波動(dòng)理論在巖土工程測(cè)試中的應(yīng)用研究進(jìn)展

摘要：隨著彈性動(dòng)力學(xué)的研究的進(jìn)展以及學(xué)科交叉發(fā)展的需要，波動(dòng)理論在巖土工程中的應(yīng)用越來越廣泛。通過回顧波動(dòng)理論的發(fā)展歷程，總結(jié)了工程波動(dòng)理論在巖土工程測(cè)試中應(yīng)用的主要方面以及最新研究的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：波動(dòng)理論；巖土工程測(cè)試；應(yīng)用研究；進(jìn)展

1、波動(dòng)理論

波動(dòng)就是擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，擾動(dòng)總是具有某種能量的，因此波的基本特征之一就是能量在介質(zhì)中的傳遞。

2、波動(dòng)理論在巖土工程中的應(yīng)用

2.1巖土體聲波測(cè)試

聲波測(cè)試技術(shù)具有測(cè)試快速、分辨率高、完全無損等優(yōu)點(diǎn)，因此自引入巖土工程中以來，得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1.1巖體彈性參數(shù)測(cè)試及性能評(píng)價(jià)

根據(jù)波速和彈性參數(shù)的關(guān)系，可通過波速測(cè)試確定巖土體的動(dòng)彈性參數(shù)，一般而言，巖體中波速傳播速度越快，表面巖體越致密、堅(jiān)硬、完整、分化程度低，反之波速越低，表明巖體越疏松、軟弱、破碎，結(jié)構(gòu)發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重、因此，可根據(jù)巖體聲波測(cè)試進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)分類。

2.1.2圍巖松動(dòng)圈的確定

在巖體開挖過程中，開挖過程擾動(dòng)了圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體表明應(yīng)力釋放，從而在巖體表面附近出現(xiàn)了一個(gè)由松弛向集中過度的層狀分布地帶，在工程中稱為松動(dòng)圈或松散層。松動(dòng)圈的厚度直接影響巖體的穩(wěn)定性，必須對(duì)其作定量的測(cè)定。

由于波速測(cè)試操作簡單，測(cè)試效果良好，因此許多學(xué)者通過聲波波速的測(cè)試來確定圍巖的松動(dòng)圈或松散層，從而為圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如龔建伍結(jié)合大斷面小凈距鶴上隧道，采用聲波法和多點(diǎn)位移計(jì)法對(duì)隧道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了測(cè)試分析，獲得了整個(gè)隧道斷面松動(dòng)圈的分布，并基于測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了該隧道錨桿設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的合理性，從而為圍巖松動(dòng)圈支護(hù)參數(shù)的確定提供了依據(jù)和指導(dǎo)。陳慶法從層狀巖體的力學(xué)特性、聲波在層狀巖體中的傳播規(guī)律、圍巖塑性區(qū)和剪裂區(qū)的分布特征3 個(gè)方面，對(duì)緩傾薄層弱結(jié)構(gòu)松動(dòng)圈聲波測(cè)試測(cè)孔布置的理論依據(jù)進(jìn)行研究，提出聲波測(cè)孔布置3 項(xiàng)基本原則。并基于測(cè)孔布置的理論和原則，在工程中合理設(shè)計(jì)了聲波測(cè)孔布置方式。

2.1.3巖體注漿加固質(zhì)量的評(píng)價(jià)

為提高巖體的彈性模量，降低滲透率，提高隔水性能及巖體的完整性和穩(wěn)定性，常對(duì)工程巖體進(jìn)行灌漿、充填等加固處理，為了解加固處理的效果，可以通過聲波測(cè)試技術(shù)灌漿工程等的加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。如雷宛利用聲波CT 成像法對(duì)灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果和聲波單孔、跨孔測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明聲波CT 成像測(cè)試結(jié)合其它測(cè)試方法對(duì)灌漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果準(zhǔn)備、可靠。

2.2工程材料及結(jié)構(gòu)物的無損檢測(cè)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，道路，水利工程，港口碼頭等結(jié)構(gòu)物的大力興建，以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的彈性波技術(shù)，超聲波技術(shù)以及地震波技術(shù)在結(jié)構(gòu)物中進(jìn)行無損檢測(cè)也越來越普遍，且技術(shù)也在不斷完善。尤其在混凝土工程中，超聲波檢測(cè)是最主要的無損檢測(cè)方法之一，我國于20 世紀(jì)50 年代中后期逐步開展這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

趙明階以波動(dòng)散射理論以及面波全息成像原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過多年大量試驗(yàn)的研究及理論分析已經(jīng)建立了二維的波電場耦合成像診斷技術(shù)模型，并成功的運(yùn)用于堤壩的隱患診斷與檢測(cè)，效果良好。

2.3地震勘探

地震勘探是利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過觀測(cè)和分析大地對(duì)人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。地震勘探在煤田和工程地質(zhì)勘查、區(qū)域地質(zhì)研究和地殼研究等方面，也得到廣泛應(yīng)用。而近年來隨著地震勘探測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，地震勘探技術(shù)在地基加固處理效果評(píng)價(jià)，路基系統(tǒng)分析等巖土工程的很多領(lǐng)域東歐得到了大量的應(yīng)用。

隨著人們發(fā)現(xiàn)瑞利波在層狀介質(zhì)中具有頻散特性之后，瑞利波逐漸被作為有效波，并充分利用其頻散特性來研究各種地球物理問題。在水平分層狀況下，瑞利波具有多個(gè)模態(tài)，同一頻率，不同模態(tài)的相速度不同；同一模態(tài)，不同頻率下相速度是不同的，這就是波的頻散特性。頻散特性受介質(zhì)分層數(shù)量及厚度、層剪切波速、泊松比等材料參數(shù)的影響，因此，瑞利波傳播特性包含剖面剛度信息。

自1983 年，Nazarian 等提出表面波普分析方法以來，表面波測(cè)試技術(shù)及其分析方法得到了大量的研究。為了克服SASW 方法中有效波難以從干擾波中分離和瑞利波頻散曲線計(jì)算精度較低的弱點(diǎn)，表面波多道分析方法逐漸被廣泛采用。于是，瑞利波勘探成為淺層地震勘探和工程質(zhì)量無損檢測(cè)的重要手段之一。

2.4波動(dòng)理論在巖土工程中的其他應(yīng)用

隨著專家學(xué)者對(duì)波動(dòng)理論越來越深入的研究，以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的彈性波等技術(shù)不僅僅只用于無損檢測(cè)，在巖土工程中其他方面的應(yīng)用也在不斷探索中。

近些年來，李漢江、林曉芳等將彈性波技術(shù)應(yīng)用于公路土石方工程的勘察中，由于巖土體的性質(zhì)是影響巖土體的彈性波速和開挖等級(jí)的決定因素，巖土體的彈性波速以及開挖等級(jí)又與巖土體的密實(shí)度、堅(jiān)硬程度、孔隙度、完整程度和風(fēng)化程度等密切相關(guān)，筆者正是利用這個(gè)原理來研究的，已基本建立了一套用彈性波速來界定挖方段土石開挖等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，為彈性波技術(shù)應(yīng)用于土石方工程勘察提供了理論基礎(chǔ)和規(guī)范性實(shí)踐依據(jù)。李永剛、徐永明等將地震波CT 技術(shù)應(yīng)用到巖溶地區(qū)橋梁樁位勘察中，結(jié)果表明了地震波CT 技術(shù)不僅能很好地反映溶洞發(fā)育程度及規(guī)律，而且能較全面地反映基巖起伏狀態(tài)及裂隙發(fā)育區(qū)。席道瑛等采用特定的分析儀，采取確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬地震波的傳播對(duì)飽和砂巖進(jìn)行了單軸循環(huán)加載試驗(yàn)，研究砂巖中波的能量衰減和虛模量隨溫度的變化規(guī)律，獲得了飽和巖石的楊氏模量和彈性波速度對(duì)溫度和頻率的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場地震波和聲波測(cè)試結(jié)果和地震勘探資料的解釋具有現(xiàn)實(shí)意義。

3、進(jìn)展

就波動(dòng)理論在巖土工程中的應(yīng)用而言，目前已經(jīng)取得了一定的成果，但是仍然有一些問題需要解決：

目前工程上大量運(yùn)用聲波測(cè)試獲取巖土體等工程材料的彈性參數(shù)，但是聲波穿過介質(zhì)附帶著其他大量的信息，如何通過聲波信號(hào)獲取有關(guān)信息，是聲波測(cè)試中研究的難點(diǎn)之一。

4、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，波動(dòng)理論在巖土工程測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用，通過對(duì)其深入研究，波動(dòng)理論在巖土工程中將得到更深層次的發(fā)展。

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