終降至門檻所經(jīng)歷的時間間隔為持續(xù)時間。

2 聲發(fā)射技術的發(fā)展

20世紀50年代初Kaiser首次用聲發(fā)射技術研究金屬和合金的變形的聲發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了關于材料形變AE的不可逆效應即Kaiser效應[2]。20世紀50年至60年代間許多美國和日本學者進過大量的試驗研究將聲發(fā)射技術初步應用于材料無損檢測領域[3]。70年代至90年代初隨著計算機的等技術的發(fā)展聲發(fā)射技術開始逐漸進入一個新的發(fā)展階段。90年代至今，聲發(fā)射技術被擴展應用于各個領域。

從1973年起我國開始有關聲發(fā)射的研究工作，當時我國斷裂力學正處在發(fā)展的高峰時期，聲發(fā)射技術得到很好的發(fā)展。20世紀80年代，當時的學者在聲發(fā)射的研究方面陷入了一種瓶頸，即以當時的科學技術水平學者們還不能準確的分析研究聲發(fā)射的信號，同時加上學者們對能產(chǎn)生聲發(fā)射信號的源頭的性質(zhì)的認識匱乏基礎的研究，使得聲發(fā)射技術沒有得到很大的發(fā)展。90年代以來，在計算機技術和信號處理技術的快速發(fā)展的推動下，聲發(fā)射技術在航天航空、巖土工程等領域得到廣泛應用。

3 聲發(fā)射技術在工程土體中的應用

聲發(fā)射試驗較為廣泛的應用于巖石力學試驗中，國內(nèi)外學者都曾進行過大量巖石力學的試驗，主要包括：壓縮應力狀態(tài)、拉伸應力狀態(tài)以及在受溫壓作用下的巖石聲發(fā)射特性；探究應力水平與聲發(fā)射發(fā)生頻率之間的關系，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)射應用于土工領域的研究較少。以美國的 R.M.Koerner 為代表學者們首先將聲發(fā)射技術應用到土工領域。他們在20世紀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[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)射機即聲發(fā)射率為零分時，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，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，代表不穩(wěn)定的定性穩(wěn)定判別方法[5]。國內(nèi)有關于利用聲發(fā)射對土工領域的研究報道較少，徐炳峰在1989年從位錯和能量觀點導出土體位錯點源以及應變能改變量與聲發(fā)射參數(shù)的關系[6]；并于1995年通過對流土聲發(fā)射試驗[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)射信號達到最強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，從而證明用聲發(fā)射技術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只能得到土的常規(guī)物理指標，而李國維[8]通過把傳統(tǒng)的土工試驗和聲發(fā)射技術聯(lián)系起來，用聲發(fā)射信號的特征明確反應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)之間建立對應關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，但譚峰屹[9]在對土體進行常規(guī)三軸壓縮試驗過程中，在試驗過程中利用聲發(fā)射檢測儀對試驗過程進行全程監(jiān)控，在對力學指標的變化進行記錄的同時，同步記錄聲發(fā)射信號指標變化情況，然后將兩者指標進行綜合分析，找出該土體在受力狀態(tài)下聲發(fā)射的活動規(guī)律即試樣在達到強度峰值附近聲發(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使得聲發(fā)射信號不斷加強，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)射信號進行相關的分析和演算，同時利用聲發(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)射源的定位是當前聲發(fā)射技術是否能夠繼續(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，因為工程土體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時的檢測和指導信息。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行檢測評估，并沒有考慮到對聲發(fā)射源進行定位探究來尋找工程土體在受載時內(nèi)部的“損傷區(qū)域”，探尋其損傷演化規(guī)律。聲發(fā)射源定位是將幾個聲發(fā)射陶瓷傳感器探頭按一定的幾何關系布置在固定區(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際工程土體中出現(xiàn)損傷的區(qū)域進行很好的定位，從而及時的指導人們對工程中即將已經(jīng)出現(xiàn)的安全隱患進行減小或者消除。endprint

4 聲發(fā)射技術在工程土體中的應用前景

土工聲發(fā)射技術的應用可以說有著很廣闊的前景，除應用于現(xiàn)場解決工程土體中的各種問題，例如：采用聲發(fā)射檢測技術來查找水壩泄漏源；用聲發(fā)射技術對建筑工程進行實時的檢測評估之外，也可以被應用于試驗室內(nèi)對土體各種力學性狀的研究。聲發(fā)射技術雖已取得很大進步，但對工程土體學來說仍然存在著一定的問題，作為一項剛開始引起人們重視的新技術，聲發(fā)射技術可能還要經(jīng)歷一段時間的探索才能逐步走上實用階段。但是，聲發(fā)射檢測技術揭示了土的內(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)射特性的進一步研究必將使工程土體的研究向前大大邁進一步。

參考文獻：

[1]董小雷.聲發(fā)射技術在板材塑性加工中的應用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，1994：25-35.

[2]騰山邦久，馮夏庭譯.聲發(fā)射（AE）技術的應用[M].冶金工業(yè)出版社，1996：88-95.

[3]耿榮生.聲發(fā)射技術發(fā)展現(xiàn)狀-學會成立20周年回顧[J].無損檢測，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.聲發(fā)射技術在土工中的應用[D].南京：河海大學，1989.

[7]徐炳峰.土流土聲發(fā)射監(jiān)測試驗研究[J].大壩觀測與土工測試，

1995，19（1）：32-36.

[8]李國維.粘性土拉裂的聲發(fā)射檢測[C].中國土木工程學會第七屆土力學及地基工程學術會議論文集.西安：中國建筑工業(yè)出版社，

1994.75-79.

[9]譚峰屹.鈣質(zhì)砂聲發(fā)射試驗研究[D].武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2007.endprint